周 鵬， 齊玉娟， 鄭 杰， 王 珺， 王延江

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息工程和通信工程等專業(yè)的專業(yè)核心課，在工業(yè)自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、光電信息科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程、電子測(cè)量等專業(yè)中也占據(jù)著很重要的地位。該課程是一門覆蓋面廣、理論性強(qiáng)的學(xué)科基礎(chǔ)課。在信號(hào)與系統(tǒng)課程中設(shè)置必要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)有利于學(xué)生對(duì)課程基本概念、基本原理的深入理解，有助于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力[1-4]。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前各高校信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置主要有以下3種方式[5-8]：

(1) 利用購(gòu)置或自行研制的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，完成重要原理和現(xiàn)象等的驗(yàn)證。

(2) 利用Matlab等軟件求解理論問題，或仿真再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

(3) 前兩種方式的綜合。

第1種實(shí)驗(yàn)方式有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)基本概念、基本定理的理解。其不足主要體現(xiàn)在：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，缺乏設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，綜合性不強(qiáng)[9-11]；第2種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢(shì)是理論性強(qiáng)，靈活性強(qiáng)，但不利于學(xué)生從物理層面上對(duì)實(shí)際的信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行分析和理解[10]。另外，這種實(shí)驗(yàn)方式也普遍存在著設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)不足的問題；第3種實(shí)驗(yàn)方式的涉及面更加廣泛，學(xué)生訓(xùn)練的內(nèi)容更加豐富，但受各高校普遍壓縮學(xué)時(shí)的限制，這種方式目前已很難開展[12-16]。并且，這種方式仍然沒有解決設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)缺乏的不足[8]。

綜上，目前的幾種實(shí)驗(yàn)方式都存在著訓(xùn)練內(nèi)容相對(duì)單一、綜合性不強(qiáng)的問題。為此，筆者開展了信號(hào)與系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作，并在我校電子信息工程、工業(yè)自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化、光電信息科學(xué)與工程等專業(yè)近期的課程教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的實(shí)施效果。

1 綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

1.1 鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)

為了鍛煉學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，所設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，都只給出功能實(shí)現(xiàn)等方面的要求，實(shí)驗(yàn)教材中不涉及任何功能實(shí)現(xiàn)方面的內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的功能要求，通過互聯(lián)網(wǎng)查詢或到圖書館借閱相關(guān)書籍等方式，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主完成要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。當(dāng)學(xué)生確實(shí)遇到疑難問題并且無法獨(dú)立解決時(shí)，可通過QQ交流或在安排的固定時(shí)間進(jìn)行答疑等方式向教師進(jìn)行請(qǐng)教。

1.2 綜合性強(qiáng)

在學(xué)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)課程前，學(xué)生一般都已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言程序設(shè)計(jì)、電路分析、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等課程，有的專業(yè)還已開設(shè)了單片機(jī)原理等課程。Matlab、Simulink、Multisim、LabVIEW、Proteus、Keil等工具軟件是電子信息工程等專業(yè)的學(xué)生應(yīng)熟練掌握的工具。盡管由于學(xué)時(shí)壓縮的原因，很多學(xué)校都不專門開設(shè)這些工具軟件類的課程，但學(xué)生完全可以通過自學(xué)掌握。所設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)，應(yīng)能讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)課程的知識(shí)，通過相關(guān)的工具軟件進(jìn)行完成。

1.3 學(xué)生利用課余時(shí)間完成

由于受學(xué)時(shí)壓縮的限制，根據(jù)我校電子信息工程等專業(yè)的實(shí)際情況，所開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)學(xué)生只能利用課余時(shí)間完成。這種方式具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：①設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，可不受“學(xué)時(shí)”的限制，因此更有利于加強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)踐能力的訓(xùn)練；②所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)能通過計(jì)算機(jī)即可完成。教師在設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)遵循上述特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 信號(hào)與系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 開設(shè)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)了多個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。在課程的實(shí)施過程中，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣選擇其中的1個(gè)題目完成。除在這些題目中進(jìn)行選題外，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生自主進(jìn)行命題。這里選取其中4個(gè)比較有代表性的題目進(jìn)行介紹。

(1) 音頻去噪系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:① 使用錄音軟件錄制主講人的音頻，保存成“主講人音頻.wav”文件;② 使用錄音軟件，錄制主講人和背景音樂混合后的音頻，保存成“混合后音頻.wav”文件。

利用Matlab軟件開發(fā)一個(gè)帶有圖形操作界面(GUI，Graphics User Interface)的程序，實(shí)現(xiàn)如下功能：① 播放“主講人音頻.wav”，顯示主講人音頻信號(hào)的時(shí)域波形，顯示主講人音頻信號(hào)的頻譜(含幅度譜和相位譜)。② 播放“混合后音頻.wav”，顯示混合音頻信號(hào)的時(shí)域波形，顯示混合音頻信號(hào)的頻譜(含幅度譜和相位譜)。③ 對(duì)混合音頻信號(hào)進(jìn)行“去噪”， 盡可能去除背景音樂，將處理結(jié)果保存成“處理后音頻.wav”文件，并能對(duì)該音頻文件進(jìn)行播放。④ 顯示去噪后音頻信號(hào)的時(shí)域波形、頻譜(含幅度譜和相位譜)。⑤ 其他方面的功能擴(kuò)展。

(2) 語音倒頻保密通信系統(tǒng)。圖1所示是語音倒頻保密通信系統(tǒng)發(fā)送端的原理方框圖。其中：輸入信號(hào)f(t)是上限角頻率為ωm的語音信號(hào)；HP為理想高通濾波器，其截止角頻率為ωb，且有ωb>ωm；LP為理想低通濾波器，其截止角頻率為ωm；輸出信號(hào)y(t)是經(jīng)倒頻后的語音信號(hào)，該信號(hào)將發(fā)送給接收端進(jìn)行接收。請(qǐng)完成以下設(shè)計(jì)工作：① 利用Simulink軟件搭建上述語音倒頻保密通信系統(tǒng)的發(fā)送端，其中的HP和LP的設(shè)計(jì)，可利用Simulink軟件中的濾波器設(shè)計(jì)工具完成。② 設(shè)計(jì)與發(fā)送端相配合的接收端的原理方框圖，確保接收端的輸出可較好地還原原始語音信號(hào)。③ 利用Simulink軟件搭建接收端，對(duì)于其中的濾波器的設(shè)計(jì)，可利用Simulink軟件中的濾波器設(shè)計(jì)工具完成。④ 播放發(fā)送端輸出信號(hào)的音頻，測(cè)試保密效果。⑤ 播放接收端輸出信號(hào)的音頻，測(cè)試語音還原效果。⑥ 其他方面的功能擴(kuò)展。

(3) 音頻均衡器。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:① 準(zhǔn)備一根對(duì)錄線，用于連接電腦和手機(jī);② 將對(duì)錄線的一端連接手機(jī)的耳機(jī)接口，另一端連接電腦的麥克風(fēng)接口;③ 通過手機(jī)播放一段音樂。

利用LabVIEW軟件編寫程序，實(shí)現(xiàn)音頻均衡器的功能，具體要求如下：① 將輸入音頻信號(hào)分左、右聲道，按低、中、高音3個(gè)頻段分別提取出來;② 用戶可通過圖形操作界面直觀地調(diào)節(jié)低、中、高音部分的幅度;③ 將幅度調(diào)節(jié)后的音頻分量進(jìn)行合成;④ 用戶可通過圖形操作界面直觀地觀察兩個(gè)聲道均衡后的功率譜;⑤ 控制電腦的揚(yáng)聲器播放合成后的音樂;⑥ 其他方面的功能擴(kuò)展。

(4) 程控濾波器設(shè)計(jì)與頻率響應(yīng)分析。利用Multisim、Proteus和Keil等軟件設(shè)計(jì)一個(gè)程控型二階有源低通濾波器，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器滿足指標(biāo)要求，觀察元器件參數(shù)變化時(shí)引起的頻率響應(yīng)的變化。具體要求如下：① 利用Multisim軟件設(shè)計(jì)二階有源低通濾波器電路，應(yīng)滿足的指標(biāo)為：截止頻率=10 kHz，品質(zhì)因數(shù)=0.707，增益=2;② 利用Multisim軟件觀察所設(shè)計(jì)濾波器電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，驗(yàn)證電路的技術(shù)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。若不滿足要求，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，直至滿足技術(shù)指標(biāo)要求;③ 將所設(shè)計(jì)電路中的電阻和電容元件，更換為可調(diào)電阻和可調(diào)電容，通過手工調(diào)節(jié)元件參數(shù)，觀察電路幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的變化;④ 在Multisim軟件所設(shè)計(jì)出的電路的基礎(chǔ)上，將可調(diào)電阻更換為數(shù)字電位計(jì)，選用變?nèi)荻O管作為可調(diào)電容，選擇一款單片機(jī)控制數(shù)字電位計(jì)的電阻值和變?nèi)荻O管的控制電壓，利用Proteus軟件搭建仿真原理圖;⑤ 利用C語言編寫單片機(jī)控制程序，利用Keil軟件和Proteus軟件進(jìn)行濾波器電路和單片機(jī)程序的聯(lián)合調(diào)試;⑥ 其他方面的功能擴(kuò)展。

2.2 題目分析

所設(shè)計(jì)的題目綜合性較強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的綜合訓(xùn)練效果較好。另外，鼓勵(lì)學(xué)生除完成題目規(guī)定的要求外，還能自己對(duì)題目的功能進(jìn)行自由擴(kuò)充，使學(xué)生充分發(fā)揮想象力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。下面對(duì)各個(gè)題目做具體分析。

(1) 音頻去噪系統(tǒng)。該題目涉及信號(hào)的時(shí)域波形、幅度譜、相位譜等基本概念，需要學(xué)生深入思考如何壓制混合后音頻信號(hào)中背景音樂的信號(hào)處理方法，使學(xué)生比較直觀地體會(huì)到了所學(xué)知識(shí)和定理在日常生活中的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，該題目還能訓(xùn)練學(xué)生通過查閱相關(guān)資料快速掌握Matlab GUI程序的編寫方法。

(2) 語音倒頻保密通信系統(tǒng)。該題目涉及信號(hào)頻譜的頻移特性、調(diào)制與解調(diào)等基本知識(shí)，需要學(xué)生查閱資料擴(kuò)充倒頻通信、濾波器設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，將平時(shí)比較熟悉的手工解題過程應(yīng)用于生活實(shí)踐，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。通過該題目，還訓(xùn)練學(xué)生通過查閱相關(guān)資料快速掌握利用Simulink搭建仿真系統(tǒng)的能力。

(3) 音頻均衡器。該題目涉及信號(hào)的時(shí)域波形、頻譜分量、信號(hào)合成、功率譜等基本概念，使學(xué)生通過“調(diào)音”的過程，更好地理解所學(xué)基本概念，直觀感受到所學(xué)知識(shí)的實(shí)際用途。此外，該題目還能訓(xùn)練學(xué)生通過查閱資料快速掌握LabVIEW軟件基本操作和編程的能力。

(4) 程控濾波器設(shè)計(jì)與頻率響應(yīng)分析。該題目涉及濾波器電路設(shè)計(jì)、濾波器常用技術(shù)指標(biāo)、幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)等多方面知識(shí)，涵蓋模擬電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、單片機(jī)原理、C語言程序設(shè)計(jì)等多門課程，需要學(xué)生通過查閱相關(guān)資料快速掌握Multisim、Proteus、Keil 3種軟件的基本操作和應(yīng)用，綜合性非常強(qiáng)。

2.3 部分學(xué)生作品展示

圖2所示是學(xué)生針對(duì)題目“音頻去噪系統(tǒng)”所設(shè)計(jì)的Matlab GUI界面。通過該操作界面，用戶可分別播放主講人音頻、混合后音頻、去噪后音頻、背景音樂的音頻，觀察各種信號(hào)的時(shí)域波形、幅度譜、相位譜。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，去噪后的音頻還原效果較好，基本聽不到背景音樂的聲音。

圖3所示是學(xué)生針對(duì)題目“語音倒頻保密通信系統(tǒng)”所設(shè)計(jì)的Simulink仿真系統(tǒng)。通過該仿真系統(tǒng)，發(fā)送端輸出的音頻被保存至Matlab的工作空間，接收端接收到的音頻直接通過電腦揚(yáng)聲器進(jìn)行播放。通過另外編寫的Matlab小程序，可播放保存至Matlab工作空間的發(fā)送端輸出音頻。該音頻的內(nèi)容與原始聲音完全不同，起到了保密通信的作用。而在Simulink仿真系統(tǒng)中直接播放的接收端音頻被較好地還原為原始聲音。

圖4所示是學(xué)生針對(duì)題目“音頻均衡器”所設(shè)計(jì)的LabVIEW應(yīng)用軟件的前臺(tái)界面。通過該操作界面，可調(diào)節(jié)低、中、高頻分量的幅度，從而可將播放的音樂調(diào)節(jié)為重低音、高頻突出等多種不同風(fēng)格，還能同時(shí)觀察到調(diào)節(jié)后合成音頻功率譜的變化。

圖2 音頻去噪系統(tǒng)學(xué)生作品

圖3 語音倒頻保密通信系統(tǒng)學(xué)生作品

圖4 音頻均衡器學(xué)生作品

2.4 實(shí)驗(yàn)效果

通過設(shè)置上述綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，學(xué)生普遍反映通過綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能將課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解更加直觀、深入、牢固，也體會(huì)到所學(xué)知識(shí)在日常生活中的廣泛應(yīng)用。盡管綜合實(shí)驗(yàn)的考核環(huán)節(jié)僅要求學(xué)生完成任意一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)即可，但很多學(xué)生都主動(dòng)完成更多的實(shí)驗(yàn)。除完成每個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的規(guī)定要求外，同學(xué)們還積極地對(duì)實(shí)驗(yàn)功能進(jìn)行擴(kuò)展，還有部分同學(xué)自己進(jìn)行命題，這些都充分說明所設(shè)置的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)明顯提高了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，鍛煉了學(xué)生探索創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語

根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多的現(xiàn)狀，為解決這一不足，開展了綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)，要求學(xué)生利用Multisim、Matlab、Simulink、LabVIEW、Proteus、Keil等常用工具軟件進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)已在我校多個(gè)專業(yè)近期的課程教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐。所開展的這些綜合實(shí)驗(yàn)與日常生活密切相關(guān)，使學(xué)生能直觀感受到所學(xué)知識(shí)的用途，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，激發(fā)出學(xué)生極大的學(xué)習(xí)熱情。經(jīng)過這些綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)課程基本概念、基本原理及其物理意義的理解更加深入，取得了良好的教學(xué)效果。