仿真案例在數字信號處理課程中的應用研究

姜運芳　李立新　張瑾琳

【摘 要】文章針對數字信號處理課程中存在的抽象、難理解等問題，探索課程實踐教學改革新模式，提出基于LabVIEW和Matlab的課程案例庫設計思路。將案例與仿真相結合作為一種交互式教學方法，既有助于課堂教學，又為學生課后實驗提供了平臺，有效提高了學生的學習興趣和實踐能力。

【關鍵詞】案例設計 信號處理 仿真

一、引言

數字信號處理課程作為通信工程專業的核心課程，教學質量直接影響學生工程實踐能力和創新能力的培養。但課程內容繁雜抽象，理論與實踐結合難度大，導致教師難教、學生難學。傳統教學模式以教師和教材為中心，缺乏對重要知識點的物理意義和幾何模型的闡述，導致學用脫節，對實際工程信號不能應變，沒有對新技術和新方法合理利用。

二、案例教學優勢

案例教學法是基于案例驅動的全新教學方法。教師根據教學目標和內容，設計具體案例，讓學生在具體問題情境中積極思考、主動探索，培養學生分析和解決問題的綜合能力[1]。在數字信號處理課程中，通過仿真案例設計、演示、分析和模仿創新，使理論、實驗及工程案例有機結合，直觀感受實驗過程，提高教與學的效果。

三、案例教學現狀

（一）案例建設

案例應具有針對性、典型性和具體性，解決好與信號系統課程“內容有重疊，銜接不流暢”[2]的問題。注意課程交叉融合，強化課程內在聯系，整合實驗資源。

（二）知識點選取

引入工程案例，就是選擇、運用支撐課程的典型知識點。本課程知識點分散且抽象煩瑣，如何將所選案例限定化描述給學生，也是需要解決的問題。

（三）仿真軟件

信號處理常用Matlab仿真，其可讀性、可重用性和可擴展性相對較差。美國NI的LabVIEW具備靈活的用戶界面和強大的交互性，工程應用更為廣泛。但二者適用范圍不同，需要根據信號合理選用。

（四）學時限制

本課程學時少、任務重，教師需要把握正常課堂教學與案例教學的關系，使案例應用恰到好處。必須精心設計，合理規劃案例切入點，確保案例教學順利進行。

四、仿真案例設計思路

在數字信號處理課程中引入仿真案例需注意以下幾點。

（一）知識點選取

對重要內容進行動態仿真，知識點過多會造成思維混亂，不利于知識傳授[3]。我們將內容劃分為“離散時間信號與系統、DFT和FFT、數字濾波器結構和設計、系統實現”四個模塊，以保證結構和思路的清晰。

（二）仿真軟件選用

信號處理的目標是突出或提取隱藏在時間序列里的特征，需要對時域信號進行轉換和處理[4]。LabVIEW可對平穩和非平穩信號進行時域、頻域以及時頻域分析。分析和處理平穩信號則應采用Matlab。

（三）案例設計

1.Matlab仿真案例

模塊1：離散時間信號與系統。案例：離散時間信號/系統，序列，卷積，差分方程。

模塊2：DFT和FFT。案例：DFT，FFT，頻譜分析，自相關、互相關。

模塊3：數字濾波器設計。案例：數字/擬濾波器，IIR，FIR，低通，高通，帶通。

模塊4：數字信號處理系統。案例：采樣，量化，時域分析。

2.LabVIEW仿真案例

模塊1：初級信號處理。案例：自相關，時域卷積，互相關。

模塊2：高級信號處理。案例：倒譜，Delta函數，諧振，總諧波失真，波形和頻譜。

模塊3：濾波。案例：FIR，IIR，濾波器響應時間，低通濾波器，中值濾波器。

模塊4：時域分析。案例：信號識別，信號積分，函數。

模塊5：頻域分析。案例：FFT，時移，頻移，相位。

（四）仿真效果對比

以上仿真案例涵蓋了教學主要內容，層次清晰易懂。以FIR窗函數設計為例，通過實驗結果和波形對比，二者仿真效果和精度基本一致。但LabVIEW更加高效直觀，可實現對虛擬信號、實際信號的時/頻域及時頻域分析。

五、結語

實踐證明，將基于仿真案例驅動的教學模式引入傳統教學，使教學成為動態、開放和探索的教學模式，提升了課程教學效果和學生的專業學習熱情，提高了綜合應用理論知識解決實際問題的能力，值得進一步推廣應用。

【參考文獻】

[1]馮杰. 基于案例驅動的《DSP應用技術》教學改革探索[J].科技信息，2011（33）：23.

[2]歐陽華.“信號與信息處理”課程群教學改革研究[J]. 中國電力教育，2013（19）：70.

[3]萬懿.案例教學法在經濟作物栽培學教學中應用的理論與實踐[J].科技信息，2008（16）：10.

[4]劉霞.基于LabVIEW的信號處理演示及實驗系統設計[J].電子設計工程，2013（10）：6.