仿真案例在数字信号处理课程中的应用研究

姜运芳　李立新　张瑾琳

【摘 要】文章针对数字信号处理课程中存在的抽象、难理解等问题，探索课程实践教学改革新模式，提出基于LabVIEW和Matlab的课程案例库设计思路。将案例与仿真相结合作为一种交互式教学方法，既有助于课堂教学，又为学生课后实验提供了平台，有效提高了学生的学习兴趣和实践能力。

【关键词】案例设计 信号处理 仿真

一、引言

数字信号处理课程作为通信工程专业的核心课程，教学质量直接影响学生工程实践能力和创新能力的培养。但课程内容繁杂抽象，理论与实践结合难度大，导致教师难教、学生难学。传统教学模式以教师和教材为中心，缺乏对重要知识点的物理意义和几何模型的阐述，导致学用脱节，对实际工程信号不能应变，没有对新技术和新方法合理利用。

二、案例教学优势

案例教学法是基于案例驱动的全新教学方法。教师根据教学目标和内容，设计具体案例，让学生在具体问题情境中积极思考、主动探索，培养学生分析和解决问题的综合能力[1]。在数字信号处理课程中，通过仿真案例设计、演示、分析和模仿创新，使理论、实验及工程案例有机结合，直观感受实验过程，提高教与学的效果。

三、案例教学现状

（一）案例建设

案例应具有针对性、典型性和具体性，解决好与信号系统课程“内容有重叠，衔接不流畅”[2]的问题。注意课程交叉融合，强化课程内在联系，整合实验资源。

（二）知识点选取

引入工程案例，就是选择、运用支撑课程的典型知识点。本课程知识点分散且抽象烦琐，如何将所选案例限定化描述给学生，也是需要解决的问题。

（三）仿真软件

信号处理常用Matlab仿真，其可读性、可重用性和可扩展性相对较差。美国NI的LabVIEW具备灵活的用户界面和强大的交互性，工程应用更为广泛。但二者适用范围不同，需要根据信号合理选用。

（四）学时限制

本课程学时少、任务重，教师需要把握正常课堂教学与案例教学的关系，使案例应用恰到好处。必须精心设计，合理规划案例切入点，确保案例教学顺利进行。

四、仿真案例设计思路

在数字信号处理课程中引入仿真案例需注意以下几点。

（一）知识点选取

对重要内容进行动态仿真，知识点过多会造成思维混乱，不利于知识传授[3]。我们将内容划分为“离散时间信号与系统、DFT和FFT、数字滤波器结构和设计、系统实现”四个模块，以保证结构和思路的清晰。

（二）仿真软件选用

信号处理的目标是突出或提取隐藏在时间序列里的特征，需要对时域信号进行转换和处理[4]。LabVIEW可对平稳和非平稳信号进行时域、频域以及时频域分析。分析和处理平稳信号则应采用Matlab。

（三）案例设计

1.Matlab仿真案例

模块1：离散时间信号与系统。案例：离散时间信号/系统，序列，卷积，差分方程。

模块2：DFT和FFT。案例：DFT，FFT，频谱分析，自相关、互相关。

模块3：数字滤波器设计。案例：数字/拟滤波器，IIR，FIR，低通，高通，带通。

模块4：数字信号处理系统。案例：采样，量化，时域分析。

2.LabVIEW仿真案例

模块1：初级信号处理。案例：自相关，时域卷积，互相关。

模块2：高级信号处理。案例：倒谱，Delta函数，谐振，总谐波失真，波形和频谱。

模块3：滤波。案例：FIR，IIR，滤波器响应时间，低通滤波器，中值滤波器。

模块4：时域分析。案例：信号识别，信号积分，函数。

模块5：频域分析。案例：FFT，时移，频移，相位。

（四）仿真效果对比

以上仿真案例涵盖了教学主要内容，层次清晰易懂。以FIR窗函数设计为例，通过实验结果和波形对比，二者仿真效果和精度基本一致。但LabVIEW更加高效直观，可实现对虚拟信号、实际信号的时/频域及时频域分析。

五、结语

实践证明，将基于仿真案例驱动的教学模式引入传统教学，使教学成为动态、开放和探索的教学模式，提升了课程教学效果和学生的专业学习热情，提高了综合应用理论知识解决实际问题的能力，值得进一步推广应用。

【参考文献】

[1]冯杰. 基于案例驱动的《DSP应用技术》教学改革探索[J].科技信息，2011（33）：23.

[2]欧阳华.“信号与信息处理”课程群教学改革研究[J]. 中国电力教育，2013（19）：70.

[3]万懿.案例教学法在经济作物栽培学教学中应用的理论与实践[J].科技信息，2008（16）：10.

[4]劉霞.基于LabVIEW的信号处理演示及实验系统设计[J].电子设计工程，2013（10）：6.