MATLAB用于數字信號處理課程教學研究

劉偉偉++唐蕾

【摘 要】數字信號處理課程是電子信息類本科教學中非常重要的一門專業基礎課，具有理論性強、涉及的數學概念和公式推導多等特點。針對數字信號處理教學中的現狀，本文提出利用Matlab的強大數字信號處理工具箱和計算模擬功能進行計算機輔助課堂教學，將抽象的數字信號處理理論用易于理解的圖形進行可視化演示，加強基礎理論實驗的比重，引導學生進行綜合性課程設計。既豐富了教師的教學手段，又提高了學生積極性和解決問題的能力，從而有效地提高了教學質量。

【關鍵詞】數字信號處理 MATLAB仿真

【中圖分類號】T N 911 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）32-0033-01

引言

數字信號處理目前已成為大多數電子信息類相關本科專業的主干課程，涉及到微積分、隨機過程、數值分析、傅里葉復變函數和Z變換等，需要高數、概率、復變函數、信號與系統等理論基礎，在通信系統、雷達信號處理、人工智能、模式識別、圖像語音處理等領域得到了廣泛的應用。

學生在學習數字信號處理課程時，常常會面對枯燥乏味的數學概念，為了有利于學生系統地理解和掌握課程中的基本內容，充分鍛煉實驗的應用能力，培養學生分析問題和解決問題的能力，本人對“數字信號處理”課程的教學大綱制定、教學方法的多樣化、實踐教學環節等進行了針對性的改革與探討。

1.優化教學大綱

在制定教學大綱上，充分考慮數字信號處理課程實際需求、不同學生在數學理論基礎和專業背景等方面存在差異，因而在教學內容的選擇上，要加強基礎理論、側重課程應用性，有針對性地講解基礎理論知識、模擬和數字濾波器設計、不同變換等部分。

本人在教學過程中一直推崇簡化和細致不同知識點，通過對某些知識點的深入細致的分析和研究，進而掌握分析該類知識的手段，舉一反三，分析該類下的其他知識點，數字信號處理領域知識不斷更新，只有掌握了經典分析方法，在面對新知識的時候能夠從容不迫，迅速地學習和掌握新出現的知識。以數字濾波器模塊結構為例，可分為 IIR和FIR數字濾波器。在IIR數字濾波器設計中就有脈沖響應不變法和雙線性變換法，濾波器又分為低通、帶通、高通、阻帶四種，首先簡單分析理解兩種具體設計方法的特點和區別，四種不同形態濾波器之間的差別，進而細致地深入的講解脈沖不變法設計低通濾波器。在掌握了低通方法上，進而經過簡單的變換得到高通等其他形態濾波器。窗函數法和頻率采樣法是設計FIR濾波器基本方法，簡單了解不同窗函數對濾波器性能的影響，以某一窗函數為例來設計FIR濾波器。

變換域的知識結構是該課程的另一模塊，其中涉及了DTFT、DFS、ZT（IZT）、DFT等不同變換。其中每個變換都遵循嚴密的數學推理，在教學過程中除了詳細講解各個知識點之外，還要建立之間的聯系，從數學公式上進行某一變換詳細證明，使學生能夠完全掌握該種變換，進而引導學生自主主動地去進行其他變換的證明和深入學習。

2.綜合形象化的教學教學方法

數字信號處理課程中大量的抽象概念都涉及繁瑣的數學公式，其推導過程也相當復雜。在一些基本原理、基本方法的推導和證明中，教師需要采用課程板書的形式，從公式所代表的具體意義去講解公式，分析公式推導過程。對于難以理解的抽象概念，需要借助多媒體教學手段，可以節約大量的板書時間，可以化抽象為形象，化枯燥為生動，增加課堂信息量，使學生把重點放到加深對抽象概念的理解上。同時，PPT可以適當地粘貼一些框圖，在講解PPT中速度要放慢，必要時采用板書對多媒體的推導細節進行補充。多媒體教學手段與傳統的板書教學相融合，不但可以發揮多媒體手段信息量大、形象、直觀等優勢，具有良好的教學效果。

另外針對數字信號處理課堂教學中實際存在的計算量大、單純筆算繁瑣、占用時間長的特點，仿真教學就顯得尤為重要。MATLAB軟件在數字信號處理方面具有強大的計算分析和仿真演示功能，用MATLAB軟件進行輔助教學，將枯燥的數學理論用仿真手段進行演示和驗證，可以促進學生的學習主動性，吸引學生對該課程的興趣。教師在講解完該節課的基本理論知識后，可以通過MATLAB編制相應的程序例題，仿真出相應的結果波形來驗證和強化該知識點，當然在具體的MATLAB進行輔助教學中，教師進行課堂仿真舉例的教學中，應側重引導方法設計思路，例如在濾波器設計中，教師在給出脈沖不變法設計濾波器中，應該具體講解濾波器的設計思路和步驟，并給出仿真結果，至于程序中如何根據需要進行濾波器設計，如果驗證其特性，需要學生在實驗中面對具體問題具體分析，通過調整不同實驗參數，培養學生的學習主動性和面對問題的解決能力。 并且通過課后習題和課堂測驗等方式，了解同學基礎知識掌握情況，針對大家解題中難點，給予課堂板書詳細講解推導，力爭每個同學都對抽象概念和公式意義有足夠的理解，并能利用所學理論知識去解決實際問題。

3.加強基礎實驗教學

數字信號處理課程具有理論性強和應用性強等特點，教師要加強基礎實驗教學。實驗教學平臺可以選擇MATLAB軟件平臺，用于演示數字信號處理的概念、性質和原理。例如時域采樣與頻域采樣、離散傅立葉變換用FFT、Z變換、循環卷積、對信號作頻譜分析、IIR數字濾波器設計及軟件實現、FIR數字濾波器設計與軟件實現等，通過加強基礎實驗教學比重，引導學生利用MATLAB語言實驗教學內容，實現建模和可視化，實驗教學的設計可以更好地讓學生理解理論教學內容，具有啟發性，能培養學生的思考能力和科研能力。通過在實驗課堂上和學生的交流，引導學生在編程中發現問題，解決問題，讓學生親自去體會數字信號處理課程所帶來的巨大樂趣和編程實現某功能后所帶來的強烈的成就感。在基礎實驗課中，除了規定的必做的實驗外，可以讓學生根據自己的個人情況來增加實驗內容，設置實驗思考，鼓勵學生通過編寫MATLAB程序來驗證和解答。

4.強化綜合性課程設計

基礎實驗教學可以更好地讓學生理解理論教學內容，具有啟發性，能培養學生的思考能力和科研能力。在基礎理論實驗的基礎上，為了充分調動學生主動學習的積極性，提高學生鉆研科學的興趣，綜合性課程設計是非常有必要的。其可以充分發揮學生的主觀能動性，更有利于培養他們獨立思考、善于創造、綜合運用知識的能力。通過引導學生通過MATLAB數字信號處理工具箱來設計某個完整的小型系統。例如一個簡單的語音信號處理系統，其中用到了A/D變換器將其轉換成數字信號，并進行數字信號濾波處理與識別，通過該設計課程學生可以掌握序列的離散化，濾波器電路的設計方法和驗證方法，通過語音信號是否失真，可以培養學生發散性思維，采用不同的濾波設計方法來改善信號失真，從而使學生養成在面對問題時分析和解決的習慣，為進一步學習相關專業打好基礎。

5.結論

隨著數字信號處理教學內容和方法的不斷更新和調整，筆者在教學方法和教學實踐等方面，做了一些嘗試和改革，取得了一些良好的效果。今后在不斷的教學過程中，也將會繼續進行教學改革研究，完善教學手段和方法，提高學生對本課程的學習積極性和主動性，力爭將課程打造成深受學生喜歡的精品課程。

6.致謝

感謝南京工程學院校引進人才基金 YKJ201417 YKJ201419

參考文獻：

[1]高西全、丁玉美， 數字信號處理（第三版）[M]，西安電子科技大學出版社， 2008.8.

[2]奧本海姆，數字信號處理（第二版）[M]， 西安交通大學出版社， 2001.9.

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