MATLAB与信号处理仿真实习教学改革探索与实践

温秀兰 曹未丰

南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167

教学实践与课程建设

MATLAB与信号处理仿真实习教学改革探索与实践

温秀兰 曹未丰

南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167

MATLAB与信号处理仿真实习是测控技术与仪器专业重要的实践课。该实践课将MATLAB编程语言与信号处理的核心知识点有机结合，对教学内容、教学模式、考核方式等多方面进行了改革与探索，实践证明教学改革取得了良好效果。

测控技术与仪器专业；信号处理；MATLAB；实习

测控技术与仪器是研究信息的获取和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。测控技术与仪器专业学生毕业需要具备测量与控制以及精密仪器设计制造方面的基础知识与应用能力。信号处理是该专业学生必须掌握的技能，我校该专业开设与信号处理相关的课程有“信号与线性系统”“数字信号处理”“图像处理”及“DSP应用”，这些课程的共同特点是以数学推导为核心，公式多，概念比较抽象，理论性强，学生理解和掌握起来有一定难度。而MATLAB(Matrix Labortary)是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能数值计算可视化软件，集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成一个方便且界面友好的用户环境。目前MATLAB已成为世界各国在科学分析和计算领域的主流软件，并被IEEE评述为国际公认最优秀的科技应用软件。

为了便于学生对信号与线性系统、数字信号处理中抽象理论、概念的理解，拓展学生对信号与系统的分析和应用，进一步提高学生动手实践能力，我们开设了“MATLAB与信号处理仿真实习”，实习时数为2周。实践证明“MATLAB与信号处理仿真实习”的开设不仅使学生掌握了MATLAB语言编程能力，加深了学生对信号处理中抽象理论、概念的理解，而且为后续学习图像处理、误差理论、自动控制原理等课程奠定了实践基础和编程能力，对提升学生的实践能力和计算机工程应用能力起到积极的推动作用。

1 MATLAB与信号处理仿真实习内容及要求

开设“MATLAB与信号处理仿真实习”目的在于通过学习和上机操作，使学生熟悉MATLAB语言的数值计算、符号计算和图形可视化三大基础功能，掌握MATLAB语言的程序设计方法和GUI程序设计，熟悉信号处理工具箱，通过应用该工具箱直观理解、掌握信号与系统的基本概念、连续(离散)系统的时域分析、连续(离散)系统的频域分析，能够用SIMULINK建模仿真功能进行信号与系统仿真、分析和调试，进而启发学生能联系实际，为后续课程的学习及专业能力的培养奠定基础。

表1 MATLAB与信号处理仿真实习内容

2 MATLAB与信号处理仿真实习教学方法

该实习采用学生上机操作为主，教师指导为辅，学生在实验室上机操作完成实习的教学模式，即通过任务驱动、课前预习、课堂练习及测试完成实习内容。

2.1 要求学生在实习前做好预习

安装MATLAB、熟悉MATLAB界面的各主要窗口、主菜单和控制按钮的用处，了解MATLAB的数据类型、基本矩阵操作、运算符等基础知识。

2.2 通过任务驱动完成实习内容

学生根据任务要求，利用MATLAB 自行编制程序解决问题，既动脑又动手，求解问题的欲望和能力大大提高。

2.3 充分利用MATLAB的信号处理工具箱

MATLAB的信号处理工具箱是建立在MATLAB数值计算环境上的工具集合，它在波形生成、滤波器的设计、参数模型以及频谱分析中有着广泛的运用。

2.4 基于Simulink平台进行数字信号处理的仿真与设计

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模。

2.5 考核模式

根据实习内容采用预习、上机训练、课堂测试、答辩相结合的多元考核模式，突出对学生知识、能力、素质的综合评价。这种考核方式体现了对学生从预习—设计—操作—测试—实习效果全方位的立体考核，对激发学生的学习动力、增强学生的实际动手能力、提高学生的综合素质起到了事半功倍的效果。

3 任务实例

实例1模拟信号由x(t)=2cos(4πt)+6sin(50πt)生成，求对该模拟信号分别取16点和128点离散傅里叶变换(DFT)时的幅值谱和相位谱，观察比较取不同采样点数时信号的幅值谱和相位谱的不同。

该任务涉及知识点有：模拟信号离散化、傅里叶变换、离散傅里叶变换、时域采样定理等。该任务布置后，学生需要熟悉上述相关知识，在此基础上，完成程序编写上机调试，观察不同采样点对采样结果的影响，加深理解采样定理。图1、图2分别为N取16点和128点时原信号的幅值谱和相位谱，由图可见，当采样点数取16时，能够分辨频率为25 Hz的信号，对频率为2 Hz的信号无法分辨；而当采样点数取128时，对2 Hz和25 Hz的信号均能很好分辨。通过观察图1和图2进一步验证了实信号的幅值谱是偶对称的，相位谱是奇对称的。

图1 N=16信号的幅值谱和相位谱

图2 N=128信号的幅值谱和相位谱

实例2原信号由y=cost+cos3t生成，在原信号上加入在[-0.3，0.3]范围内服从均匀分布的随机噪声。设计2种滤波器滤掉该噪声，并将加入噪声的信号及两种滤波器滤掉噪声的信号绘制在一张图上，并在图上做出标注。

该任务涉及知识点有：信号的表示、不同分布随机噪声的产生、滤波器设计、信号生成、图形绘制等。该任务布置后，学生需要熟悉上述相关知识及其工具箱应用，在此基础上，完成程序编写、上机调试，观察验证设计方案的正确性。学生可选择多种不同的低通滤波器完成该任务。

若选择filter滤波函数和filtfilt滤波函数分别对信号进行滤波，原程序为：

legend('原信号'，'方法1滤波后信号'，'方法2滤波后信号'，4

其中filter函数是以无限冲激响应(IIR)数字滤波器直接Ⅱ型结构实现滤波的，相位失真是高度非线性的。filtfilt函数为有限冲激响应(FIR)滤波器，将数据按顺序滤波，然后将所得结果逆转后反向通过滤波器，这样得到的序列为精确零相位失真，滤波效果见图3。由图3可知，两种滤波器对噪声幅值有很好的滤波效果，filter滤波有明显的相位失真，而filtfilt函数能够实现无相位失真滤波。

图3 不同滤波函数的滤波效果图

4 结束语

MATLAB与信号处理仿真实习将MATLAB编程语言与信号处理的核心知识点有机结合，采用学生上机操作为主，教师指导为辅，通过任务驱动、课前预习、课堂练习及测试的教学模式。该模式不仅使学生很快熟悉了MATLAB语言的编程方法，而且将信号与系统、数字信号处理中枯燥的理论、复杂的公式及定理通过编程以图形的方式显示并验证理论的正确性。其结果是加深了学生对信号处理中抽象理论、概念的理解，同时也为后续学习图像处理、误差理论、自动控制原理等课程奠定了良好的实践基础。实践证明学生通过对测控101，102，111，112等多个班级的实习，教学效果良好，对提升他们的实践动手能力和计算机工程应用能力起到了积极的推动作用，其教学内容的整合及教学方法的实施充分体现了我校“学以致用”的办学理念。

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The Exploration and Practice of Teaching Innovation for MATLAB and Signal Processing Simulation

Wen Xiulan， Cao Weifeng
Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China

MATLAB and signal processing simulation is a very important practice course of measurement-control technology and instrumentation specialty. It combines MATLAB programming language with the core knowledge of signal processing. The teaching content，teaching mode and examining method are innovated and investigated. And practices prove that the teaching innovations achieve prominent effects.

measurement-control technology and instrumentation specialty； signal processing； MATLAB； practice

2014-07-09

温秀，博士，教授。曹未丰，实验师。

南京工程学院高等教育研究课题(编号：GY201320)；江苏省“333人才工程”和“六大人才高峰”项目资助。