“信號與系統”教學中工程實踐能力的培養

王 霞，姚 遠

(西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安 710049)

“信號與系統”課程是高等院校電類專業學生的必修課，由于課程內容繁多，理論概念抽象，學生在學習時普遍感到困難。為了讓學生盡快地理解與掌握課程學習中的基本理論與基本分析方法，教師可以在授課過程中滲透一些工程思想和工程實踐項目，為學生提供一些多樣化的學習平臺，并讓其參與到工程實踐項目中去。以此加強工程物理含義的理解與體會，通過實踐性教學環節，使學生學會觀察現象，發現規律的科學方法，提高學生分析問題和解決實際問題的能力，從而提升學生的工程實踐能力和創新能力［1］。

1 課程教學改革

“信號與系統”課程的實驗是配合課程教學同期進行的，主要針對一些基礎理論知識所展開的一些基本實驗，以提高教學效果和所學者邏輯思維能力的培養［2］。我們在課程學習過程中進行了以下的改革。

(1)教學內容應充分體現時代性和先進性，構建成一套理論完整、信息量大和實踐性強的課程教學內容新體系;

(2)加強工程物理意義的理解與體會，提高分析能力與科學思維能力;

(3)通過實驗來加深對分析工具的理解，以達到培養學生的工程實踐能力和創新能力的目的;

(4)強調“教師是主導，學生是主體”的原則;

(5)采用現代化教學手段與傳統教學方法相結合，改變以往單一的教學模式。

目前開放實驗項目分為指導性與自主性兩種，前者學生在指導教師的幫助下掌握系統設計的基本概念與基本思路，并對實驗平臺予以了解與掌握;后者為學生完全自主地項目設計并建立實驗體系與構架，從而鍛煉他們的創新意識與工程設計能力。

2 綜合實踐項目

本校信號與系統實驗室在學校實驗室建設項目支持下，已配備了美國NI公司的LabVIEW實驗平臺和數據采集卡MyDAQ。開設的綜合實踐項目和創新項目可以建立在LabVIEW實驗平臺和MyDAQ數據采集卡上。

實驗框架體系如圖1所示。該實驗將待處理的信號進行提取和調理后送入采集卡進行模數變換，在LabVIEW上完成信號的分析、處理與顯示。

圖1 實驗框圖

為了使學生能盡快地參與到這一實踐項目中，我們首先給出了一些引導性的實驗項目。開放的綜合實驗和創新性實驗有如下項目。

(1)基于采集卡的鋼琴調音系統軟件化實現;

(2)基于數據采集卡的數字收音機設計;

(3)基于LabVIEW下的OFDM通信系統;

(4)生物脈搏信號的分析與測量系統;

(5)耦合諧振回路的時頻域特性分析;

(6)信號加窗處理對信號時頻域特性的影響;

(7)有源/無源回路傳遞函數的測量;

(8)頻率采樣FIR濾波器的設計與應用。

3 鋼琴調音系統軟件化項目實例

綜合實踐項目的原理結構如圖2所示。

圖2 鋼琴調音原理結構圖

1)項目背景

鋼琴調音一般都是由專業的調音師來完成的，由于人耳受生理、心理和客觀條件的影響，不能做到精準的調音。利用信號處理技術與先進的設計理念實現智能化的調音處理系統，將經驗性調音轉化為數字化調音，不失為具有應用價值的設計方案。

2)實驗設備

(1)MyDAQ數據采集卡和stereo audio端口各一個;

(2)麥克風和耳機各一付，分別用于采集、輸出音頻信號;

(3)裝了LabVIEW軟件的電腦一臺，用于對采集好的音頻信號進行處理，包括樂音預處理、樂音檢測、樂音的時頻域分析和頻率誤差分析等。

3)實驗方案

(1)鋼琴鍵音的采集—將鋼琴音的模擬信號通過Audio in端送入MyDAQ數據采集卡。鋼琴音的頻率范圍為27.50Hz～4186.00Hz。采集參數在相關軟件LabVIEW中設置。

(2)鍵音信號的預處理—預加重的目的是提升高頻部分，以保持在低頻到高頻的整個頻帶中，能用同樣的信噪比求頻譜，以便于頻譜分析或聲道參數分析，降低鋼琴信號基音檢測時的噪聲干擾。

(3)鋼琴鍵音的檢測—具體方法就是短時能量和短時過零率檢測法。短時能量函數可用來區分語音的清音段和濁音段，對于清音，多數能量集中在較高頻率上，意味著較高的過零率，利用短時過零率可以從背景噪聲中找出樂音信號。

(4)誤差分析—在LabVIEW界面前面板中設置要檢測的音頻頻率，通過檢測處理顯示實測頻率值，實測頻率值的相對誤差以及信號的時域、頻域的波形。為調音人員提供數據參考。

4)實驗步驟

(1)將MyDAQ數據采集卡通過USB端口與PC機相連;

(2)在MyDAQ的Audio in端口插入麥克風用于音頻信號的獲取;

(3)利用LabVIEW軟件對音頻信號采集的后續處理進行編程設計;

(4)觀察運行結果圖，分析鋼琴是否音準。

3 結論

通過這一實踐項目可使學生以系統的角度了解信號分析與處理中的基本概念，以趣味應用提升教學體驗，以自主的實驗設計培養創新意識和工程實踐能力。從而全面提高學生的動手實踐能力和邏輯分析能力。

［1］林萍華，中國大學再認識，［J］.南京:2010電子電氣課程報告論壇論文集

［2］馬賽等，“信號與系統”課程群的建設與教學改革探索［J］.長沙:高等教育研究學報，2010年01期

［3］徐赟，從創新教學到高效科研－－統一的圖形化系統設計平臺，ProfessorDay 2011