基于虛擬仿真技術的數字信號處理教學實踐應用研究

吳鐵洲，陳瀏亮

（湖北工業大學/太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室 湖北 武漢 430068）

1 數字信號處理課程教學現狀

本課題涉及的數字信號處理課程是電氣與電子類專業的基礎課程，綜合性較強。學生在實踐中做出實物的難度較高，且還要考慮到成本等問題，學生在項目實踐中很難得到深刻理解，在故障排查等方面也很難實施。涉及教學內容主要包括時域離散信號與系統的頻域分析，了解并學會設計各類數字濾波器等內容。這些知識理論性較強、概念繁多且抽象，知識點枯燥，學生接受程度低，不便于深刻理解和記憶，且缺乏可靠的依據。綜上，目前數字信號處理課程在教學方法上存在一些不足，學生接受知識點存在困難，不利于學生綜合實踐能力的提高，不能滿足“十四五”時期教育規劃對高校培養創新實踐型人才的要求。

2 虛擬仿真技術的特點及應用必要性

虛擬仿真技術作為一項實驗研究型技術，在各個階段的教研項目中得到廣泛應用，虛擬仿真教學能增強課堂趣味性、豐富教學形式、完成復雜實驗、提升教學效果，因此得到越來越多的應用和推廣。第一，虛擬仿真技術只需要一臺普通計算機就可以完成，實施成本較低。第二，在虛擬仿真技術中，仿真軟件界面清晰直觀，學生可直觀操控，方便快捷。第三，學生可以運用虛擬仿真技術對電路進行分析，從而在后續實際的電路仿真中隨時更改電路參數設置，進行對比分析，提高了仿真分析的邏輯性、科學性、正確性。第四，虛擬模擬技術可以縮短實驗時間，使得電路的仿真更加簡單，也方便排查錯誤，及時糾正。

基于虛擬仿真技術的特點和優勢，將其運用到數字信號處理課程的教學中是很有必要的，虛擬實驗室與動手實踐的有機結合，將較難理解的理論知識用仿真軟件的圖形圖像、測試結果等形式展現，使學生更好地理解學習。虛擬仿真技術使用到的軟件有EWB、Matlab、Protues、Multisim、Pspise 及Saber 等等。其中MATLAB 軟件具有高效的數值計算能力，完整的圖形處理功能，豐富的應用工具箱，因此使用比較廣泛，可以很好地應用于數字信號處理課程中，彌補教學不足。

3 運用虛擬仿真技術的教學方案及效果

3.1 理論知識的項目導入

在開展教學實驗項目之前，學生需掌握一定的電路專業知識，具備一定的數學建模能力。因此，教師應指導學生利用虛擬仿真軟件搭建虛擬仿真平臺，運用虛擬仿真軟件對電路進行建模設計、仿真預測、仿真結果分析或運用指令工具，調用函數，繪制圖形圖像仿真進行對比分析等。

在數字信號處理課程中，教師首先借助虛擬仿真軟件，導入本次項目的任務及目標、展示項目結果。以講解模擬信號離散化為例，教師先運用MATLAB 軟件展示數字化后的圖形特點，與模擬信號離散化進行對比分析，讓學生對課程有一個直觀的認識，接著再布置具體的學習任務，再利用虛擬仿真技術生動形象地讓學生明白完成設計后，本次實驗應該達到一個什么樣的結果，讓學生有一個預期判斷以及可以學到哪些知識。

3.2 引入虛擬仿真的課堂實踐運用

數字信號處理課程教學中的核心內容是設計符合工程實踐要求的數字濾波器，數字信號處理這門課程的工程實踐性和實用性能通過數字濾波器的設計得到充分的體現。數字濾波器按通帶特性可分為低通、高通、帶通、帶阻等幾種線性形式。按單位脈沖響應可分為有限長單位沖激響應濾波器（FIR濾波器）和無限長單位沖激響應濾波器（IIR濾波器）。

由于數字濾波器概念相對抽象，其設計原理和過程很復雜，并且學生很難理解，因此，運用虛擬仿真軟件來設計濾波器可以大大簡化編程過程，并使設計出的濾波器簡單易用且符合工程實際要求。如進行 FIR 數字濾波器設計，利用MATLAB 隨時對比設計要求與濾波器特性調整參數，在圖像處理中尋求一個頻率響應指標Hz，通過對大小、性質完全相同的圖像進行濾波，調整數字濾波器的通帶和頻率，完成對圖像和信號的采集，經過這樣的對比和仿真分析，學生對濾波器的功能和性能得到了進一步理解。以具體教學案例分析課程中虛擬仿真技術的實踐應用：設計抽樣頻率為10kHZ，通帶截止頻率為2.5 kHZ，通帶衰減不大于2dB，阻帶上限截止頻率1.5kHZ，阻帶衰減不小于15 dB 的巴特沃思數字高通濾波器。

采用理論計算的方法進行設計的話，計算量大，步驟多。

（1）求巴特沃斯數字高通濾波器的技術指標：

（2）對通帶邊界頻率歸一化：

由理論計算可看出知識點的復雜度，且還容易出現計算錯誤，存在誤差、精度不高等問題。學生很難直觀地學習體會設計的結果。使用MATLAB 來設計該案例，其中，濾波器的階數N 可以利用buttord（）函數直接計算出來，濾波器的通帶截止頻率計算出來。同樣的，高通濾波器的系統函數 可以利用impinva（r）函數直接映射得到，使用MATLAB 進行虛擬仿真設計得到的仿真圖如圖1、2（p52）所示。

由圖1 可以看出，在頻率小于1kHz時，巴特沃斯高通濾波器振幅增加小于1dB；由圖2 可以看出，在頻率大于2.5kHz 的范圍時，振幅迅速從1dB 下降到0dB。因此，設計出的數字高通濾波器滿足給定的技術要求。在數字信號處理課程中用MATLAB 進行虛擬仿真設計，相比理論計算設計可以達到更好的教學效果，一是利用虛擬軟件，濾波器能夠快速完成設計；二是可以在該設計基礎上可以進一步演化，便于推廣到其他條件，達到舉一反三的目的。

3.3 虛擬仿真技術教學方法創新

通過課程項目布置課題，結合虛擬仿真技術來完成，對其環節可以進行一個改革創新，將教學課題任務分為選做和必做，在學生完成必做的基礎上，可以再自選選做項目，根據自身實際情況進行提高。例如，在數字信號處理的課程中，布置設計一個數字低通濾波器設計的仿真后，追加其他濾波器設計：數字高通濾波器；數字帶通濾波器設計；數字帶阻濾波器設計，給予多個選擇。教學實驗過程中的考核從課題預習、仿真操作、結果分析、課后思考等幾個方面給出成績，在學生完成必做的內容后，教師根據選做成果給予適當的加分，從多個層面對學生能力進行考察。大眾的教學方法只是讓學生完成了基本任務，掌握基礎知識，改革創新后的教學方法鼓勵學生多學多做，進行差異化教學，以學生發展為本，尊重學生個體水平差異，適應學生不同層次水平的個性化需求，可以讓學生在原有基礎之上都能有所提高。

此外，基于虛擬仿真技術的教學項目應用，進行創新拓展教學。例如，對不同頻段噪聲的信號設計相應作用的濾波器。教師布置任務讓學生自己設計，高通濾波器、帶阻濾波器又或巴特沃斯濾波器、切貝雪夫濾波器等，先利用仿真軟件計算出濾波器的濾波效果，根據濾波效果選擇適合的濾波器，提交自己的設計方案。這種教學方式充分利用虛擬仿真技術的高效性、多元性讓學生設計數種方案，每種方案學生都可以得到新的發現，借助虛擬仿真平臺進行多元化的思考，根據不同的濾波器設計進行不同的技術嘗試，有利于提高學生的創新思維，進一步提高課堂學習效率，從而達到理論與實踐相結合，學生學習興趣與專業技能相互提高的目的。

4 結語

數字信號處理存在于通信工程、動力工程、電氣工程等各個領域，應用極為廣泛。課程涉及概念多，知識較為抽象，注重理論推導和證明，僅通過理論課堂學生很難將其掌握理解。虛擬仿真技術應用于教學項目中，將枯燥的原理變為易懂的圖形形式，將實物難做的設計借助虛擬仿真平臺仿真驗證效果。本文通過具體實踐證明，比起單一的理論教學課堂，采用虛擬仿真軟件應用于數字信號處理課程教學中，可以讓學生進一步直觀形象地預習課程知識，在課題設計過程中也減小了工作量，節約成本，省時省力。并且教師合理利用虛擬仿真技術的優點對教學項目進行一定基礎的延伸自選和多元化的創新思考設計，不僅簡單可行，還豐富了教學形式，進一步激發了學生的興趣，為學生創新實踐提供了平臺，大大提高了教學質量與效率。