“信号与系统”教学中工程实践能力的培养

王 霞，姚 远

(西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安 710049)

“信号与系统”课程是高等院校电类专业学生的必修课，由于课程内容繁多，理论概念抽象，学生在学习时普遍感到困难。为了让学生尽快地理解与掌握课程学习中的基本理论与基本分析方法，教师可以在授课过程中渗透一些工程思想和工程实践项目，为学生提供一些多样化的学习平台，并让其参与到工程实践项目中去。以此加强工程物理含义的理解与体会，通过实践性教学环节，使学生学会观察现象，发现规律的科学方法，提高学生分析问题和解决实际问题的能力，从而提升学生的工程实践能力和创新能力［1］。

1 课程教学改革

“信号与系统”课程的实验是配合课程教学同期进行的，主要针对一些基础理论知识所展开的一些基本实验，以提高教学效果和所学者逻辑思维能力的培养［2］。我们在课程学习过程中进行了以下的改革。

(1)教学内容应充分体现时代性和先进性，构建成一套理论完整、信息量大和实践性强的课程教学内容新体系;

(2)加强工程物理意义的理解与体会，提高分析能力与科学思维能力;

(3)通过实验来加深对分析工具的理解，以达到培养学生的工程实践能力和创新能力的目的;

(4)强调“教师是主导，学生是主体”的原则;

(5)采用现代化教学手段与传统教学方法相结合，改变以往单一的教学模式。

目前开放实验项目分为指导性与自主性两种，前者学生在指导教师的帮助下掌握系统设计的基本概念与基本思路，并对实验平台予以了解与掌握;后者为学生完全自主地项目设计并建立实验体系与构架，从而锻炼他们的创新意识与工程设计能力。

2 综合实践项目

本校信号与系统实验室在学校实验室建设项目支持下，已配备了美国NI公司的LabVIEW实验平台和数据采集卡MyDAQ。开设的综合实践项目和创新项目可以建立在LabVIEW实验平台和MyDAQ数据采集卡上。

实验框架体系如图1所示。该实验将待处理的信号进行提取和调理后送入采集卡进行模数变换，在LabVIEW上完成信号的分析、处理与显示。

图1 实验框图

为了使学生能尽快地参与到这一实践项目中，我们首先给出了一些引导性的实验项目。开放的综合实验和创新性实验有如下项目。

(1)基于采集卡的钢琴调音系统软件化实现;

(2)基于数据采集卡的数字收音机设计;

(3)基于LabVIEW下的OFDM通信系统;

(4)生物脉搏信号的分析与测量系统;

(5)耦合谐振回路的时频域特性分析;

(6)信号加窗处理对信号时频域特性的影响;

(7)有源/无源回路传递函数的测量;

(8)频率采样FIR滤波器的设计与应用。

3 钢琴调音系统软件化项目实例

综合实践项目的原理结构如图2所示。

图2 钢琴调音原理结构图

1)项目背景

钢琴调音一般都是由专业的调音师来完成的，由于人耳受生理、心理和客观条件的影响，不能做到精准的调音。利用信号处理技术与先进的设计理念实现智能化的调音处理系统，将经验性调音转化为数字化调音，不失为具有应用价值的设计方案。

2)实验设备

(1)MyDAQ数据采集卡和stereo audio端口各一个;

(2)麦克风和耳机各一付，分别用于采集、输出音频信号;

(3)装了LabVIEW软件的电脑一台，用于对采集好的音频信号进行处理，包括乐音预处理、乐音检测、乐音的时频域分析和频率误差分析等。

3)实验方案

(1)钢琴键音的采集—将钢琴音的模拟信号通过Audio in端送入MyDAQ数据采集卡。钢琴音的频率范围为27.50Hz～4186.00Hz。采集参数在相关软件LabVIEW中设置。

(2)键音信号的预处理—预加重的目的是提升高频部分，以保持在低频到高频的整个频带中，能用同样的信噪比求频谱，以便于频谱分析或声道参数分析，降低钢琴信号基音检测时的噪声干扰。

(3)钢琴键音的检测—具体方法就是短时能量和短时过零率检测法。短时能量函数可用来区分语音的清音段和浊音段，对于清音，多数能量集中在较高频率上，意味着较高的过零率，利用短时过零率可以从背景噪声中找出乐音信号。

(4)误差分析—在LabVIEW界面前面板中设置要检测的音频频率，通过检测处理显示实测频率值，实测频率值的相对误差以及信号的时域、频域的波形。为调音人员提供数据参考。

4)实验步骤

(1)将MyDAQ数据采集卡通过USB端口与PC机相连;

(2)在MyDAQ的Audio in端口插入麦克风用于音频信号的获取;

(3)利用LabVIEW软件对音频信号采集的后续处理进行编程设计;

(4)观察运行结果图，分析钢琴是否音准。

3 结论

通过这一实践项目可使学生以系统的角度了解信号分析与处理中的基本概念，以趣味应用提升教学体验，以自主的实验设计培养创新意识和工程实践能力。从而全面提高学生的动手实践能力和逻辑分析能力。

［1］林萍华，中国大学再认识，［J］.南京:2010电子电气课程报告论坛论文集

［2］马赛等，“信号与系统”课程群的建设与教学改革探索［J］.长沙:高等教育研究学报，2010年01期

［3］徐赟，从创新教学到高效科研－－统一的图形化系统设计平台，ProfessorDay 2011