摘要:
根据数字信号处理课程的特点，将MATLAB软件引入实验教学．通过设计实例对该课程的综合实验进行了探讨和研究，教学效果表明该实验内容有利于培养学生将多个理论知识点进行融合并综合运用的能力．
关键词:
数字信号处理;综合实验;FIR数字滤波器;IIR数字滤波器
0引言
数字信号处理是电子信息类专业的专业基础课，为语音信号处理、数字图像处理、DSP技术等专业方向课的学习和应用提供理论基础．该课程的特点是理论性和实践性都很强，主要体现在基本原理及概念抽象、数学公式多，大量解决工程实际问题的算法必须用软件实现．因此，该课程的实验环节非常重要．目前国内外非常普遍的做法是将MATLAB软件引入数字信号处理课程的实验教学，该软件除了具有强大的运算能力和数据可视化功能，还有信号处理工具箱，该工具箱是一个内容丰富的信号处理软件库，数字信号处理课程中的大部分算法都可以在该工具箱中找到对应的函数文件，是学习、应用数字信号处理理论的一个非常好的工具，对帮助学生快速理解课程中抽象的基本概念起到了重要的作用．
1实验内容的三个层次
根据数字信号处理课程的特点，结合理论教学内容，该课程的实验内容包括三个层次．第一层次是验证性实验，其目的是帮助学生加深对课程基本理论的理解．内容包括时域离散信号和系统的时域、频域分析;第二层次是设计性实验，是培养学生理论联系实际的动手实践能力．内容包括频谱分析和数字滤波器的设计;第三层次是综合性实验，是培养学生对多个知识点的综合应用的创新能力．
2综合实验内容设计
综合实验是在一个实验中考察学生对多个知识点的掌握情况，对于提高学生的学习兴趣、培养学生将各章知识点融会贯通、理论联系实际的能力有着不可或缺的作用．因此必须仔细设计综合实验内容，以增强理论教学效果．在综合实验的内容设计上，将工程实践问题抽象化，引导学生将数字信号处理课程的两大重点内容－频谱分析和数字滤波器设计相结合，培养学生举一反三的综合应用能力．
2.1综合实验内容举例
一个含有5Hz、20Hz和30Hz的混和正弦波信号，该信号叠加了均值为0，平均功率为0.1的加性高斯噪声，设采样频率为Fs=150Hz，阻带衰减至少为50dB，设计要求:1)只保留5Hz的正弦信号，即滤除20Hz和30Hz正弦信号;2)只保留30Hz的正弦信号，即滤除5Hz和20Hz正弦信号;3)只保留20Hz的正弦信号，即滤除5Hz和30Hz正弦信号;4)保留5Hz和30Hz的正弦信号，即滤除20Hz正弦信号．编写程序设计满足以上性能指标的FIRDF和IIRDF．画图要求:1)原始加噪信号的时域波形及频谱图;2)数字滤波器的幅频响应和相频响应;3)数字滤波后信号的时域波形及频谱图．
2.2实验内容包含的知识点
1)原始加噪信号的时域和频域表示;2)FIRDF和IIRDF的设计(低通、高通、带通、带阻);3)原始加噪信号滤波后的时域和频域表示并比较;4)FIRDF和IIRDF的性能比较．
3综合实验设计过程(以低通滤波器设计为例)
3.1原始加噪信号的时域波形及频谱
原始信号为3个频率成分的正弦信号叠加，被均值为0，平均功率为0.1的加性高斯噪声污染．如图1所示．从图1可以看出，在时域上，原始信号被噪声污染，通过求该信号的频谱，在频域上可以明显看出该信号由3个频率成分的正弦信号组合而成．这一部分内容的目的是让学生一目了然地将信号的时域特点和频域特点统一起来．
3.2数字低通滤波器设计及性能比较
FIRDF和IIRDF的设计．FIRDF以窗函数(汉明窗)设计法为例，IIRDF以巴特沃思滤波器设计为例，二者的幅频响应和相频响应如图2所示．从图2可以看出FIR和IIR两大类数字滤波器的幅频特性均满足设计指标要求，并容易看出FIRDF具有线性相位特性，而IIRDF不具有线性相位特性．这两种滤波器有着不同的应用场合．
3.3滤波后信号的时域波形及频谱
原始加噪信号经过FIR和IIR滤波器滤波后的时域波形及频谱如图3所示．从图3可以看出，FIRDF和IIRDF均达到了滤波效果，只保留了信号中的低频成分．
4实验结果
以数字低通滤波器设计为例，应用MATLAB进行编程，得到FIR、IIR数字滤波器的阶数比较如表1、2所示．从表1、2可以看出，对于相同的滤波性能指标，IIRDF比FIRDF的阶数低很多，因此，在数字通信、图像传输等要求线性相位的应用场合选择FIRDF，而在不需要线性相位时，可以选择IIRDF实现滤波要求．
5结语
综合实验是培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，本文从实际应用出发，探讨了综合实验的设计思想，并通过实例说明了综合实验在学生能力培养方面的作用．教学实践证明，该综合实验的设计达到了很好的教学效果．
参考文献:
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作者:赵雪英 汪江 宫元九 单位:辽宁大学