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摘要:
根據數字信號處理課程的特點，將MATLAB軟件引入實驗教學．通過設計實例對該課程的綜合實驗進行了探討和研究，教學效果表明該實驗內容有利于培養學生將多個理論知識點進行融合并綜合運用的能力．
關鍵詞:
數字信號處理;綜合實驗;FIR數字濾波器;IIR數字濾波器
0引言
數字信號處理是電子信息類專業的專業基礎課，為語音信號處理、數字圖像處理、DSP技術等專業方向課的學習和應用提供理論基礎．該課程的特點是理論性和實踐性都很強，主要體現在基本原理及概念抽象、數學公式多，大量解決工程實際問題的算法必須用軟件實現．因此，該課程的實驗環節非常重要．目前國內外非常普遍的做法是將MATLAB軟件引入數字信號處理課程的實驗教學，該軟件除了具有強大的運算能力和數據可視化功能，還有信號處理工具箱，該工具箱是一個內容豐富的信號處理軟件庫，數字信號處理課程中的大部分算法都可以在該工具箱中找到對應的函數文件，是學習、應用數字信號處理理論的一個非常好的工具，對幫助學生快速理解課程中抽象的基本概念起到了重要的作用．
1實驗內容的三個層次
根據數字信號處理課程的特點，結合理論教學內容，該課程的實驗內容包括三個層次．第一層次是驗證性實驗，其目的是幫助學生加深對課程基本理論的理解．內容包括時域離散信號和系統的時域、頻域分析;第二層次是設計性實驗，是培養學生理論聯系實際的動手實踐能力．內容包括頻譜分析和數字濾波器的設計;第三層次是綜合性實驗，是培養學生對多個知識點的綜合應用的創新能力．
2綜合實驗內容設計
綜合實驗是在一個實驗中考察學生對多個知識點的掌握情況，對于提高學生的學習興趣、培養學生將各章知識點融會貫通、理論聯系實際的能力有著不可或缺的作用．因此必須仔細設計綜合實驗內容，以增強理論教學效果．在綜合實驗的內容設計上，將工程實踐問題抽象化，引導學生將數字信號處理課程的兩大重點內容－頻譜分析和數字濾波器設計相結合，培養學生舉一反三的綜合應用能力．
2.1綜合實驗內容舉例
一個含有5Hz、20Hz和30Hz的混和正弦波信號，該信號疊加了均值為0，平均功率為0.1的加性高斯噪聲，設采樣頻率為Fs=150Hz，阻帶衰減至少為50dB，設計要求:1)只保留5Hz的正弦信號，即濾除20Hz和30Hz正弦信號;2)只保留30Hz的正弦信號，即濾除5Hz和20Hz正弦信號;3)只保留20Hz的正弦信號，即濾除5Hz和30Hz正弦信號;4)保留5Hz和30Hz的正弦信號，即濾除20Hz正弦信號．編寫程序設計滿足以上性能指標的FIRDF和IIRDF．畫圖要求:1)原始加噪信號的時域波形及頻譜圖;2)數字濾波器的幅頻響應和相頻響應;3)數字濾波后信號的時域波形及頻譜圖．
2.2實驗內容包含的知識點
1)原始加噪信號的時域和頻域表示;2)FIRDF和IIRDF的設計(低通、高通、帶通、帶阻);3)原始加噪信號濾波后的時域和頻域表示并比較;4)FIRDF和IIRDF的性能比較．
3綜合實驗設計過程(以低通濾波器設計為例)
3.1原始加噪信號的時域波形及頻譜
原始信號為3個頻率成分的正弦信號疊加，被均值為0，平均功率為0.1的加性高斯噪聲污染．如圖1所示．從圖1可以看出，在時域上，原始信號被噪聲污染，通過求該信號的頻譜，在頻域上可以明顯看出該信號由3個頻率成分的正弦信號組合而成．這一部分內容的目的是讓學生一目了然地將信號的時域特點和頻域特點統一起來．
3.2數字低通濾波器設計及性能比較
FIRDF和IIRDF的設計．FIRDF以窗函數(漢明窗)設計法為例，IIRDF以巴特沃思濾波器設計為例，二者的幅頻響應和相頻響應如圖2所示．從圖2可以看出FIR和IIR兩大類數字濾波器的幅頻特性均滿足設計指標要求，并容易看出FIRDF具有線性相位特性，而IIRDF不具有線性相位特性．這兩種濾波器有著不同的應用場合．
3.3濾波后信號的時域波形及頻譜
原始加噪信號經過FIR和IIR濾波器濾波后的時域波形及頻譜如圖3所示．從圖3可以看出，FIRDF和IIRDF均達到了濾波效果，只保留了信號中的低頻成分．
4實驗結果
以數字低通濾波器設計為例，應用MATLAB進行編程，得到FIR、IIR數字濾波器的階數比較如表1、2所示．從表1、2可以看出，對于相同的濾波性能指標，IIRDF比FIRDF的階數低很多，因此，在數字通信、圖像傳輸等要求線性相位的應用場合選擇FIRDF，而在不需要線性相位時，可以選擇IIRDF實現濾波要求．
5結語
綜合實驗是培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，本文從實際應用出發，探討了綜合實驗的設計思想，并通過實例說明了綜合實驗在學生能力培養方面的作用．教學實踐證明，該綜合實驗的設計達到了很好的教學效果．
參考文獻:
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作者:趙雪英 汪江 宮元九 單位:遼寧大學