頻譜概念的建立及其教學(xué)法探討

張玉山 劉純利

（安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100）

頻譜概念的建立及其教學(xué)法探討

張玉山 劉純利

（安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100）

頻譜分析是信號(hào)與系統(tǒng)課程中基本理論，在通信學(xué)、控制學(xué)、測(cè)試學(xué)等學(xué)科都具有重要地位。本文提出一種頻譜分析的概念建立的教學(xué)方法，該方法利用前修課程如電路分析、電子技術(shù)等課程的相關(guān)知識(shí)，結(jié)合具體電路與信號(hào)循序漸進(jìn)地給出頻譜及頻譜分析的物理意義，然后再給出頻譜分析的數(shù)學(xué)方法。本方法可以讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)頻譜的物理意義，亦在教學(xué)中取得了較好的效果。

頻譜分析；教學(xué)方法；信號(hào)與系統(tǒng)

信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息、通信工程、自動(dòng)控制類專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。是數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、自動(dòng)控制原理等課程的必須的前修課程。本課程主要研究信號(hào)與線性系統(tǒng)的基本理論以及基本分析方法。初步認(rèn)識(shí)如何建立信號(hào)與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)分析求解，對(duì)所求的結(jié)果給以物理解釋、賦予物理意義[1]。

在信號(hào)與系統(tǒng)中，信號(hào)頻譜分析這一章節(jié)又是重中之重。尤其對(duì)于通信類專業(yè)而言。因?yàn)橥ㄐ胖懈鞣N信號(hào)的頻譜分析是分析信號(hào)變化的最基本的分析手段。如果學(xué)生不能很好地理解信號(hào)頻譜的概念，對(duì)后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)的影響是巨大而深遠(yuǎn)的。頻譜的概念之所以難講，是因?yàn)橐环矫骖l譜的概念相對(duì)比較抽象的，計(jì)算公式比較復(fù)雜；另一重要因素是學(xué)生對(duì)用時(shí)間來描述信號(hào)的特征這一固定思維模式，會(huì)認(rèn)為描述信號(hào)就是將信號(hào)描述為隨時(shí)間變化的函數(shù)，而不能很好理解信號(hào)的本質(zhì)屬性也可以用頻率來進(jìn)行描述。

基于上述原因，在教學(xué)過程中絕對(duì)不能通過數(shù)學(xué)公式來強(qiáng)制灌輸信號(hào)頻譜的概念，因?yàn)檫@樣學(xué)生只是記住了一個(gè)公式而已，并沒有理解其本質(zhì)，這會(huì)讓學(xué)生困惑，進(jìn)而影響其學(xué)習(xí)的興趣。本人在近年來的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出一種較好的教學(xué)方法，此方法按如下四步進(jìn)行。

1 由電路分析知識(shí)引出幅頻特性的概念

首先給學(xué)生展示圖1和圖2所示兩張電路圖，這是簡(jiǎn)單的RC電路。

圖1

圖2

以電路圖1為例，當(dāng)輸入信號(hào)為單頻正弦信號(hào)時(shí)輸出響應(yīng)的幅值與輸入正弦信號(hào)幅值之間有著特定的關(guān)系。根據(jù)電路理論知識(shí)，可以得到如下關(guān)系式：

據(jù)根公式1，易知正弦信號(hào)角頻率越大，輸出正弦信號(hào)幅值越小，反之，輸出正弦信號(hào)幅值越大。輸出信號(hào)的幅值因輸入信號(hào)頻率變化而變，即輸出信號(hào)的幅值是信號(hào)頻率的函數(shù)。

為了分析的結(jié)論更具有一般性（輸入正弦信號(hào)幅值為任意值），現(xiàn)在不妨以頻率f=ω/2π為橫坐標(biāo)，并定義輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值之比為縱坐標(biāo)，根據(jù)上面的分析可作出關(guān)系曲線圖如圖3所示：

圖3

圖4

通過圖3可以很直觀地看出輸出信號(hào)幅度與頻率之間的變化關(guān)系。我們把這種關(guān)系稱之為系統(tǒng)的幅頻特性。同理也可以得到圖2所示電路的幅頻特性如圖4所示。

2 由幅頻特性引出濾波器的概念

由圖3和圖4幅頻特性圖，可以看出當(dāng)頻率較小時(shí)，因?yàn)檩斎胄盘?hào)的幅值是一定的，A值大則輸出信號(hào)幅度大，表明信號(hào)可以很好地通過系統(tǒng)；但頻率較大時(shí)，輸出信號(hào)幅度小，信號(hào)則被系統(tǒng)所抑制。這種可以讓特定頻率通過，而抑制其它頻率信號(hào)通過的器件，稱之為濾波器。具有類似圖1電路可以讓低頻信號(hào)通過而抑制高頻信號(hào)的幅頻特性的濾波器，稱之為低通濾波器。具有類似圖2電路可以讓高頻信號(hào)通過而抑制低頻信號(hào)的幅頻特性的濾波器，稱之為高通濾波器。同理根據(jù)頻率截止特性的不同，還可得到帶通以及帶阻兩種濾波器。

為了便于從數(shù)學(xué)模型的角度分析問題，不妨把濾波器的特性理想化，即具有如圖5和圖6所示的幅頻特性，這樣便得到了相應(yīng)的理想濾波器。

圖5

圖6

在這里，我們很自然地引出了濾波器的概念，為下面進(jìn)一步引出頻譜的概念作好鋪墊。

3 由方波通過特定濾波器引出頻譜的概念

為了引出頻譜的概念，我們把上面的問題拓展一下：如果是任意的周期信號(hào)（比如方波）通過理想的濾波器后又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？

為了分析問題的方便，不妨通過采用1KHz方波通過不同特性的帶通濾波器為例解釋以上問題。為了使學(xué)生更易理解，可以選用運(yùn)放構(gòu)成有源帶通濾波器，仿真軟件使用界面直觀，測(cè)試儀器豐富，易于上手的multisim8。構(gòu)成的帶通濾波器如圖7所示[2]。該濾波器為多路負(fù)反饋二階有源帶通濾波器，它使用單個(gè)通用運(yùn)算放大器（通用運(yùn)放）接成單電源供電模式，易于實(shí)現(xiàn)。它的上限截止頻率和下限截止頻率可以非常近，具有很好的頻率選擇性。該濾波器中心頻率fc=品質(zhì)因數(shù)，帶寬其中可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置 R1，R2，R3，C1，C2這幾個(gè)元件的參數(shù)使濾波器的頻率截止特性滿足要求。

根據(jù)計(jì)算可得到中心頻率為1KHz，帶寬為100Hz時(shí)電路各元件參數(shù)如圖7所示：圖8為圖7通過交流小信號(hào)分析得到的該濾波器的幅頻特性（幅度的單位為dB）：

圖7

從圖7中可以看出當(dāng)1KHz方波 （見函數(shù)信號(hào)發(fā)生器）通過該帶通濾波器后輸出信號(hào)的波形是正弦波（見示波器），其頻率為1KHz（見頻率計(jì)）。

依次類推，可以通過計(jì)算改變?cè)膮?shù)使得該濾波器的中心頻率分別為 2KHz，3KHz，4KHz，5KHz……，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。結(jié)果是當(dāng)濾波器中心頻率為2，4，6等偶數(shù)千Hz時(shí)，其輸出幅度很?。ㄒ?yàn)榻刂固匦圆豢赡芾硐耄┥踔量梢院雎裕欢?dāng)濾波器中心頻率為1，3，5等奇數(shù)千Hz時(shí)，其輸出為幅度較大的正弦波，而且隨著中心頻率的增大，輸出信號(hào)的幅度逐漸減小。

此時(shí)向?qū)W生啟發(fā)性地提出問題：方波通過濾波器后為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象？這是因?yàn)榉讲ㄖ邪卸鄠€(gè)不同頻率的正弦分量，這些頻率分量有大有小，方波通過濾波器時(shí)，在濾波器通頻帶內(nèi)的頻率分量可以通過，而帶外分量則被抑制，故而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

4 給出信號(hào)頻譜的數(shù)學(xué)分析方法及其意義[3]

至此，大部分同學(xué)都能明白方波中包含了各種不同的頻率分量。那如何知道方波中包含了哪些頻率成分以及各頻率信號(hào)的大小呢？這就需要借助于數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)于周期性信號(hào)可以通過傅立葉級(jí)數(shù)展開式來分析其中包含的頻率分量以及各頻率信號(hào)的大小。那么在這里就可以很自然地引出利用傅立葉級(jí)數(shù)展開式來分析周期信號(hào)的頻譜。

為了讓學(xué)生更好地理解傅立葉級(jí)數(shù)展開式，有兩個(gè)問題應(yīng)該向?qū)W生交待清楚：

4.1 為什么周期信號(hào)可以用不同頻率的正弦波相疊加的形式表示；

4.2 為什么傅立葉級(jí)數(shù)采用正弦波作為基函數(shù)？

前一個(gè)問題可以通過數(shù)學(xué)中信號(hào)空間以及完備正交函數(shù)集的概念進(jìn)行解釋。對(duì)于周期函數(shù)而言，三角函數(shù)集是完備的正交函數(shù)集。而第二個(gè)問題是因?yàn)檎倚盘?hào)所獨(dú)有的高保真度，即正弦信號(hào)作相加（同頻）、微分或積分運(yùn)算后得到的仍然是同頻正弦信號(hào)。這個(gè)特性使得正弦信號(hào)通過線性系統(tǒng)后，輸出信號(hào)仍是正弦信號(hào)，只是幅度和相位可能發(fā)生變化。所以采用正弦波作為傅立葉級(jí)數(shù)的基函數(shù)。

在學(xué)生掌握了傅立葉級(jí)數(shù)展開式之后，再通過正弦諧波合成方波的例子給學(xué)生建立相頻特性重要性就比較容易了。這樣學(xué)生就可以在頭腦中建立一個(gè)深刻的、完整的頻譜分析的概念。

5 總結(jié)

本教學(xué)方法首先借助于《電路分析》課程中中正弦穩(wěn)態(tài)分析相關(guān)知識(shí)因勢(shì)利導(dǎo)給學(xué)生建立幅頻特性的概念，然后引出濾波器的概念，并由方波通過帶通濾波器的例子給學(xué)生初步建立頻譜的概念，讓學(xué)生理解頻譜是什么，有什么作用，最后再給出給出求解信號(hào)頻譜的公式，讓學(xué)生知道怎么通過數(shù)學(xué)方法來求解信號(hào)的頻譜。這種方法突出了承上啟下、循序漸進(jìn)的教學(xué)理念，在實(shí)際的教學(xué)過程中亦取得了較好的教學(xué)效果。

[1]張培玲.信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革初探[J].機(jī)械管理開發(fā).2009,24（4）.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分(第五版)[M].高等教育出版社.2010.

[3]袁建華.《信號(hào)與系統(tǒng)》中傅立葉級(jí)數(shù)的教學(xué)探討[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊.2009，（31）.

PROBE INTO TEACHING METHODS OF ESTABLISHING SPECTRUM CONCEPT

ZHANG Yu-shan LIU Chun-li
(Anhui Science and Technology University,Fengyang Anhui 233100)

Spectrum analyzing is basic theory of the course of signal and systems.It plays an important role in communications,cybernetics and metrology.This article proposes a teaching method of establishing spectrum analyzing concept.This method utilizes the related knowledge of the former courses,such as circuit analysis and electronic technology,gives physical significance of spectrum step by step through physical circuit or signal,and finally gives the mathematical method for analyzing spectrum.This method can help students to realize physical interpretation of spectrum profoundly,also gets results in teaching.

Spectrum analyzing;teaching method;signals and systems

A

1672－2868（2011）03－0135－04

2011-3-29

安徽科技學(xué)院重點(diǎn)教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：X201008）

張玉山（1981-），男，江蘇鹽城人。安徽科技學(xué)院工學(xué)院教師，研究方向：信號(hào)處理

責(zé)任編輯：陳 鳳