MATLAB在数字信号处理教学中的应用

课程教育研究　高等教育　ＭＡＴＬＡＢ在数字信号处理教学中的应用　费莉黄颖赖小龙　４０１　５２０）　（重庆邮电大学移通学院通信与信息工程系　重庆【摘要】针对“数字信号处理”课程的理论性强、概念抽象、公式繁杂、基本理论和方法学生不易掌握的问题，应用　ＭＡＴＬＡＢ能将数字信号处理的抽象理论以更直观的方式展现出来。将ＭＡＴＬＡＢ技术应用到数字信号处理教学当中，将其作为　重要的教学手段ｉ通过ＭＡＴＬＡＢ进行示例与仿真，能够达到更好的教学效果。　【关键词】数字信号处理ＭＡＴＬＡＢ教学效果　【研究项目】重庆市特色专业建设“通信工程专业”：　重庆市教育教学改革项目，项目编号：１５３２０３，“应用技术大学电子信息工程专业以实践教学为核心的课程体系建设”；　重庆邮电大学移通学院教育教学改革项目，项目编号：ＹＴＪＧ２０１６３３“基于应用型本科的电路类课程的教学改革研究及实践”；　重庆邮电大学移通学院教育教学改革项目，项目编号：ＹＴＪＧ２０１６１８“理论实践融合的电子类课程教学模式改革与实践”；　重庆邮电大学移通学院教育教学改革项目，项目编号：ＹＴＪＧ２０１６３９“电工电子技术课程教学模式改革与实践”；　【中图分类号】ＴＮ９１１．７　【文献标识码】Ａ　【文章编号】２０９５・３０８９（２０１７）３４・００１８－０２　“数字信号处理”是一门理论与实践、原理与应用紧密相　结合的课程，它主要完成对离散信号进行采集、变换、滤波、　压缩、增强、识别、估计等处理，已获得人们所需要的信号形　式。目前数字信号处理技术广泛应用于通信、雷达、人工智能、　助于ＭＡＴＬＡＢ，利用它进行编程，在课堂上给学生演示，从　而来说明这个问题。通过图形的方式，学生在理论支撑的前提　下，一目了然，学生就更容易的理解清楚了。　图１是具体的演示实例。图１（ａ）是一个长度为２０点的　矩形脉冲序列幅度频谱图，图１（ｂ）和（Ｃ）是补零后序列的　幅度频谱图。　通过图１可以很明显的看出来，尾部补零并不会提高频率　模式识别、航空航天，图像处理、语音处理等领域。由于数字　信号处理的理论性和实践性都很强，内容多、概念抽象、设计　方式复杂、公式繁多枯燥、学生难理解掌握。　ＭＡＴＬＡＢ概述　ＭＡＴＬ￣ｄ３由ＭＡＴｒｉｘ和ＬＡＢｏｒａｔｏｒｙ两词的前三个字母组　一、合而成，它是美国ＭａｔｈＷｏｒｋ公司推出的当前最优秀的科技应　用软件之一，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及　非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于　使用的视窗环境中。具有使用方便、编程效率高、界面友好等　特别，更重要的是ＭＡＴＬＡＢ除主包以外，还包含很多功能强　大的工具箱（ｔｏｏｌｂｏｘ）这些工具箱可以解决各大领域的很多　问题，如工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、　信号检测、金融建模设计与分析等领域。　目前，随着计算机科学技术的快速发展，数字信号处理已　经发展成为一门十分重要的基础性学科，并在信息科学中占　有十分重要的地位，因此，在进行数字信号处理教学时，提　高学生对数字信号处理学科的掌握能力具有十分重要的意义。　ＭＡＴＬＡＢ在数字信号处理方面具有很大的优势。将ＭＡＴＬＡＢ　应用到数字信号处理教学工作中，能够使学生更加容易理解数　字信号处理理论的物理实际意义，提高数字信号处理教学水平，　提高教学效率。　分辨率，但是原序列可以通过尾部补零，对ｘ（ｋ）有插值的作用，　可以减小栅栏效应，使得其幅度频谱更加的平滑，对信号的频　谱看的更直观清楚。　恤）　牟列ｘ【ｎ）的幅膛频谱　２０ｒ０一ｒ一一　｛　　‘……　～～’’…’’　　－　Ｉ１０｝　１　１　Ｏｌ…一　一　０　２　‘｝一冉　一０鸯４　６　争￥一粤一一０一船～　８　１０　１２　每　睁￥粤尊０　０　１４　１Ｂ　１８：Ⅺ　叫ｎ　部扑譬后的幅虚频谱，悔４　ｌｏ，ｘ【ｎｌ尾鄙孙攀届的幅度绷ｌ蒋．ｒ＝４　二、ＭＡＴＬＡＢ在数字信号处理教学中的应用　本文就从离散傅里叶变换中分辨率的问题和数字滤波器设　计这两个方面进行探讨：　图１　Ｘ（ｎ）离散傅里叶变换的幅度频谱　２．数字滤波器的设计　在数字信号处理这门课程教学当中，数字滤波器的设计是　非常重要的教学内容，但是在进行实际教学的过程中，这一部　１．离散傅里叶变换在分辨率上的应用　对于有限长序列进行频谱分析中离散傅里叶变换是一种十　分内容会涉及到大量的公式，计算也是非常的繁琐，计算最后　分有效的方式，而且频谱分析也是离散傅里叶变换的一个重要　得到的结果也都是以数值或者式子的形式呈现，其幅频特性也　的应用领域。但是对于学生而言，ＤＦＴ中频率分辨率的问题，　不直观，很难引起学生的学习兴趣，可能还会使学生形成一定　的排斥心理。那么在数字滤波器的教学过程中，为了激发学生　又是最难理解的内容之一。　Ｂ实现数字滤　频率分辨率可以理解为通过某一种算法（如功率谱估计方　学习兴趣，提高教学效果和效率使用了ＭＡＴＬＡ　法）将原始信号中的两个靠的很近的谱峰依然保持分开的能力。　波器。根据以下指标采用脉冲响应不Ｑ　＝０．２　ｒａｄ／ｓ变法设计一　通过这种方式比较和检验不同算’法Ｉ洼能好坏的依据。其相当于　２ｓ，通带截止频率，通带　是通过一个频域的窗函数在对频谱进行观察时，所看到的频率　个数字低通滤波器，采样周期为０．最大衰减ｌｄＢ；阻带截止频率Ｑ　＝Ｏ＿３　ｒａｄ／ｓ，阻带最小衰减　的宽度、频域窗越窄，则频率的分辨率就会越好。　崛。依据数字信号处理理论方法，第一步将数字滤波器的　如果已知某序列ｘ（ｎ）的长度为Ｎ，将序列末尾补零值　１６（使得它的长度为ＩＮ，形成的序列记为Ｙ（ｎ），那么Ｙ（ｎ）的　设计指标转换成模拟滤波器的设计指标，再根据设计指标设计　．离散傅里叶变换Ｙ（ｋ）＝ｘ（ｋｒ），０ｓｋｓ　ｒＮ．１。这个结论说明　出模拟低通滤波器；第二步，将模拟低通滤波器转换成数字低　序列末尾补零后得到的频谱相比于原序列更加细致，但信号的　通滤波器。在这个设计过程中，大量公式需要计算，繁杂，得　到的结果也不够直观，计算过程中不避免的会出现误差。采用　频率分辩率是没有改变的。　　从这里我们可以看出如果单纯的从结论上给学生讲解它的　ＭＡＴＬＡＢ进行编程，仿真结果能以形象直观的方式展现出来，　物理意义，学生很难从本质上去理解透彻。所以我们就可以借　能够被学生所接受，如图２所示。（下转２４１页）１８　ｌ学法教法研究　综合理论　学生心理，影响学生的判断与辨别是非的能力，影响其正确价　课程教育研究　到客观压力的存在，自己能做的就是主动适应社会，勇敢面对　值观的形成。　现实，正视困难和问题，采取积极态度，靠自身努力克服或缓　四、中青年教师心理问题的应对策略　解所承受的压力。压力是可控的，通过教师自身努力，可在一　１．教育行政部门的倾斜　定程度上控制压力，也许不能完全消除，但至少可减轻压力带　领导尤其是教育行政部门领导要从、管理等各方　来的伤害。认识了解压力的反应机制，可使教师理解压力引起　面为中职教师创造宽松、愉快的工作环境，提高教师待遇，不　的身心变化。同时学会对自己的情况做积极的控制和评价，并　断提高教师社会地位。采取有效措施减轻教师的工作负担，启　根据自己各方面的情况，对压力情境做出比较合理的反应，避　动“教师心理健康工程”；建立教师心理状况定期检查和心理　免单纯依靠个体本能的心理防卫机制对压力情境做忙乱而又无　素质测查制度，有组织、有计划地对中青年教师开展心理测验　效的解释和努力。另外，还要掌握一些具体的压力应对方法和　与调查，联合社会机构开展教师心理咨询和心理辅导活动，关　技巧，如放松训练法、时间管理技巧、人际支持策略、休闲策　注教师的心理健康。　２．学校领导的重视与关怀　学校领导应深入了解中青年教师的实际需要，采取不同的　库利在其自我意识的理论中提出了“镜中我”的概念，强　略等。　５．合理利用社会比较策略　激励形式，增强其工作满意度与心理满意程度；及时协调各部　调了他人的态度、评价对自我意识形成的重要作用。他认为，　门与教师之间的冲突，形成和谐的人际环境。为教师的不良情　个体的自我意识即他人的态度或评价在自我头脑中的反映。每　绪和心理障碍进行疏导，不断提高教师的心理素质。找教师谈　一种评价不可能是对“自我”的全面客观的评价，但只要教师　心，了解他们的困惑，及时排忧解难；邀请专家讲座，开展心　将其综合起来，就能得到比较全面客观的自我意识。能否正确　理健康教育培训班，成立青年教师联谊会，组织形式各样的交　认识和评价自己是心理是否健康的标准之一。教师喜欢通过社　流活动，帮助教师化解心中的郁闷，释放心中的压力。　会比较来对自己进行评价，心理健康有问题的教师常常拿自己　３．教师的自我调适　缺点与别人优点比较，认为上帝对待自己不公，久而久之就会　产生心理健康问题的原因多是心理压力过大，所以中青年　自我认识倾向模糊，忽视自己优点产生自卑心理。因此，在衡　教师为稳定身心，要学会自我调适。一是学习心理学知识，加　量和评价自己时，应注意比较的角度与目的，选择合适的比较　强个性修养，面对压力，尽可能保持一种平稳的心态，善于发　笼略。　现他人优点，维护心理健康。二是转变观念，正确认识职业教　参考文献：　育的发展规律与特点，及时调整自己，适应职业变化带来的工　【１】郑淑杰，孙静，王丽．教师心理健康［Ｍ】．北京：北京　作负担。三是建立积极的思维方式和内在对话。自我内在对话　大学出版社，２０１４．　是一种自说自听的自我沟通过程。面对繁重的工作任务或心情　【２】尚嘉．高校中青年教师心理问题探析［Ｊ］．文教资料，　郁闷时，可适时进行自我对话，学会开导自己，进行自我调节。　２０１０，（５）．　四是合理安排工作、学习及休闲娱乐的时间：积极参加丰富多　［３］李爱忠．中职教师心理健康存在问题及对策［Ｊ］．考试周　彩的文体活动与社会活动，与朋友倾诉心肠，释放心中的不悦，　刊，２０１０，（５）．　疏通心中的淤，放松身心，维护心理健康。　［４］王仲伟．中职教师心理健康问题及辅导措施［Ｊ】．职教论　４．学生的理解与支持　坛，　００，（１１）．　。　培养正确的压力观，提高压力应对技术，教师应清醒认识　（上接１４页）听故事、看故事、读故事、讲故事之后，就是编　让孩子们在奇妙的英语知识中翱翔。　故事。这种活动要求学生在理解的基础上亲自动手、通过画图、　参考文献：　着色、剪贴、制作等途径把抽象的英语句子具体形象化，增加　ｆ１］Ｓａｒａｈ　Ｐｈｉｌｌｉｐｓ《少年儿童英语教学》华东师范大学出版　故事阅读的兴趣。这一环节，为学生提供了自由的创造机会和　社．牛津大学出版社．　宽阔的实践空间。　［２］朱萍张英＜Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｅｎｇｌｉｓｈ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ＞华东师　总之，故事教学是培养阅读能力的重要途径之一。教师应　范大学出版社．牛津大学出版社．　该用好手里的这根魔力棒，大胆创新和突破，打开孩子的心扉，　（上接１８页）　三、结束语　数字信号处理是一门理论与实践并重，并且学生不易掌握　的重要的基础性课程通过上述分析，可以看出ＭＡＴＬＡＢ的引　入为数字信号处理提供了便捷的分析方法，生动形象的波形演　示，不仅能直观地领会和理解理论知识，而且从大量的数据推　导和计算中出来，使得数字信号处理理论简单化、实用化。　参考文献：　［１】昊秋玲．“数字信号处理”课程与Ｍａｔｌａｂ软件的联合　教学【Ｊ】．中国电力教育，２００９，（１２）：８０．　［２】巩萍，赵杰．ＭＡＴＬＡＢ在数字信号处理中的应用［Ｊ］．　长沙大学学报，２００９，（９）：７８．　［３】何炜琨，韩萍．ＭＡＴＬＡＢ在数字信号处理教学中的应　用［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２００７，（３）：３３．　作者简介：　费莉（１９８８．２．）讲师，工学硕士，主要从事测试计量技　图２数字滤波器的设计　术及仪器、电子信息系统方向的教学与科研工作。　学法教法研究Ｉ　２４１