SPTool在数字信号处理课程教学中的应用

李英华　张盼盼

【摘 要】数字信号处理是高等院校重要的专业基础课程，然而由于课程理论性强，抽象概念多，学生难以理解，教师难以讲解演示。笔者从自身的教学经验出发，以滤波器为例，将图形化信号处理设计工具SPTool、FDATool引入课堂教学中，将抽象概念和复杂的公式以易于理解的图形化形式加以演示，提高了学生的学习兴趣和理解能力。同时针对数字信号处理的重要内容，以一个具体实验为例，利用图形化设计工具SPTool来实现综合实验的设计。理论和实践教学证明，面向对象的信号处理工具SPTool设计很方便，仿真效果也很好，将之应用于数字信号处理实验教学中，效果很好，非常适合高职高专、三本院校的学生。

【关键词】SPTool；数字信号处理；课程教学；FDATool

0 引言

目前，数字信号处理理论和方法已成为众多领域的重要研究内容，并被广泛应用于数字通信、模式识别、自动控制等众多领域。作为专业基础课程，数字信号处理对于学生整个课程体系的建立起着重要作用。然而由于课程抽象概念多，对数学基础要求高，学生难以理解，教师难以讲解演示，这必然在某种程度上影响学生的学习主动性和积极性。作为任课教师，除了注重基础理论知识的讲授，更要善于引导学生，激发他们的学习兴趣，培养他们的创新能力。这就对我们过去以“单纯授课”为主的教学方式提出了挑战。

针对上述问题，将图形化信号处理设计工具—SPTool引人教学中，利用简单的指令操作将抽象概念和复杂的公式以图形化形式加以演示，给学生以直观的印象，提高了学生的学习兴趣和理解能力。在对SPTool介绍的基础上，结合实例，对在数字信号处理课程教学中的应用进行探讨。教学实践证明，结合SPTool信号处理设计工具的课程教学，在激发学生学习积极性的同时，有效地提高了教学质量。

1 图形化信号处理设计工具--SPTool

SPTool是MATLAB信号处理工具箱中自带的交互式图形用户界面工具，它提供四个基本的信号处理图形用户界面（GUI）程序，它们分别是：（1）信号浏览器：用于浏览可视化的信号图像；（2）滤波器设计器：可用于设计和编辑FIR和IIR数字滤波器；（3）滤波器的分析浏览器：这个工具主要用于分析滤波器的特性，有幅值响应、相位响应、群延迟和脉冲响应等；（4）频谱浏览器：用于频谱分析。另外也可以直接用FDATool工具来专门设计和分析FIR滤波器、IIR滤波器等。

2 SPTool在课堂教学中的应用

SPTool在课堂教学中的应用主要体现在将理论教学与图形演示结合起来，教师在讲解公式推导的同时，利用实例演示相应知识点的对应结果，从而更加生动直观地揭示出公式所包含的物理含义和现象，或者给出数字信号处理的设计方法，克服理论上的空洞讲解和学生的一知半解。但是，在肯定辅助教学功能的同时，也要避免简单的应用而忽视相关的理论知识掌握。下面以滤波器为例，对SPTool在课堂教学中的应用加以探讨。例如在讲解数字滤波器时，可利用sptool或者FDAtool（Filter Design & Analysis）工具将滤波器的特性以图形的形势展示出来，如图1是巴特沃斯带通IIR滤波器的幅频特性和脉冲响应特性，与纯理论的讲授相比，它更直观更生动，更能激发学生的学习兴趣，使学生更容易理解和接受。

3 SPTool在实践教学中的应用

SPTool是面向对象的设计方法，设计很方便仿真效果也很好。在实验教学中的主要优势是代码编写相对比较简单，易学而直观。对于高职高专、三本院校学生来说，非常合适采用这种辅助工具来实现综合实验的设计。我们知道数字信号处理课程划分为以下3个重要的部分：时域离散信号部分、信号分析部分和信号处理部分，因此，本文针对以上内容，以一个具体的综合性实验为例，利用图形化设计工具SPTool来实现设计。

该实例主要包括以下过程：①使用sptool来导入和命令一个时域信号；②使用滤波器设计工具FDATool设计一个滤波器；③在sptool中，产生对应的滤波信号；④使用信号滤波器来查看原始信号和滤波信号的时间域信号；⑤使用频谱分析器来比较信号之间的频谱差异。具体过程和仿真结果如下：

1.首先在MATLAB Command Window中输入正弦信号和余弦信号叠加而生成的原始信号，代码如下：

>> n=0：100；T=0.04；

>> x=sin（2*pi*T*n）+cos（8*pi*T*n）；

>> sptool

2.在SPTool导入原始信号的时域波形，在SPTool中设计IIR巴特波斯带通滤波器，其幅频特性如图1所示，则原始信号通过巴特沃斯带通滤波器前后的时域波形图2中a图所示。

3.为比较两个信号的频谱，首先创建一个功率谱密度对象spect1，同样可创建滤波后的频谱图spect2。然后在频谱列表中使用shift同时选中两个频谱，单击View就可显示在频谱浏览器中，以比较滤波前后的频谱变化如图2中b图所示。

4 总结

本文笔者从自身的教学经验出发，总结和研究论证了图形化信号处理设计工具SPTool在数字信号处理课程教学中的应用。首先，简单介绍为什么要引入SPTool这个工具以及这个工具的主要功能，让大家初步认识和熟悉它；其次，通过课堂实例，在多媒体教学中现场图形演示，展示SPTool在课堂教学中发挥的作用。最后，通过综合实验环节，进一步验证SPTool在数字信号处理课程教学中的重要作用。

【参考文献】

[1]王秋生，袁海斌.数字信号处理教学方法的探索与实践[J].电气电子教学学报，2008.

[2]楼顺天，李博茜.基于MATLAB的系统分析与设计[M].西安电子科技大学出版社，1998.

[3]伯晓晨，等，编.MATLAB工具箱应用指南—信息工程篇讨[M].北京电子工业出版社，2000.

[4]朱金秀，张卓，等.数字信号处理课程实验教学研究与实践[J].实验室研究与探索，2008.

[5]沈媛媛.基于Matlab的数字信号处理综合性实验设计[J].实验室研究与探索，2009.

[责任编辑：杨玉洁]