Matlab在“微弱信號檢測技術”課程中的教學改革與探索

張程 肖仲喆

[摘 要] “微弱信號檢測技術”是測控技術與儀器和電子信息科學與技術專業的學生必修課。為了讓學生更深入地理解相關器的原理和梳狀濾波特性、直觀地感受積分時間常數對噪聲和信號的影響以及鎖定放大器級聯使用情況，我們在課堂教學中引入了MATLAB數值仿真模擬方法。通過在軟件中自己編寫程序來分析和處理信號，繪制相關器輸出的噪聲信號，促進了學生對相關器原理的理解，提高了學生的編程能力和對課程的興趣，最終提升了課堂的教學效果。

[關鍵詞] 微弱信號檢測技術;MATLAB;課堂教學

[基金項目] 國家自然科學基金青年科學基金項目（61905170，61906128）;江蘇省自然科學基金青年科學基金項目（BK20190816）

[作者簡介] 張 程，男，博士，講師，研究方向為電子測控和高性能微納光電器件;肖仲喆，女，博士，講師，研究方向為電子測控和情感語音識別。

[中圖分類號] G642.3? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）26-0192-02? ? [收稿日期] 2019-01-17

一、引言

“微弱信號檢測技術”是一門利用電子學和信息論分析與處理噪聲，最終將淹沒在強背景噪聲中的有用信號提取和恢復的課程，是高校電子信息和測控技術與儀器的必修課程[1]。該課程涉及的前期基礎知識包括高等數學、線性代數、概率統計、電路理論、模擬電路、數字電路和信號與線性系統等。該課程以噪聲為主要研究對象，從隨機噪聲的統計特性出發描述信號與噪聲不同的統計規律，進一步闡述電路和系統中的噪聲和低噪聲電路的分析與設計，最后通過相關檢測與鎖定放大技術提取和恢復有用信號[2]。

該課程要求學生擁有較強的數學基礎，邏輯性強，理論抽象，涉及復雜的數學公式推導。從學生的角度來講，學習的內容比較枯燥，需要將電路理論、數字信號處理等多門專業知識融會貫通，導致學生不能很好地理解和掌握書中基本理論及分析方法，容易喪失對本門課程的興趣;從任課老師的角度講，教學內容中的數學推導有些繁雜，而且注重公式推導容易忽略對整體概念和物理過程的理解。此外，傳統的黑板板書加上數字多媒體等教學模式并不能有效地調動學生的課堂積極性和獨立思考能力。因此，我們根據“微弱信號檢測技術”的教學課程特點和難點，引入MATLAB數值模擬方法[3]。

通過前期的理論教學，在課堂實踐中讓學生將學習的理論知識轉換成程序來顯示噪聲波形和相關器的輸出特性、抑制噪聲的能力，通過改變鎖定放大器的積分時間常數來探究抑制噪聲能力以及對信號的檢測效果。并且通過將書本中的理論分析與MATLAB程序輸出結果對比驗證，促進學生對相關器概念和原理的理解和對知識的掌握及應用能力。同時，在課堂教學中可以當場提出問題，讓學生自由討論如何解決問題，最后以當場集體演示的方式鍛煉學生的團隊精神和互相協作能力。

二、MATLAB在微弱信號檢測技術中的應用

在如今的課堂教學中，幻燈片作為一種常用的教學輔助手段被全面引入到大學課堂中。然而，利用幻燈片依然是以課堂灌輸課本內容為主。這里，我們采用先引出問題，啟發學生思考;然后鼓勵學生與學生之間、學生與老師之間相互交流溝通，探討如何解決問題。通過層層遞進的方式逐漸引導學生找到正確答案，最終通過MATLAB編寫程序的實踐來驗證學生的學習結果[4]。這樣的教學模式增加了與學生之間的交流，調動了課堂的積極性和教學氛圍。

在“微弱信號檢測技術”的教學中，公式和圖表分析眾多，我們結合真實的案例，在程序中寫好基本的數值參數，讓學生獨立完成乘法器和相關器的模塊算法，最終得到乘法器和相關器的輸出波形。通過改變相位差，觀察不同相位差條件下的乘法器輸出信號波形并對結果進行分析。隨后進一步通過調節參考信號與輸入信號的比值，分析相關器的輸出信號曲線與頻率的關系，最后得到相關器的頻率響應特性。通過本課程的學習和編程訓練，提高了學生的實踐和自主學習能力，幫助他們掌握了相關器的原理，進一步理解了相關器的工作過程，提高了他們MATLAB處理隨機信號和噪聲分析的基本技巧。通過不斷遞進的學習，為后期的相關器等效噪聲帶寬、積分時間常數對相關器抑制噪聲性能的影響、鎖定放大器級聯使用的條件和相位與頻率傳輸特性等奠定了堅實基礎。

將乘法器的輸出波形與書本中的圖形結果進行對照，讓學生更加形象、直觀地理解乘法器的工作原理。接著在積分器模塊中，通過將積分器的沖激響應函數與乘法器進行卷積運算得到積分器的輸出信號波形。通過對比波形，讓學生對差異進行分析。

基于上述學習基礎，讓學生利用前面編寫的相關器仿真程序，通過自由討論的方式自主完成后面的相關器頻率傳輸特性，這是培養學生獨立思考和創新理解能力的關鍵一環。學生通過記錄不同信號頻率和參考頻率的比值條件下的穩態輸出幅度，記錄不同比值的輸出波形和穩態輸出幅度。學生可以采用每次改變比值記錄輸出幅度的方式得到結果，也可以采用寫循環語句的方式一次性地得到不同比值時候的對應穩態輸出幅度。然后整理表格，比較以上不同參考信號與輸入信號比值下的穩態輸出幅度值，總結輸入信號與參考信號之間具有的諧波關系及無諧波關系情況下的輸出幅度規律。最后繪制穩態輸出幅度隨著信號頻率與參考信號頻率比值變化的關系，得到相關器頻率響應曲線。得到頻率響應曲線后，本課程并沒有結束，而是進一步引導學生對所生成的相關器頻率響應曲線進行描述和分析解釋。課堂實踐表明，這樣的教學方式有助于調動學生的積極性，培養學生團隊的協作能力，鍛煉學生的交流和表達能力。最重要的是，加深了學生對課本知識點的理解，訓練了學生獨立思考解決問題的能力。

在最后的課程考核部分，我們要求學生對每次課程設計內容都要保留對應的程序，整理在相應的文件夾中。這樣主要是為了防止學生在課后直接拷貝同學的程序和電子文檔的圖表等。因為每個人寫的程序，即使相互之間有交流，也不可能寫出來完全一樣的程序。因此，可以判斷學生是否是采用了作弊的手段。并且，在隨機噪聲處理中，我們在程序中引入了隨機數和隨機分布，因此，在對引入噪聲后的相關器輸出曲線中，幾乎是不能得到完全一樣的圖。在最終的考核中，我們比較了不同學生的程序，對該課程涉及的成績進行評定。在本次課程之外，我們還布置了課程設計報告，由學生上臺做報告，側重討論的部分，介紹相關的前沿研究。由此可以看出，本次課程的考核內容比較豐富，每個環節對學生的個人能力和自主學習能力都是一個挑戰，由此推動了對學生創新能力的培養。

三、結論

我們將MATLAB數值模擬軟件引入到“微弱信號檢測技術”的相關器仿真中，鍛煉了學生的編程能力、加深了學生對課程內容的理解、提高了學生的主動性和創造性。利用MATLAB強大的仿真和畫圖功能，讓學生將書本中枯燥的理論公式轉換為形象而直觀的圖形輸出，減輕了學生學習的負擔，同時還提高了學習的積極性和主動性。

參考文獻

[1]劉國福，楊俊.微弱信號檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]韓艷，周雨陽，李佳賢.以學生需求為導向的自學型課程建設研究[J].高等建筑教育，2016（2）：125-129.

[4]戴麗珍.基于案例教學和分步、遞進式任務設計的Matlab教學改革探索[J].教育教學論壇，2018（21）：161-162.

Teaching Reform and Exploration of Matlab in Weak Signal Detection Technology Course

ZHANG Cheng，XIAO Zhong-zhe

（School of Optoelectronic Science and Engineering，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215006，China）

Abstract：Weak Signal Detection Technology is a required course for students majoring in measurement and control technology and instruments and electronic information science and technology.In order to make students to better understand the principle of correlator and the characteristics of comb filtering，intuitively feel the effect of integration time constant on noise and signals，and the use of lock-in amplifier cascades，Matlab numerical simulation method is introduced in classroom teaching.Writing Matlab code to analyze and process the signal，and drawing the noise signal output by correlator can promote students' understanding of the principle of the correlator，improve students' programming ability and interest in the course，and ultimately improve the effectiveness of classroom teaching.

Key words：Weak Signal Detection Technology;Matlab;classroom teaching