“信号分析与处理”课程群综合性实验设计研究

张薇++张虹++尹维春

摘 要：根据“信号分析与处理”课程群的特点，分析了“信号分析与处理”课程群实践能力培养的重要性。通过引用应用型综合性实验，实现“理论—实验—应用”一体化教学的目的。同时以“电力系统谐波分析”为案例，阐述了应用型综合性实验的设计目标和设计思路。实践表明，以科研资源为载体，将理论知识与实际应用有机地结合，提高了学生的工程应用能力和创新能力。

关键词：信号分析与处理 综合性实验 滤波器 谐波

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（b）-0133-02

Research on Comprehensive Experiment Design for Signal Analysis and Processing Course Group

Zhang Wei Zhang Hong Yin Weichun

（School of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin Jilin， 132012， China）

Abstract： According to course group characteristics of signal analysis and processing， importance of practical ability training is analyzes. Through comprehensive experiments introduced， teaching purpose of application integrating with theory and experiment could be achieved. At the same time， with the examples of power system harmonic analysis， this paper discussed design target and ideas of applied and comprehensive experiments. Practice shows that organic integration of theoretical knowledge and practical application can improve students engineering application ability and innovation ability on the carrier of scientific research resources.

Key Words： Signal Analysis and Processing； Comprehensive experiment； Filter； Harmonic

《信号与系统》《数字信号处理》和《DSP原理及应用》是东北电力大学电气工程及其自动化、电子信息工程、电子信息科学与技术等专业的信号分析处理类课程，这3门课程都与信号处理紧密相关。其中，《信号与系统》《数字信号处理》属于学科的基础课程，《DSP原理及应用》属于专业必修课，侧重于工程实现。依据课程之间的内在逻辑和结构联系，我们整合优化课程资源，构建了“信号分析与处理”课程群[1]。

“信号分析与处理”课程群主要讲授信号处理的分析方法和实现方法，具有较强的理论性和实践性，在人才培养体系中占有十分重要的地位。因而，如何培养学生信号分析与处理的实践能力，提高学生的动手能力和创新能力，是实践教学环节人才培养必须解决的重要问题。

1 教学存在的问题

“信号分析与处理”课程群的内容理论性强，概念抽象。教师在授课的过程中，以理论教学为主，力求通过课堂教学达到将知识点“讲细，讲透”的目的，教学方法较为单一。而学生们则将大量的时间和精力用于复杂的理论学习和繁琐的手工运算当中，实际上还不能真正理解各种数学运算在信号处理中的应用，学习起来非常盲目吃力，难以调动学生们的学习热情。而且，“信号分析与处理”课程群相应的实验项目往往以原理验证为主，缺少与工程实际需求相联系的应用综合性实验项目，学生的工程实践能力缺乏[2]。

2 应用综合性实验的设计

为解决“信号分析与处理”课程群教学中存在的问题，就要结合学校的专业特色，以电力系统的实际工程问题为导向，加强理论与工程的联系，帮助学生建立信号处理的整体概念，设计应用综合性实验，作为课堂教学的有力补充[3-4]。

2.1 设计案例

近年来，随着大量非线性电力电子器件的使用，电力系统谐波问题日益突出。而谐波会引起电网电压、电流波形畸变，影响电能质量，降低电网可靠性。为了提高电能质量，需对电力系统谐波分量进行快速、准确的监测。

“信号谐波分析处理”实验项目将傅里叶变换、采样定理和数字滤波器设计等知识，融合到实际电力数据的分析处理中。通过应用综合性实验项目的设计，使学生能够体会到信号分析处理在实际工作中的应用。

2.2 实验原理分析

学生结合“电力系统分析”课程所学的知识，对电力系统谐波问题有了初步了解，电力信号可看作是不同频率和振幅的正弦波叠加而成的波形。任何一个周期的波形均可以认为是由各次的谐波分量所构成。图1是由基波、5次谐波与7次谐波所构成的畸变周期波形。混有谐波的电力信号，将影响到电能质量。

学生应用Matlab軟件对采集到的电流信号进行傅里叶变换，分析信号的频谱特征，得到电流波形所含的谐波分量。在编写程序的过程中，学生需要将连续信号进行采样变成离散信号，通过采样点数和周期长度的改变，加深对采样定理的理解。通过分析傅里叶变换运行结果，使学生直观地体会什么是信号的时频变换，从而掌握信号时频转换的基本原理和实现过程[5]。

要保证电网能够输出优质电能，必须对谐波污染进行有效的治理，这需把谐波的百分比与总的谐波畸变率控制在电力部门给出的标准以内。滤波是电力系统谐波抑制的有效方法，对不同电压等级的电压畸变率和谐波电压含有率，国家标准提出了具體的限定要求。根据系统的频谱特征进行滤波器的相关设计，对比滤波前后信号的频谱特征，验证谐波抑制的有效性。

3 谐波滤波器的设计

电力系统信号的工频为50 Hz，产生的谐波为50 Hz的奇次倍频。因此，可设计一个低通滤波器来抑制高次谐波。

设计一个50 Hz的谐波滤波器，将基波50 Hz以后的高频分量全部滤掉，在Matlab程序中导入频率分量为150 Hz、250 Hz、350 Hz的混合信号，选择滤波器的设计类型为FIR滤波器，设置通带频率为50 Hz，截止频率选择为80 Hz，通带衰减小于0.1 dB。将含有谐波的信号通过设计的低通滤波器后，时域信号发生的变化如图2所示。

由图3和图4对比可知，混频信号经过低通滤波器以后，高频分量被滤掉，只留下基波分量，可见设计的低通滤波器是满足要求的。

通过电力系统谐波分析与抑制这个综合性实验，可以使学生将《信号与系统》和《数字信号处理》课程的知识有机地联系起来，加深学生们对课程相关内容的理解。

4 结语

“信号分析与处理”课程群的内容理论性强。基于理论联系实际的思想，构建实践教学体系，设计综合性实验案例，使学生加深对“信号分析与处理”课程群内容的理解，真正做到学以致用。通过培养学生实验技能，将实践教学延伸到科研活动中，有利于学生实践能力和创新能力的培养，使教学效果显著。

参考文献

[1] 沈君凤，潘永才，杨维明.整体优化的“信号与系统”课程群建设研究及实践[J].工业和信息化教育，2014，12（5）：71-74.

[2] 王艳芬，张剑英，张晓光，等.信号处理课程群实验教学体系的构建[J].实验室研究与探索，2013，32（4）：132-134，139.

[3] 孙晖，赵菁.信号分析与处理综合性实验设计与实现[J].实验技术与管理，2012，29（7）：161-163.

[4] 王天仕，宋纯鹏，尚富德，等.构建能力培养型实验教学新体系[J].实验室研究与探索，2011，30（5）：97-100.

[5] 杨雷，王丹.Matlab在“信号分析与处理”课程教学中的应用[J].电气电子教学学报，2010，32（2）：84-86.