時間：2022-02-14 15:44:30
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇數(shù)字信號處理論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
【關(guān)鍵詞】測控技術(shù)與儀器；數(shù)字信號處理；教學(xué)內(nèi)容與方法
【Abstract】The view of comprehension and application of digital signal processing techniques vary with different major. Some discussion is apposed in the paper about the consummation and innovation of digital signal processing teaching contents and methods under the characteristic and demand of the major of measurement & control techniques and instruments.
【Keywords】measurement & control techniques and instruments， digital signal processing， teaching contents and methods
數(shù)字化和信息化的迅速發(fā)展，使得數(shù)字信號處理技術(shù)與應(yīng)用在日常生活中的地位越來越突出，新的算法（或改進(jìn)算法）層出不窮，新的器件頻繁更替。對于儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科下的測控技術(shù)與儀器專業(yè)，“數(shù)字信號處理”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程不僅理論性強(qiáng)，工程應(yīng)用背景也十分明確。作為一門涉及面廣的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程，如何與學(xué)科的應(yīng)用需求接軌、與學(xué)生的知識體系融合，改革教學(xué)內(nèi)容與授課方法，全面提高教學(xué)質(zhì)量與效果，與時俱進(jìn)、科學(xué)發(fā)展，創(chuàng)建有專業(yè)特色的示范性課程是課程組面臨的問題。
論文以學(xué)校課程體系建設(shè)的目標(biāo)與要求為出發(fā)點，結(jié)合國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)的特點和建設(shè)需求，在“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)內(nèi)容的完善、教學(xué)方法的革新等方面進(jìn)行了探討，提出了一些觀點和看法。
1 學(xué)科與專業(yè)對數(shù)字信號處理的專門需求
儀器是信息獲取、處理與應(yīng)用的工具，而儀器學(xué)科與技術(shù)則是研究以獲取信息為目的的信息轉(zhuǎn)換、處理、傳輸、存貯、顯示與應(yīng)用等技術(shù)與裝置的應(yīng)用科學(xué)，其核心內(nèi)容可以用四個關(guān)鍵詞概括，即：計量、測量、儀器和傳感器[1]。沒有測量就沒有科學(xué)，儀器科學(xué)與技術(shù)的領(lǐng)先程度決定了科研和生產(chǎn)的先進(jìn)程度和競爭能力[2]。從這個角度來看，測控技術(shù)與儀器專業(yè)更加強(qiáng)調(diào)數(shù)字信號處理的物理意義，也就是信號對象的物理屬性，包括：時間屬性、頻率熟悉、誤差范圍、測量精度等。
目前該校儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科逐漸形成了以現(xiàn)代傳感技術(shù)及系統(tǒng)、空間儀器工程、無線電測量理論及應(yīng)用為主要方向，以信息獲取與處理為主要內(nèi)涵的省重點特色學(xué)科，本科專業(yè)為測控技術(shù)與儀器，要求學(xué)生掌握信號采集、分析與處理等方面的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，在測控、測量及測試等方面具有良好的理論素養(yǎng)和技術(shù)基礎(chǔ)。開設(shè)了“電工與電路基礎(chǔ)”、“信號系統(tǒng)與控制”、“數(shù)字信號處理”、“現(xiàn)代測試系統(tǒng)”等一系列專業(yè)課程。主要課程見表1。
表1：測控技術(shù)與儀器主要專業(yè)課程情況
從表中可見“數(shù)字信號處理”首當(dāng)其沖成為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，并且為測控技術(shù)與儀器專業(yè)服務(wù)，有著明顯的信號采集、測量、微弱信號檢測、儀器系統(tǒng)設(shè)計等方面的應(yīng)用需求。在本專業(yè)知識體系中，“數(shù)字信號處理”緊密連接傳感器的信號調(diào)理，與信息轉(zhuǎn)換、處理甚至是傳輸和存儲等有密切的關(guān)系，其內(nèi)涵更加偏向于真實信號物理量的采樣與處理，目標(biāo)更加注重于數(shù)字信號的物理意義和應(yīng)用方向。課程內(nèi)容包括：采樣過程及誤差分析、離散時間信號與系統(tǒng)、離散變換及其快速算法、數(shù)字濾波器設(shè)計、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)、多采樣率信號處理等。課程將通過講授、練習(xí)、實驗使學(xué)生掌握數(shù)字信號處理的基本理論和方法，并能使用軟硬件工具進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號處理工作。
2 依據(jù)學(xué)科專業(yè)特點改革教學(xué)內(nèi)容與方法
根據(jù)課程體系建設(shè)的需求，在教學(xué)內(nèi)容與方法方面嘗試提出了如下建設(shè)目標(biāo)：
2.1 結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點，吸收國外先進(jìn)教學(xué)理念，與國際著名院校課程內(nèi)容設(shè)置充分融合，以經(jīng)典“數(shù)字信號處理”課程體系為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代測量系統(tǒng)中備受關(guān)注的信號處理方法和技術(shù)為導(dǎo)向，緊扣真實信號物理量采樣與處理的學(xué)科背景，結(jié)合國外相關(guān)專業(yè)知名教材，在專業(yè)課程體系內(nèi)將教學(xué)的內(nèi)容、課程間的關(guān)系與教學(xué)實踐緊密配合一起，積極梳理課程體系之間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)學(xué)科和理論技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)地完善教學(xué)內(nèi)容。
2.2 開拓國際化視野，充分采用啟發(fā)式、交互式、研討式的教學(xué)方法和課堂、網(wǎng)絡(luò)和實踐相結(jié)合的教學(xué)手段；嘗試通過引進(jìn)國外教學(xué)名師開展課外專題講座，提高學(xué)生的興趣、拓展學(xué)生的專業(yè)思路，提升授課效果；用儀器科學(xué)與技術(shù)大專業(yè)的通識教育理念，建立典型案例素材庫，完善學(xué)生的專業(yè)知識體系及應(yīng)用能力；結(jié)合科研條件，采用軟件仿真和硬件驗證相結(jié)合實踐教學(xué)系統(tǒng)，實踐環(huán)節(jié)的比重達(dá)到30%以上；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)突出互動性，答疑和研討環(huán)節(jié)能夠通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平成。
3 開拓思路積極探索改革舉措
測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生有著明顯的工程技術(shù)培養(yǎng)需求，“數(shù)字信號處理”課程是專業(yè)理論和實踐相結(jié)合的橋梁，必須結(jié)合學(xué)科特點，與國際化教學(xué)內(nèi)容融合，與電工技術(shù)、信號系統(tǒng)與控制等課程密切配合、融合[3，4]，充分體現(xiàn)測控技術(shù)、儀器、傳感器對信號處理的更高要求和需求、拓展數(shù)字信號處理的廣度和深度，在無線電測量、精密儀器信號處理和微弱信號處理等方面突出授課重點，為學(xué)科專業(yè)打下堅實基礎(chǔ)。舉措如下：
3.1 結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點，與國際著名院校類似專業(yè)課程內(nèi)容設(shè)置充分融合，將教學(xué)的內(nèi)容、課程間的關(guān)系與教學(xué)實踐緊密配合一起，充分提升授課效果，結(jié)合學(xué)科需求，將“數(shù)字信號處理”教學(xué)內(nèi)容與國際接軌，并能根據(jù)學(xué)科和理論技術(shù)的發(fā)展而動態(tài)適應(yīng)。
優(yōu)秀教材與普通教材的區(qū)別，并不在于內(nèi)容及其先進(jìn)性，也不僅僅在于語言，主要在于教學(xué)的理念和方法[5]，對于本專業(yè)的“數(shù)字信號處理”課程更是如此。因此必須融合國外教材和國內(nèi)教材的特點，合理安排教學(xué)內(nèi)容的講授方式、時機(jī)與深度，引入概念方法時，注重啟發(fā)性、直觀性，可使學(xué)生先知其然，而后再知其所以然。在敘述方式上，同一內(nèi)容由淺入深，在不同章節(jié)，從不同層次加以闡述，力圖體現(xiàn)各部分間有機(jī)聯(lián)系；同時注意結(jié)合自上而下和自下而上的方式，注重啟發(fā)、實用的同時，多幫助同學(xué)拎出主線和脈絡(luò)[6]，如表2所示。必要時做一些知識補(bǔ)充，以使學(xué)生不僅掌握一些具體的原理、實用的方法，還建立起比較系統(tǒng)的認(rèn)識，以供進(jìn)一步深造之需。
表2：數(shù)字信號處理課程內(nèi)容分類
3.2 結(jié)合“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號系統(tǒng)與控制”課程內(nèi)容，與之優(yōu)化整合，使“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)容與專業(yè)課程體系融會貫通。用儀器科學(xué)的通識教育理念，優(yōu)化“數(shù)字信號處理”課程的授課內(nèi)容、提升授課效果，完善學(xué)生的專業(yè)知識體系及應(yīng)用能力。
“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號系統(tǒng)與控制”和“數(shù)字信號處理”三門課程構(gòu)成了專業(yè)體系中重要的“電路、系統(tǒng)、信號分析與處理”基礎(chǔ)課程體系。“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”課程主要學(xué)習(xí)電路基本理論與分析方法相關(guān)的經(jīng)典理論；“信號系統(tǒng)與控制”課程主要學(xué)習(xí)確定性信號的時頻域分析方法，線性時不變系統(tǒng)的描述方法與特性，以及線性時不變系統(tǒng)的變換域分析方法；“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”和“信號系統(tǒng)與控制”是“數(shù)字信號處理”的理論基礎(chǔ)，“數(shù)字信號處理”是“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”和“信號系統(tǒng)與控制”在離散域中的深入擴(kuò)展與應(yīng)用。
然而，傳統(tǒng)情況下“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號系統(tǒng)與控制”和“數(shù)字信號處理”課程各自施教，在一定程度上存在授課內(nèi)容重復(fù)、銜接不合理、綜合不夠等諸多問題，這些問題隨著教學(xué)計劃的修改和課時的減少顯得更加突出。如，在 “電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”課程中，已涵蓋了許多“信號與系統(tǒng)”課程中連續(xù)信號與系統(tǒng)分析的相關(guān)內(nèi)容，而“數(shù)字信號處理”課程中也存在“信號與系統(tǒng)”課程中大量離散信號與系統(tǒng)分析內(nèi)容的重復(fù)[3]。各門課程自身內(nèi)容體系的最優(yōu)不一定是整個教學(xué)計劃的最優(yōu)，因此，有必要結(jié)合“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號系統(tǒng)與控制”課程內(nèi)容，與之優(yōu)化整合，使“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)容與專業(yè)課程體系融會貫通，如此才能更好地完善學(xué)生的專業(yè)知識體系及應(yīng)用能力。
3.3 儀器科學(xué)與技術(shù)是一個應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，“數(shù)字信號處理”是應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，因此該課程的教學(xué)應(yīng)該是理論、實踐和科學(xué)研究的三元一體。
理論教學(xué)主要是通過課堂教學(xué)環(huán)節(jié)完成的。在教學(xué)過程中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)基本概念的建立和基本內(nèi)容的深刻理解，淡化公式的推導(dǎo)和解題技巧，強(qiáng)化所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。加大教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革，建設(shè)形式上理論教學(xué)與實踐教學(xué)獨(dú)立設(shè)課，內(nèi)容上互相交叉和融合，分層次按需設(shè)置的完整的理論和實踐教學(xué)體系[7]，通過實踐教學(xué)和簡單的科學(xué)研究思路，增強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)理論的認(rèn)識，強(qiáng)化學(xué)生理解能力，深刻了解“數(shù)字信號處理”與專業(yè)相關(guān)課程的聯(lián)系。
配合課程教學(xué)預(yù)先安排了4 個教學(xué)實驗，要求學(xué)生用Matlab進(jìn)行原理仿真，通過之后并在采樣信號處理綜合實驗系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，從而鍛煉學(xué)生對理論知識的掌握與應(yīng)用能力，以及簡單的科研能力。如表3所示。
表3：數(shù)字信號處理課程的教學(xué)實驗內(nèi)容
3.4 將授課效果作為第一評判標(biāo)準(zhǔn)，采用啟發(fā)式、交互式教學(xué)方法、通過多媒體、網(wǎng)絡(luò)、專題討論課等方法，提高學(xué)生對課程的掌握程度；在支撐學(xué)科發(fā)展的大視野下，根據(jù)課程在學(xué)科課程體系中的地位和作用，改革傳統(tǒng)教學(xué)手段，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，加強(qiáng)梳理與其他課程或競賽之間的相互關(guān)聯(lián)，全面提高學(xué)生專業(yè)應(yīng)用素質(zhì)。
下面以文獻(xiàn)[6]中的實例為例，說明教學(xué)方法和教學(xué)手段的效果。在講授序列的傅里葉變換（DTFT）和離散傅里葉變換（DFT）時，學(xué)生很難理解這兩種形式傅里葉變換的區(qū)別。實際上，DTFT和DFT都是從頻譜分析的角度來分析一個序列。對于DTFT，只要該序列滿足絕對可和的條件，則它的傅里葉變換一定存在且連續(xù)，由于其一個域是連續(xù)的，因而不適合在計算機(jī)上運(yùn)算。而DFT是專門針對序列“有限長”的特點而提出的，其頻譜也是離散的，因而適于在計算機(jī)上運(yùn)算，同時也可以通過快速傅里葉變換（FFT）實現(xiàn)。為了讓學(xué)生不產(chǎn)生混淆，在教學(xué)過程中，可以利用MATLAB進(jìn)行現(xiàn)場仿真，讓學(xué)生通過仿真結(jié)果直觀掌握二者的關(guān)系和區(qū)別。實驗中，采用矩形序列x（n）=R5（n），N=32。其中圖a是序列的波形圖及其DTFT變換的連續(xù)譜，周期為2π，圖中顯示的為主值區(qū)間（[0，2π]）頻譜。圖b是通過16點和32點FFT來實現(xiàn)的序列DFT變換，其中圖線的包絡(luò)即為信號的DTFT連續(xù)譜，從中明顯可以看出，DFT實際上是對主值區(qū)間上的DTFT連續(xù)譜在頻域進(jìn)行抽樣，抽樣點數(shù)即變換的點數(shù)。通過這樣的現(xiàn)場仿真分析，學(xué)生很容易掌握和理解DTFT和DFT的關(guān)系和區(qū)別。
圖1：一種啟發(fā)式多媒體教學(xué)手段實例[6]
3.5 教師回歸“師者”的本位——傳道、授業(yè)、解惑，加強(qiáng)疏導(dǎo)，發(fā)揮學(xué)生主動性。所謂傳道就是傳授其中的基本規(guī)律和變化趨勢，引領(lǐng)學(xué)生入門；授業(yè)是傳授解決問題的方法和技能，發(fā)揮學(xué)生主動性；解惑就是答疑，持續(xù)發(fā)現(xiàn)并消除學(xué)生心中的疑惑。通過深入淺出、抓重點、理脈絡(luò)的方式解答學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的疑惑，提高其提出問題、分析問題、解決問題的能力。“授人以魚，不如授人以漁”。
4 結(jié)束語
“數(shù)字信號處理”是一個理論實踐性都很強(qiáng)的課程，每個學(xué)科對其應(yīng)用和理解都可能會有所偏重，因此在教學(xué)內(nèi)容與方法探索上應(yīng)該認(rèn)真分析本專業(yè)課程建設(shè)需求與現(xiàn)狀，不斷研究解決教學(xué)內(nèi)容與方法建設(shè)中存在的問題，全面歸納、總結(jié)經(jīng)驗，在充分研討的基礎(chǔ)上對教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行詳細(xì)地規(guī)劃，才持續(xù)地推進(jìn)“數(shù)字信號處理”課程建設(shè)水平和授課效果，優(yōu)化學(xué)生知識體系結(jié)構(gòu)，滿足學(xué)科專業(yè)對本課程的需求。參考文獻(xiàn)
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隨著集成電路的運(yùn)算速度更快，集成度更高，就有可能耐復(fù)雜目益增加均一些多維數(shù)字信號處理。所它在最近才開始出現(xiàn)的一個新領(lǐng)域。盡管如此，多維信號處埋仍然對以下一些間提了解決的辦法，這些問題是：計算機(jī)輔動斷層成術(shù)(CAT)，即綜合來自不同方向的X射線的投影，以重建人體某一部分的三維圖，源聲納陣列的設(shè)計及通過人造衛(wèi)星地球資源。多維數(shù)字信號處理除具有許多引人注目和淺顯易行的應(yīng)用之外，它還具有堅賣的數(shù)學(xué)基礎(chǔ).，這不僅使我們能了解它的實現(xiàn)情況，而且當(dāng)新問題出現(xiàn)時，也當(dāng)及時解決。
典型的信號處理任務(wù)就是把信息從一種信號傳遞到另一種信號上，例如，可將一張照片加以掃描、抽樣，并將畢業(yè)論文共存儲在計算機(jī)的存儲器中，在這種情況下，信息是從可變的銀粒密度轉(zhuǎn)換戌可見光束，再變成電的波形，最后變戍數(shù)字的序列，隨后該數(shù)字序列用。磁盤上磁疇的排列來表示CAT掃描器是一個比較復(fù)雜，經(jīng)過處理，最后顯赤射線管(CRT)的熒光屏上或膠片上。數(shù)字處理能增加信息，但可以重新排列信息，使觀察者能更方便地理解它.觀察者不必觀看多個不同測面的投影而可直接觀察截面圖。
人們感興趣的是信號所包含的信息，而不管信號本身是什么形式。也許可以概括地說，信號處理涉及兩個基本任務(wù)一一信息的重新排列和信息的壓縮。
數(shù)字信號處理涉及到用數(shù)的序列表示的信號的處理，而多維數(shù)字信號處理則涉罰用多維陣列表示的信號的處理，例如對同時從幾個傳感器所接收的抽樣圖像和抽樣的時間波形的處理。由于信號是因而它可以用數(shù)字硬件處理，同時可以將信號處理的運(yùn)算規(guī)定為算法。
促使人們采用數(shù)字方法的是不言而喻的。數(shù)字方法既有效靈活。我們可以用數(shù)字系統(tǒng)使其有自適應(yīng)性并易于重新組合。可以很方便地把數(shù)字算法由一個廠商的設(shè)備上轉(zhuǎn)換到另一個廠商的設(shè)備上去，或者把專用數(shù)字硬件來實現(xiàn)。同樣，數(shù)字算法也可用來處理作為時間函數(shù)或空間信號，數(shù)字算法自然地和邏輯算符如模式分類相聯(lián)系。數(shù)字信號能夠長時間無差錯地存儲。對很多種應(yīng)用而言，數(shù)字方法Ⅸ其它方法更為簡單，對另外一些應(yīng)用，則可能根本不存在其他方法。多維信號處理是不同于一維信號處理，想在多維序列上實現(xiàn)的多運(yùn)算，例如抽樣、濾波和交換等，用于一維序列，然而，嚴(yán)格芯說，我們不得不說多終信號處理與一維信弓有很大差別的。
信號處理與一維信號處理還是有很大差別的，這是由三個因素造成的;(l)二維通常比一維問題包含的數(shù)據(jù)量大得多;(2)處理多維系統(tǒng)在數(shù)些上不如處理一維系統(tǒng)那樣完備；(3)多維信號處理有更多的自由度，這給系統(tǒng)設(shè)計音以一維情況中無法比擬的靈活性。雖然所有遞歸數(shù)字濾波器都是用差分方程實現(xiàn)的，一維情況下差分方程是全有序的，而在多維情況下差分方程僅是部分有序的，岡而就存在著靈活性，在一維情況小，離散傳里旰變換CDET)可以用快速傅里葉變換CEPT)算法來計算，而在多維情況下，有多且每一個OFT又可用多種AFT算法來計算。在一維情況下，我們可以調(diào)整速率。而且也可以調(diào)整抽排列。從另一方面來說，多維多項式不能進(jìn)行因式分解，而一維多項式是可以進(jìn)行因式分解的。因而英語論文在多維情況下，我們不能論及孤立的極，氣、孤立的零點及孤立的根。所以，多維信號處理與一維信號處理有相當(dāng)大的差別。在20世紀(jì)60年代初期，用數(shù)字系統(tǒng)來模仿模擬系統(tǒng)的想法，使得一維數(shù)字信號處毫的各種方法得到了發(fā)展。這樣，仿照模擬系統(tǒng)理論，創(chuàng)立了許多離散系統(tǒng)理論.隨后，當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)可以很好地模仿模擬系統(tǒng)時，人們認(rèn)識到數(shù)字系統(tǒng)同時也可以完成更多的功能。由丁這種認(rèn)識及數(shù)字硬件工藝的有力推動，數(shù)字信號處理得到了發(fā)展，而且現(xiàn)今很多通用的方法，已成為數(shù)字方法所特有的，沒有與其等效的模擬方法，在發(fā)展多維數(shù)字信號處理時，可觀察到同一發(fā)展趨向。因為沒有連續(xù)時間的(或模擬的)二維系統(tǒng)理論可以仿效，因而最初的二維系統(tǒng)是以一維系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，80年代后期，多數(shù)二維信號處理都是用可分的二維系統(tǒng)。可分的二維系統(tǒng)與用于二維數(shù)據(jù)的一維系統(tǒng)幾乎沒有差別。隨后，發(fā)展了獨(dú)特的多維算法，該算法相當(dāng)于一維算法的邏輯推理。這是一段失敗的時期，由干許多二維應(yīng)用要求數(shù)據(jù)量很大，且iT缺少二淮多項式太分解理論，很多一維方法不能很好地推廣到二維上來。我們現(xiàn)在正處于認(rèn)識的萌芽時代。計算機(jī)工業(yè)以其部件的小型化和價格日趨低廉而有助于我們解決數(shù)據(jù)量問題。盡管我們總是受限于數(shù)學(xué)問題，但仍然認(rèn)識到，多維系統(tǒng)也給了我們新的自由度。以上這些，使得該領(lǐng)域既富于挑戰(zhàn)性又無窮樂趣，電子信息技術(shù)的結(jié)合之軟件結(jié)臺，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中可用電產(chǎn)信息技術(shù)的地方，仍然可以在生產(chǎn)或很低的條件下使用人力或傳統(tǒng)機(jī)械。電予信息技術(shù)應(yīng)到限制，在不同領(lǐng)域和不同水平有各種原因，但爛有一個共大原因是缺乏認(rèn)識。沒有認(rèn)識，便沒有應(yīng)層。
事實上，在一維和二維信號處理理論之間有實質(zhì)性的差別，而在二維和更高維之間，除了計算上的復(fù)雜世方耐差異之外，似乎差別較小。
關(guān)鍵詞：大班教學(xué)；形象化教學(xué)；學(xué)習(xí)共同體；數(shù)字信號處理
作者簡介：盧迪（1971-），女，天津人，哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，教授；蘭朝鳳（1981-），女，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，講師。（黑龍江 哈爾濱 150080）
基金項目：本文系黑龍江省新世紀(jì)高等教育教學(xué)改革工程項目（項目編號：66996）、哈爾濱理工大學(xué)教育教學(xué)研究項目（項目編號：C201200011）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）16-0086-02
自大學(xué)擴(kuò)招以來，各高校普遍存在學(xué)生多教師少現(xiàn)象，因此本科生的公共課、專業(yè)課的講授常采用大班額配課制度，學(xué)生數(shù)在百名左右。大班教學(xué)帶來的問題主要有兩個方面：一方面是大班教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的影響。在大班教學(xué)中，師生之間的交流較小班教學(xué)減少，學(xué)生的個性差異和獨(dú)特性被忽視，學(xué)生往往學(xué)習(xí)動機(jī)較低、學(xué)習(xí)積極性較差、學(xué)習(xí)被動、注意力不集中，師生之間和生生之間互不認(rèn)識、互動很少。[1-3]另一方面，從教師的角度來說，由于大班教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生發(fā)言、表達(dá)自己的意見機(jī)會大大減少，課堂氣氛比較沉悶，教師往往采用“一言堂”的教授模式，教學(xué)方法單一，而且由于課堂教學(xué)時間有限、學(xué)生數(shù)多，教師很難從學(xué)生那里得到有效反饋，不能全面了解學(xué)生對課程內(nèi)容的接受、理解程度。
針對這些問題，越來越多的高校教師關(guān)注于大班教學(xué)方法的研究，從中國知網(wǎng)的統(tǒng)計來看，2010年發(fā)表的相關(guān)研究論文有123篇，2011年有203篇，2012年有155篇。這些論文中，80%左右的研究集中于大學(xué)英語等公共課程，而對專業(yè)課程的大班教學(xué)方法研究較少，因此本文針對“數(shù)字信號處理”這門專業(yè)課的大班教學(xué)方法進(jìn)行了一些探討。“數(shù)字信號處理”課程是通信工程、電子信息工程、信息工程、自動控制、測控儀器等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)知識應(yīng)用較多、物理意義不明顯，公式推導(dǎo)多，是學(xué)生普遍認(rèn)為較難學(xué)懂、理解的課程之一。本文針對大班教學(xué)環(huán)境特點，從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體方面出發(fā)，通過改善課堂效果，提高課堂上的學(xué)習(xí)效率，達(dá)到提升“數(shù)字信號處理”課程大班教學(xué)質(zhì)量的目的。
一、建立“學(xué)習(xí)共同體”教學(xué)模式
“學(xué)習(xí)共同體”是指由學(xué)習(xí)者及助學(xué)者（包括教師、專家、輔導(dǎo)員等）共同構(gòu)成的團(tuán)體。團(tuán)體成員在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常進(jìn)行溝通、交流，并分享各種學(xué)習(xí)資源，共同完成一定學(xué)習(xí)任務(wù)，形成相互影響、相互促進(jìn)的人際聯(lián)系。學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動構(gòu)建內(nèi)部心理表征的過程，學(xué)習(xí)過程需要與物和教材對話、與他人對話、與自己對話。為此，教師要在教學(xué)過程中給學(xué)生“自主學(xué)習(xí)的空間”，使學(xué)生針對任務(wù)或問題去思考、分析、理解、探究，和學(xué)生構(gòu)建“學(xué)習(xí)共同體”，增進(jìn)師生之間、學(xué)生之間的協(xié)作和互動，[4]將學(xué)習(xí)的主動權(quán)歸還給學(xué)習(xí)者，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)活動中教師負(fù)責(zé)“教”、學(xué)生負(fù)責(zé)“學(xué)”的單向活動回歸到師生互教、互學(xué)的雙向活動，師生關(guān)系不再是“管理者—被管理者”的關(guān)系，而是“民主平等”的關(guān)系。課堂上，教師不再是知識的主講者，而應(yīng)像主持人一樣，是知識的介紹者和串聯(lián)者，學(xué)生應(yīng)作為知識的“主講者”闡述其對知識的理解。只有理解“知識”，而不是死記硬背“知識”，才能應(yīng)用“知識”。譬如在講授傅里葉變換時，教師在課堂上可以先從周期信號的分解歷史開始介紹，從18世紀(jì)Euler、Lagrange等科學(xué)家對弦振動的分析（此內(nèi)容物理中有相應(yīng)實驗），19世紀(jì)Fourier給出了周期信號級數(shù)的展開和積分、Parseval關(guān)于時域和變域的能量守恒原理、Dirichlet給出的級數(shù)和積分條件、Gibbs闡述的吉布斯現(xiàn)象，到20世紀(jì)無線電的產(chǎn)生、Nyquist采樣定理、Wiener功率譜、Cooley&Tukey給出的FFT算法等。通過對傅里葉變換演變歷史的介紹，學(xué)生很容易接受將任意信號分解為三角函數(shù)或指數(shù)函數(shù)形式的必然性，進(jìn)而理解傅里葉變換的重要意義，掌握信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換過程。鼓勵學(xué)生利用強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)資源，對教師介紹的有關(guān)歷史進(jìn)行深一步的挖掘。在這個過程中，學(xué)生會對相關(guān)知識進(jìn)行初步學(xué)習(xí)，當(dāng)課堂上教師講解到相關(guān)知識點時，學(xué)生可以進(jìn)一步補(bǔ)充自己了解的內(nèi)容和對該知識點的理解。
大學(xué)工科專業(yè)課所講內(nèi)容本質(zhì)上是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識在工程實踐中的應(yīng)用，如何將這些基礎(chǔ)知識與工程實踐相結(jié)合是工程類本科學(xué)生必須掌握的技能，而只有理解這些基礎(chǔ)知識才能很好地應(yīng)用它們。英國著名哲學(xué)家和物理學(xué)家波蘭尼將人類的知識分為顯性知識和默會知識，其中默會知識本質(zhì)就是理解力，是一種領(lǐng)會進(jìn)而把握經(jīng)驗、重組經(jīng)驗，從而達(dá)到對它的理解和控制能力。相同的教師給同一批學(xué)生授課，但是每個學(xué)生的理解程度不一樣，這就是默會知識掌握程度不同。默會知識的獲得是與特定的問題或任務(wù)情景聯(lián)系在一起的，由于每個學(xué)生的理解方式都受其獨(dú)特的生活和文化環(huán)境影響，因此對相同問題的理解也是不一樣的。掌握默會知識的最好方法就是讓學(xué)生置身于知識所在的日常實踐情景和科學(xué)實踐情景中，通過參與專家、同伴的思考和行動過程而獲得那些不能明確表達(dá)的規(guī)范、準(zhǔn)則等。
為加強(qiáng)“數(shù)字信號處理”這門課的實踐性，嘗試將學(xué)生分為Flash課件制作組、MATLAB課件制作組，DSP程序編寫組等，讓學(xué)生將比較抽象的數(shù)字信號理論知識用自己的方式形象化表達(dá)出來，以判斷其對默會知識的掌握。通過小組合作，學(xué)生可以充分闡述自己的學(xué)術(shù)觀點，在觀點的碰撞中，觸發(fā)靈感，加強(qiáng)批判性思維，提升對所學(xué)知識的理解程度。
二、課堂效果的掌控
“學(xué)習(xí)共同體”的建立是要激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力，調(diào)動學(xué)習(xí)主動性，而課堂學(xué)習(xí)效率的提高可以達(dá)到事半功倍的效果。首先要建立統(tǒng)一、規(guī)范的課堂秩序，如上課不遲到、不早退，上課時不準(zhǔn)許使用手機(jī)、筆記本電腦等電子設(shè)備，不能無故大聲喧嘩，發(fā)言前要舉手示意教師等基本行為準(zhǔn)則。沒有規(guī)矩不成方圓，在確保課堂教學(xué)秩序的前提下，才能保證教學(xué)效果，要使學(xué)生清楚了解、理解這些行為規(guī)范，并自覺遵守執(zhí)行。其次，教師要利用語言表達(dá)能力和肢體語言吸引學(xué)生的注意力。教師的語言要簡潔、準(zhǔn)確、生動、富有邏輯性，可以通過聲調(diào)的變化強(qiáng)調(diào)所講知識點的重要性。由于采用多媒體教學(xué)，教師不用一直站在講臺上，可以到學(xué)生座位附近邊走邊講，這樣，不僅可以縮短師生之間的空間距離，還可以縮短師生之間的心理距離。當(dāng)教師走到學(xué)生身邊時，學(xué)生必定會將注意力轉(zhuǎn)移到教師身上，提高了其聽課的專注度。教師在教室內(nèi)的走動，還有利于隨時維護(hù)課堂秩序，并隨時得到課堂信息的反饋。
課堂秩序的規(guī)范不是要求學(xué)生沉默地聽，而是要保證正常的教學(xué)秩序，學(xué)生如果想要發(fā)表自己的見解，可以隨時舉手示意教師。教師鼓勵學(xué)生之間進(jìn)行討論，而教師則處于一種裁判的地位，負(fù)責(zé)給出結(jié)論和維持課堂秩序。這樣，在課堂教學(xué)中，教師不再始終處于主講地位，而是將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力。
三、“數(shù)字信號處理”課程的形象化教學(xué)
在文獻(xiàn)[5]、[6]中都提到了“數(shù)字信號處理”課程形象化教學(xué)方法，目的是更好地幫助學(xué)生建立起數(shù)學(xué)描述與物理概念、物理過程之間的聯(lián)系。因此在課堂上，教師要鼓勵學(xué)生將數(shù)學(xué)描述用圖形的方式表達(dá)出來。譬如在學(xué)完DFT的定義后，可以啟發(fā)學(xué)生將拉氏變換，連續(xù)時間信號傅里葉變換（FT）、序列傅里葉變換（DTFT）與離散傅里葉變換（DFT）在s平面、z平面上畫出來。雖然教材上有相關(guān)圖形，但是可以讓學(xué)生將這幾個圖形及模擬濾波器的頻率響應(yīng)、數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)繪制在一張紙上，如圖1所示。在圖1（a）中，虛軸上的拉氏變換對應(yīng)連續(xù)時間非周期信號的FT；當(dāng)時間信號為非周期序列時，進(jìn)行DTFT變換，那么z平面上（如圖1（b）所示）的單位圓對應(yīng)的是序列的FT，此時學(xué)生可以清晰地看出數(shù)字頻率仍然是連續(xù)的，但是具有了周期性質(zhì)，這種頻率連續(xù)的信號仍然不能用數(shù)字處理芯片進(jìn)行處理，因此要在單位圓上進(jìn)一步將連續(xù)的進(jìn)行離散，如圖1（c）所示，將單位圓N等分，即，可清楚表明DFT的概念。在解釋圖1（d）（e）時，重點強(qiáng)調(diào)模擬濾波器的角頻率范圍是，而數(shù)字濾波器的數(shù)字角頻率是周期性的，只研究這一個周期就可以。
在課堂講授中，多媒體教學(xué)能將抽象、生澀的知識形象化、直觀化，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中粉筆加黑板的單一、呆板的表現(xiàn)形式。在多媒體教學(xué)上，可以將PPT、flash和MATLAB綜合在一起應(yīng)用。例如，在講解卷積、圓周卷積等概念時，由PPT給出相應(yīng)概念與公式，用flash展現(xiàn)2個序列做卷積、圓周卷積的過程。將圓周卷積中的移動序列做成一條貪吃蛇的形狀，學(xué)生們看了之后，對圓周卷積有了一種直觀的認(rèn)識，對其原理的理解也更透徹。此外，多媒體教學(xué)信息量大，可以提高課堂的教學(xué)效率。但是，對于“數(shù)字信號處理”這類理論較強(qiáng)的課程，單純使用多媒體教學(xué)，效果往往不佳，譬如在推導(dǎo)一些定理、公式時，推導(dǎo)過程直接呈現(xiàn)在PPT上，學(xué)生一眼掃過，導(dǎo)致思路跟不上（或也不愿意思考），理解不透徹，此時還是傳統(tǒng)的板書效果更佳。在授課中，將知識的重點、難點及重要公式的推導(dǎo)由板書的形式呈現(xiàn)出來，方便學(xué)生記筆記，有利于學(xué)生日后對資料的整理和復(fù)習(xí)工作。
四、小結(jié)
“數(shù)字信號處理”是一門理論強(qiáng)、公式多、難理解的課程，在大班教學(xué)環(huán)境學(xué)下，如果學(xué)生不積極參與到教學(xué)活動中，則教學(xué)效果不佳。通過推行“學(xué)習(xí)共同體”思想，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在主動性，通過形象化教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的外在興趣點，以達(dá)到學(xué)好、學(xué)透“數(shù)字信號處理”這門課的目的。
參考文獻(xiàn)：
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[2]劉曉利.“特朗普制”教學(xué)模式與大班課堂教學(xué)的控制[J].計算機(jī)教育，2011，（12）：59-61.
[3]于化新，劉慧慧，謝鑫.大班教學(xué)問題與策略的探討[J].當(dāng)代教育論壇，2011，（6）.
[4]薛煥玉.對學(xué)習(xí)共同體理論與實踐的初探[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2007，（1）.
一、招生人數(shù)
學(xué)院2016年計劃招收博士研究生46名，實際招生人數(shù)以總部下達(dá)計劃為準(zhǔn)。
二、報考條件
我院博士研究生只面向現(xiàn)役軍人招生，報考2016年博士研究生應(yīng)當(dāng)具備以下條件：
1、品德優(yōu)良，遵紀(jì)守法，立志獻(xiàn)身國防事業(yè)；未受過紀(jì)律處分。
2、軍隊在職干部按師（旅）級單位推薦、軍級單位政治部審批、軍區(qū)級單位政治部干部部門核準(zhǔn)、總政治部干部部備案的程序進(jìn)行審批，由師（旅）級單位干部部門開具介紹信。軍隊院校應(yīng)屆碩士畢業(yè)生經(jīng)所在院校政治機(jī)關(guān)審批同意。
3、身體健康，體能達(dá)標(biāo)，年齡不超過40周歲（1976年9月1日以后出生）。
4、在職干部須獲得碩士學(xué)位，其中本院在職干部報考工學(xué)博士須有被SCI或EI收錄的以第一作者發(fā)表的學(xué)術(shù)論文；應(yīng)屆碩士畢業(yè)生須完成學(xué)位論文初稿，在中文核心期刊（含錄用通知）或國際會議發(fā)表2篇以上學(xué)術(shù)論文。
5、有兩名與報考學(xué)科相關(guān)的高職人員推薦。
三、報名手續(xù)
考生持公民身份證和軍官證（學(xué)員證）于2015年9月20日至30日到學(xué)院教學(xué)實驗綜合樓研究生招生辦公室（1127室）報名，外地考生可函報。報名時應(yīng)提交：
1、填制完畢的《2016年報考攻讀博士學(xué)位研究生登記表》和《報考軍隊院校研究生政治審查表》（9月1日后，院內(nèi)考生可從學(xué)院研究生處網(wǎng)站下載；院外考生可來電索要）。
2、已獲碩士學(xué)位者，提交碩士課程成績單、碩士學(xué)位論文及評閱意見書復(fù)印件；應(yīng)屆碩士畢業(yè)生提交碩士課程成績單、碩士學(xué)位論文初稿、已發(fā)表學(xué)術(shù)論文版權(quán)頁或錄用通知。
3、碩士學(xué)歷、學(xué)位證書原件及復(fù)印件(應(yīng)屆生于獲得證書后補(bǔ)交)。
4、檔案所在師（旅）級單位干部部門同意報考的證明信。
5、一寸正面半身免冠照片3張，報名費(fèi)300元。
上述手續(xù)齊備，審查合格者發(fā)放準(zhǔn)考通知，考生可于10月9日到研招辦領(lǐng)取《準(zhǔn)考證》。
四、考試安排
博士研究生入學(xué)考試總分值為600分，包括六項內(nèi)容：英語筆試、數(shù)學(xué)筆試、科研學(xué)術(shù)成果計分、碩士學(xué)位論文評分、專業(yè)綜合面試、綜合素質(zhì)面試，每項內(nèi)容滿分100分。
考試時間擬定于2015年10月11至12日，考試地點和具體安排詳見《準(zhǔn)考證》。
五、其他
1、考生可于2015年11月初查詢錄取情況，入學(xué)時間為2016年3月份（詳見通知書）。
2、我院提供部分往年考試試題，考生可登錄學(xué)院研究生處網(wǎng)站下載。
六、聯(lián)系方式
聯(lián)系人：譚繼帥（參謀） 手機(jī)：13831189507座機(jī)：0311-87992123（地）；0221-92123（軍）
E-mail：tanjishuai@126.com 通信地址：河北省石家莊市和平西路97號研究生招生辦公室（050003）
招生專業(yè)目錄
專業(yè)代碼、名稱及研究方向
導(dǎo)師
專業(yè)綜合（面試）
數(shù)學(xué)（筆試）
080200機(jī)械工程
01機(jī)械性能檢測與診斷
張英堂
測試技術(shù)與信號處理
矩陣?yán)碚?/p>
02地面運(yùn)載平臺維修理論與技術(shù)
張培林
狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷技術(shù)
03機(jī)械振動與沖擊防護(hù)
白鴻柏
振動理論
04機(jī)電液集成系統(tǒng)控制技術(shù)
何忠波
車輛工程
05機(jī)械制造及其自動化
倪新華
斷裂力學(xué)
080300光學(xué)工程
01軍用光電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用
劉秉琦
陳志斌
應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)、光電測試技術(shù)
矩陣?yán)碚?/p>
02激光技術(shù)
沈?qū)W舉
激光原理及應(yīng)用
03光學(xué)信息安全
光學(xué)信息技術(shù)原理與應(yīng)用、光學(xué)信息安全
04微納光學(xué)
汪岳峰
光電子技術(shù)
080402測試計量技術(shù)及儀器
01測試性設(shè)計與分析
黃考利
測試技術(shù)
矩陣?yán)碚?/p>
02精密儀器與微系統(tǒng)
王廣龍
03裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)測
李洪儒
測試與診斷技術(shù)
矩陣?yán)碚摶驊?yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
04網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)
王 韜
計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
081100控制科學(xué)與工程
01裝備測試與故障診斷
尚朝軒
測試與診斷
矩陣?yán)碚摶驊?yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
02火力與指揮控制理論及應(yīng)用
全厚德
孫世宇
數(shù)字信號處理
矩陣?yán)碚?/p>
03武器系統(tǒng)建模與仿真
朱元昌
系統(tǒng)仿真
04電子裝備自動測試、故障診斷及可靠性
蔡金燕
測試與診斷
05目標(biāo)識別與信息處理技術(shù)
王春平
圖像工程
06精確制導(dǎo)理論與技術(shù)
楊鎖昌
精確制導(dǎo)、控制與仿真技術(shù)
07無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)
陳自力
線性系統(tǒng)理論、數(shù)字信號處理
08目標(biāo)探測與識別
馬彥恒
數(shù)字信號處理、現(xiàn)代控制理論
09飛行器控制
齊曉慧
線性系統(tǒng)理論
10無人機(jī)協(xié)同控制
李小民
現(xiàn)代飛行控制理論、導(dǎo)航控制技術(shù)
11無人機(jī)信息處理與傳輸技術(shù)
王長龍
數(shù)字信號處理
12非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制
徐 瑞
動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論
082600兵器科學(xué)與技術(shù)
01裝備輕量化技術(shù)
鄭 堅
火炮與自動武器原理、材料學(xué)
應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
02兵器試驗理論與技術(shù)
秦俊奇
火炮專業(yè)相關(guān)理論
矩陣?yán)碚?/p>
03裝備維修理論與技術(shù)
陶鳳和
火炮與自動武器原理、現(xiàn)代機(jī)械測試技術(shù)
04兵器性能檢測與診斷技術(shù)
房立清
機(jī)械裝備故障診斷與預(yù)測、武器系統(tǒng)裝備知識
應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
馮廣斌
火炮與自動武器原理、工程信號處理、現(xiàn)代機(jī)械測試技術(shù)
矩陣?yán)碚?/p>
05兵器結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論與應(yīng)用
王瑞林
槍炮設(shè)計原理、振動理論、電磁場理論
06武器系統(tǒng)仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)
馬吉勝
振動理論、動力學(xué)仿真
07彈道學(xué)理論及應(yīng)用
宋衛(wèi)東
彈道學(xué)理論、制導(dǎo)理論與技術(shù)
08彈道修正理論與技術(shù)
彈道學(xué)、自動控制與導(dǎo)彈設(shè)計理論
矩陣?yán)碚摶驊?yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
09兵器性能檢測與故障診斷
唐力偉
振動理論
10兵器新材料技術(shù)
王建江
材料學(xué)
應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
11彈藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗評估
高欣寶
系統(tǒng)仿真技術(shù)及其在信息化彈藥工程中的應(yīng)用
矩陣?yán)碚?/p>
羅興柏
爆炸及其防護(hù)技術(shù)在彈藥保障中的應(yīng)用
12彈藥保障與安全技術(shù)
安振濤
炸藥理論、彈藥保障及安全風(fēng)險評估
穆希輝
彈藥保障
矩陣?yán)碚摶驊?yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
13信息感知與控制技術(shù)
齊杏林
彈藥引信論證、設(shè)計、試驗及評估理論與技術(shù)
14防護(hù)材料與特種能源技術(shù)
杜仕國
防護(hù)材料與特種能源技術(shù)及其在彈藥工程中的應(yīng)用
矩陣?yán)碚?/p>
15電磁發(fā)射理論與技術(shù)
雷 彬
電磁場理論、測試技術(shù)
16武器系統(tǒng)建模與仿真
蘇群星
武器系統(tǒng)仿真與模擬器設(shè)計
17紅外圖像末制導(dǎo)技術(shù)
高 敏
彈道學(xué)、自動控制與導(dǎo)彈設(shè)計理論
矩陣?yán)碚摶驊?yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
18裝備維修保障理論與技術(shù)
賈希勝
石 全
康建設(shè)
趙建民
可靠性、維修性、維修工程
應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
朱小冬
可靠性、維修性、維修工程、建模與仿真
矩陣?yán)碚摶驊?yīng)用數(shù)理統(tǒng)計
19裝備維修性理論與應(yīng)用
郝建平
可靠性、維修性、維修工程、虛擬仿真
20電磁防護(hù)理論與技術(shù)
劉尚合
魏光輝
電磁場理論、微波與天線
矩陣?yán)碚?/p>
王慶國
大學(xué)物理、有機(jī)化學(xué)、固體物理、電磁場理論
譚志良
電子技術(shù)基礎(chǔ)、通信原理、微波與天線
21脈沖電磁場測試技術(shù)
朱長青
電路分析、電磁場理論和微波技術(shù)、數(shù)電模電
110900軍事裝備學(xué)
01裝備保障信息化
盧 昱
網(wǎng)絡(luò)信息安全保障
軍事運(yùn)籌學(xué)
02裝備保障理論與應(yīng)用
石 全
軍事裝備學(xué)、戰(zhàn)役基本理論
應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計或軍事運(yùn)籌學(xué)
于永利
可靠性、維修性、維修工程、建模與仿真
軍事運(yùn)籌學(xué)
柏彥奇
高 崎
關(guān)鍵詞：電磁矢量，非圓信號，DOA，估計方法
1 緒論
1.1課題背景波達(dá)方向（Direction Of Arrival，DOA）估計（常稱為DOA估計）是陣列信號處理領(lǐng)域內(nèi)的主要研究方向之一。論文格式。陣列信號處理[1]是近幾十年來綜合陣列理論和數(shù)字信號處理理論與技術(shù)而發(fā)展起來的一門學(xué)科分支。它是將一組傳感器在空間的不同位置上按一定規(guī)則布置形成的傳感器陣列。盡管采用的傳感器類型可以不同，如天線、水聽器、聽地器、超聲探頭、X射線檢測器，但是傳感器陣列的功能是相同的，它是連信號處理器和感興趣的空間的紐帶，用傳感器陣列接收空間信號，獲得信號源的空間觀測數(shù)據(jù)并加以處理。陣列信號的處理目的是從這些觀測數(shù)據(jù)中提取信號場的有用特征，獲取信號源的屬性等信息。近些年，隨著微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、并行處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，陣列信號處理的理論和實際應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。
盡管空間譜估計的理論與技術(shù)日益成熟，但是需要或者值得研究的方向仍然很多。譬如近幾年來，如何利用非圓信號(non-circularsi gnals)的特征來提高算法估計性能己經(jīng)成為信號處理理論界的一個研究熱點。
1.2對非圓信號的研究意義對非圓信號的研究有著現(xiàn)實意義，一方面，非圓信號是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中常用信號;另一方面，在實際應(yīng)用場合中經(jīng)常會遇到由于用戶的高密集性而使得陣列的接收信號數(shù)要遠(yuǎn)大于陣元數(shù)的情況，并且為了處理的實時性，不可能獲得很多的快拍數(shù)。因此研究處理信號個數(shù)多、運(yùn)算量小的算法顯得尤為迫切。
2 電磁矢量傳感器陣列非圓信號模型2.1電磁矢量傳感器輸出信號模型電磁矢量傳感器由于其獨(dú)特的同點極化分集接收能力，使得隱含于信號結(jié)構(gòu)中的微觀信息得到充分利用，受到了人們的廣泛關(guān)注。電磁矢量傳感器[3]陣列是一種極化敏感陣列，由若干個相同形式的電磁矢量傳感器組成。每個電磁矢量傳感器又可視為一個6元子陣，由相位中心重合的三個正交電偶極子和三個正交磁偶極子組成，可以同時感應(yīng)入射電磁信號的3個電場分量和相應(yīng)的3個磁場分量。
2.2電磁矢量傳感器陣列流行矢量特點關(guān)于電磁矢量傳感器的陣列流形矢量有幾個重要的特點。首先單個矢量傳感器測量產(chǎn)生一個6×1維的導(dǎo)向矢量，因此，單個矢量傳感器本身能夠等效表示一個六元陣列。第二，矢量傳感器的陣列流形沒有時間延遲相位，也就是說矢量傳感器陣列流形矢量不同于空間平移陣列，單電磁矢量傳感器的導(dǎo)向矢量與空間抽樣間隔以及入射信號的頻率無關(guān)，這種頻率無關(guān)性是由于組成矢量傳感器的六個分量傳感器在空間同點放置。論文格式。第三，電磁矢量傳感器陣列流形矢量是極化敏感的；這就意味著具有相同DOA方向但是有不同極化狀態(tài)的信號有不同的陣列流形矢量，因而可以基于他們的極化分集區(qū)分開來。第四，任意寬帶或者窄帶電磁波信號的電場矢量和磁場矢量相互正交，并且正交于信號的歸一化玻印廷矢量，信號單位傳播矢量的三個分量是沿著笛卡爾坐標(biāo)的三個方向余弦。
3 改進(jìn)的非圓信號DOA估計方法3.1相干源的分辨問題在實際情況中，常由于多徑傳輸或人為干擾的影響，陣列有時會收到來自不同方向上的相干信號，相干信號會導(dǎo)致接收信號協(xié)方差矩陣的秩虧損，從而使得信號子空間“擴(kuò)散”到噪聲子空間中去。因此，MUSIC算法[2]的空間譜搜索就無法在波達(dá)方向上產(chǎn)生譜峰；ESPRIT算法也會由于秩虧損而無法求解出正確的來波方向。相干源的問題要從解決矩陣的秩虧損入手。論文格式。當(dāng)個信號非相干時，一次快拍得到的是個信號線性組合的陣列向量，其協(xié)方差矩陣具有秩為的信號子空間。如果個信號中有兩個相干，即這兩個信號的相位關(guān)系保持不變，再多的快拍數(shù)也只能得到個非線性相關(guān)的陣列向量，使信號子空間的秩降為，也就是產(chǎn)生了秩虧損。
由以上分析可知，在相干信號源情況下正確估計信號方向（稱為解相干或去相干）的核心問題是如何通過一系列有效變換使得信號協(xié)方差矩陣的秩得到有效恢復(fù)，從而正確估計信號源的方向。本章將考慮基于電磁矢量陣列的非圓信號DOA估計問題，提出一種廣義相位平滑算法，這種方法不僅可以提高非圓信號的DOA估計精度，還可以有效處理相干信號的估計問題。
3.2廣義相位平滑MUSIC與MUSIC算法比較廣義相位平滑算法能較好的對兩個相干非圓信號解相干。不僅如此，廣義直接相位平滑算法和廣義平方相位平滑算法還可以對非相干非圓信號DOA估計精度有明顯的改進(jìn)。
下面將通過仿真來比較這三種算法的性能。仿真中采用電磁矢量傳感器均勻線陣，由6個指向相同的電磁矢量傳感器組成，陣元間距為半波長。通過第2節(jié)電磁矢量傳感器輸出信號模型的建立和電磁矢量傳感器陣列流行矢量的特點分析進(jìn)行比較。比較步驟如下：
1.通過計算信噪比與均方角度誤差的關(guān)系，信號為三個非相干的BPSK窄帶信號，入射角度為、和，初始相位為、和，極化狀態(tài)為、和，快拍數(shù)為200，所給結(jié)果為200次獨(dú)立實驗的平均；
2.快拍數(shù)與均方角度誤差的關(guān)系，信號步驟1相同，信噪比為-5dB；
3.在步驟1的基礎(chǔ)上將信號入射角度變?yōu)椤⒑停?/p>
4.在步驟2的基礎(chǔ)上將信號入射角度變?yōu)椤⒑汀?/p>
通過比較，結(jié)果表明，在低信噪比和短快拍數(shù)兩種困難條件下廣義相位平滑算法對非相干的線極化非圓信號DOA估計精度有明顯的改善作用。
4 .總結(jié)本文主要研究了非圓信號的定義與性質(zhì)；基于電磁矢量陣列的非圓信號DOA估計的數(shù)學(xué)模型；研究了一種改進(jìn)的非圓信號DOA估計方法，即廣義相位平滑算法，并把它推廣到電磁矢量陣列。從而提高參數(shù)估計性能并且能估計多于陣元個數(shù)的信號。同時，廣義直接相位平滑算法和廣義平方相位平滑算法不僅可以很好的對兩個相干的非圓信號解相干，還對非相干的非圓信號DOA估計精度有明顯的改善作用。
【參考文獻(xiàn)】
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關(guān)鍵詞：雙語教學(xué)；師生互動；調(diào)查研究
評價教學(xué)改革的措施及成果，最為有效的辦法是社會調(diào)查，既對在學(xué)的學(xué)生作調(diào)查，也對已畢業(yè)的學(xué)生作調(diào)查，統(tǒng)計和分析調(diào)查的結(jié)果，作為我們進(jìn)行教學(xué)改革的重要依據(jù)。我們從開始設(shè)計“數(shù)字信號處理”課程雙語教學(xué)的改革起，就密切關(guān)注學(xué)生的反應(yīng)，認(rèn)真、切實地與同學(xué)們互動，并將這樣的互動貫徹教學(xué)和改革的始終。
一、基本情況
“數(shù)字信號處理”課是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。隨著數(shù)字化和信息化的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理的地位和作用越來越突出，新的算法層出不窮，有關(guān)的器件更是新品迭出，令人目不暇接。無庸諱言，新的算法和新的器件主要來自國外，有關(guān)的文獻(xiàn)和器件手冊，基本上都是用英文撰寫。
這就要求在本領(lǐng)域從事教育、研究、開發(fā)的工作人員，能夠用英文熟練地檢索、閱讀、理解有關(guān)的理論、方法、算法以及各種器件的使用手冊，并能用英文嫻熟地撰寫比較地道的學(xué)術(shù)論文、技術(shù)報告和文檔。還可以與國內(nèi)外的同行自由地進(jìn)行交流。
我們的英語課程占用學(xué)生的時間和精力太多而效果不佳，效率低下。數(shù)字信號處理課程的理論性很強(qiáng)，學(xué)好實屬不易。但是，課程組認(rèn)為，我們的思考和改革還應(yīng)該有更豐富的含義。
長期的應(yīng)試教育給我國教育造成的后果是嚴(yán)重的。相當(dāng)一部分學(xué)生只關(guān)心考試及成績，不能主動地、有意識地自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)與提高自己的學(xué)習(xí)能力。
更為嚴(yán)重的是，我們的課程教學(xué)中普遍采用的滿堂灌輸?shù)慕虒W(xué)方式，與世界一流大學(xué)的引導(dǎo)式、啟發(fā)式、互動的研究型教學(xué)思想和方法之間，存在較大的差距。
有鑒于此，我們響應(yīng)教育部關(guān)于積極采用國外優(yōu)秀原版教材和積極推廣使用現(xiàn)代化教育手段的要求，對該課程進(jìn)行了重大的改革。
我們認(rèn)真地關(guān)注著有關(guān)雙語教學(xué)的各種討論和爭論。作為工作在教學(xué)第一線的教師，我們沒有可能更多地參與教育理論的討論，而是希望通過自己的認(rèn)真實踐和不斷總結(jié)，使我們的課程上得好一點，使學(xué)生的收獲大一點，使他們在日后的學(xué)習(xí)和工作里更順利一點。
因此，我們進(jìn)行雙語教學(xué)的原則是積極、慎重、實事求是。
我們?yōu)殡p語教學(xué)所設(shè)定的主要目標(biāo)是：
(1)盡可能讓學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的意識和習(xí)慣。
(2)讓學(xué)生將英語作為工具來使用，而不是作為一個科目來學(xué)習(xí)，能夠熟練地閱讀、思考、理解英語原版教材和電子教案，用英語完成作業(yè)與試卷；能適應(yīng)英語授課和討論，與老師及同學(xué)流暢地交流。
(3)建設(shè)一支高水平的雙語教師隊伍，既有高的學(xué)術(shù)造詣，又有高的教學(xué)水準(zhǔn)，還有高的雙語教學(xué)能力。
(4)研究雙語教學(xué)過程中教與學(xué)雙方出現(xiàn)的各種問題，并尋求解決的思路和途徑。
提高教學(xué)質(zhì)量必須從“教”和“學(xué)”兩方面進(jìn)行改革。我們依托國家精品課程“數(shù)字信號處理”，對雙語教學(xué)模式和課程的考核方式進(jìn)行改革，在已有的實踐基礎(chǔ)上，不斷根據(jù)新的教學(xué)實踐認(rèn)真研究和總結(jié)，以評估改革的效果，明確進(jìn)一步改革的方向。
對已經(jīng)進(jìn)行的五輪教學(xué)實踐作認(rèn)真的總結(jié)和研究，獲得有益的經(jīng)驗和失敗的教訓(xùn)。
加強(qiáng)和既往學(xué)生的聯(lián)系，特別是已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生，他們后來繼續(xù)學(xué)習(xí)和工作的體驗，彌足珍貴。
進(jìn)一步加強(qiáng)與在學(xué)學(xué)生的交流，既認(rèn)真聽取他們的意見和建議，也對他們的學(xué)習(xí)加以引導(dǎo)。繼續(xù)進(jìn)行學(xué)生的問卷調(diào)查，不間斷地積累資料，并進(jìn)行分析和研究。認(rèn)真研究國內(nèi)外著名大學(xué)同類課程的建設(shè)和發(fā)展，認(rèn)真加以借鑒。
二、課前和課中的互動
按照教學(xué)計劃，我們的課程在大三上開出。在大二下的暑假前，我們總會召開一個課程介紹會，由學(xué)生科負(fù)責(zé)組織，全體同學(xué)和課程組的全體老師參加。在會上，首先介紹課程的基本情況和特色，然后向同學(xué)們介紹全體任課教師及其特點。比如，哪些老師主要用英語授課，哪些老師的中文講得要多一點；哪些老師講得提綱一點，要求同學(xué)的自學(xué)能力要強(qiáng)一些，哪些老師講得細(xì)一點；等等。這樣做，有助于同學(xué)選課時針對性強(qiáng)一些，不至于盲目。還要向同學(xué)們介紹選用的外版教材和主要的參考書，提醒大家可以在高年級同學(xué)畢業(yè)時，購買二手教材，以減輕學(xué)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。同學(xué)們從先修雙語課程的高年級同學(xué)處，都會得到一些經(jīng)驗和教訓(xùn)。我們也會認(rèn)真聽取大家的意見和建議，并解答他們的一些疑問。
開課后的兩周內(nèi)，允許同學(xué)根據(jù)自己的感受，在不同老師的授課班間流動。
在授課中，我們要舉行“教學(xué)公開日”活動，邀請有興趣的同學(xué)參加，就課程進(jìn)行中教師和學(xué)生雙方的問題進(jìn)行交流和討論。
至于課堂上教學(xué)活動中的互動，則是各位老師自行掌握的事情，不在本文的討論范圍。
三、課后的調(diào)查及結(jié)果分析
從2001年雙語教學(xué)改革開始，我們就堅持每輪課程結(jié)束后，對全體學(xué)生進(jìn)行匿名的問卷調(diào)查，數(shù)百學(xué)生就數(shù)十個問題的選擇，對我們了解學(xué)生的感受和想法，意義重大迄今所進(jìn)行過的五輪調(diào)查及其統(tǒng)計結(jié)果，成了我們的寶貴財富。以下是一些重要問題的調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)果。
1、問卷調(diào)查的結(jié)果表明：
(1)贊成使用國外原版教材的學(xué)生，達(dá)到7成到8成。這和學(xué)生們體會到就業(yè)的國際化環(huán)境密切相關(guān)，也和本課程的先修課程“信號與系統(tǒng)”也采用了原版教材密切相關(guān)。
(2)贊成使用英語授課，或基本使用英語授課加部分中文解釋者，占到學(xué)生總數(shù)的5成到6成。近2／3的學(xué)生接受了這樣的雙語教學(xué)方式，我們有理由為教師和學(xué)生的進(jìn)步而感到高興。
2、原則上贊成使用原版教材的學(xué)生盡管有7成到8成，但具體到所使用的教材，認(rèn)為很好和比較好者都只占6成到7成，聯(lián)系到只用英語教材或其他英語參考書者，五個年級都只占3成到4成，其他同學(xué)同時在使用中文參考書，說明：
(1)學(xué)生閱讀和理解原版教材的能力尚待提高。
(2)不適應(yīng)使用原版教材和中文教材學(xué)習(xí)上的差別。習(xí)慣于老師按照教材逐章逐節(jié)講得很細(xì)，下課后基本不復(fù)習(xí)或略為復(fù)習(xí)就可以做作業(yè)了。而英文教材容量很大，不可能都講到，也不可能講得很細(xì)，需要學(xué)生下課后認(rèn)真讀書，自己去仔細(xì)地體會。這可能是學(xué)生不習(xí)慣原版教材的主要原因。學(xué)生在各種座談會上也同意這樣的分析。
3、我們認(rèn)為，這已經(jīng)不僅僅是雙語教學(xué)的問題，應(yīng)該理解為教與學(xué)雙方的理念上的問題。據(jù)了解，國外使用同樣教材的大學(xué)，所用的授課學(xué)時，要比我們少得多。我們選用原版教材的初衷，就是要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真地讀書，
主動地學(xué)習(xí)，從而提高自主學(xué)習(xí)的能力。我們的初衷和理念并沒有改變，但任務(wù)比我們設(shè)想的要艱巨得多，需要我們付出更多的努力，更好地與學(xué)生溝通，給予更有力的引導(dǎo)和讀書指導(dǎo)。
4、我們積極地采用現(xiàn)代教育技術(shù)來提高教學(xué)效率。但是，現(xiàn)代教育技術(shù)本身僅僅是一種手段，而不是目的。
(1)在自教學(xué)實踐中，我們充分體會到，如何有效地利用這些手段來達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、改善教學(xué)效果的目的，還需要認(rèn)真地總結(jié)、反復(fù)地實踐以及教師和學(xué)生之間的相互理解和良好的配合。
(2)尤其是使用電子教案進(jìn)行課堂教學(xué)時，必須注意一些重要的問題。
(3)認(rèn)為電子教案做得好和比較好的學(xué)生，從2000級的5成，提高到2001級的6成和2002、2003級的近7成，再到2004級的過8成。說明我們的電子教案不斷在改善，學(xué)生也在不斷地適應(yīng)。但是，我們還是不斷地強(qiáng)調(diào)花大力氣改善。這涉及教師對教學(xué)大綱和教材的理解、電子教案的制作、使用電子教案教學(xué)的表達(dá)方式、電子教案與板書的配合、學(xué)生對使用電子教案教學(xué)的適應(yīng)等多方面的問題。
(4)使用電子教案教學(xué)的節(jié)奏，尤其值得注意。2000和2001兩個年級都只有不到一半的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)在的節(jié)奏合適，同樣多的學(xué)生認(rèn)為節(jié)奏太快。經(jīng)過教師經(jīng)驗的積累和學(xué)生的適應(yīng)，2002、2003以及2004級已有6～7成的學(xué)生認(rèn)為節(jié)奏合適，3成的學(xué)生還是認(rèn)為太快。聯(lián)系到只有1／4的學(xué)生作詳細(xì)筆記，4成的學(xué)生只作提綱式的筆記等現(xiàn)象，節(jié)奏仍然是教師和學(xué)生都關(guān)注的問題，成為教學(xué)成功與否的關(guān)鍵因素之一。只有通過更多的實踐、總結(jié)，以及與學(xué)生更好的溝通，來逐步地加以解決。
5、也有不少同學(xué)反饋的意見是負(fù)面的，甚至是相當(dāng)負(fù)面的。2000和2001級有10％左右的學(xué)生認(rèn)為，根本不應(yīng)該使用原版教材和雙語教學(xué)，我們所作的所謂改革是完全失敗的。2002級和2003級的該比例降到4％～5％，2004級降到3％。
四、對已經(jīng)畢業(yè)學(xué)生的調(diào)查及結(jié)果分析
2006年暑假，我們在學(xué)生科的配合下，對已經(jīng)本科畢業(yè)參加過本課程雙語教學(xué)活動的2000和2001級的400余名同學(xué)，就他們本科期間接受雙語教學(xué)的感受，進(jìn)行了一次大型的匿名問卷調(diào)查。調(diào)查對象分為在讀研究生(包括在本校讀研和在外校讀研)和參加工作兩部分。共發(fā)出調(diào)查問卷416份，回收有效問卷389份，有效率為93.5％。2000級回收有效問卷205份，其中在讀研究生63份，占30.7％，參加工作者142份，占69.3％。2001級回收有效問卷184份，其中在讀研究生56份，占30.4％，參加工作者128份，占69.6％。從這些有效問卷里，我們得到了一些很有意義的統(tǒng)計結(jié)果。以下是主要的調(diào)查問題的統(tǒng)計結(jié)果。
1、兩個年級的統(tǒng)計數(shù)據(jù)非常接近，而且都是基于200 左右的樣本的統(tǒng)計結(jié)果。可以認(rèn)為，統(tǒng)計數(shù)據(jù)是平穩(wěn)而可信的。
2、86％以上的畢業(yè)生贊成我們使用的雙語教學(xué)，87％以上的畢業(yè)生認(rèn)可我們選擇的原版教材。既超出了在校學(xué)生的認(rèn)可程度，也超出了我們的預(yù)期，給我們以很大的鼓舞。
3、對目前工作的幫助可以作再細(xì)的分析，因為和他們從事的工作密切相關(guān)：
(1)在讀研究生，認(rèn)為幫助很大和比較大者，達(dá)到80％～90％。
系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前電壓型可逆變流器控制策略的發(fā)展概況，并對其詳細(xì)分類研究。在比較各種控制方案優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上最終確定了以電流d-q變換結(jié)合滑模控制作為本課題的控制策略。
詳細(xì)闡述了電壓型可逆變流器的數(shù)學(xué)模型，包括通用數(shù)學(xué)模型、d-q變換大信號數(shù)學(xué)模型、以及d-q變換小信號數(shù)學(xué)模型。根據(jù)d-q變換大信號數(shù)學(xué)模型建立了系統(tǒng)的電流環(huán)。結(jié)合d-q變換小信號數(shù)學(xué)模型設(shè)計了電壓環(huán)以及電壓環(huán)的滑模控制器。
確定了電壓空間矢量(SVPWM)作為開關(guān)控制策略。詳細(xì)闡述了其基本原理。基于MATLAB對其進(jìn)行了仿真研究。針對可逆變流器使用常規(guī)的PID控制對系統(tǒng)參數(shù)變化的較為敏感性，電壓環(huán)采用了滑模變結(jié)構(gòu)控制以期得到改善。基于MATLAB仿真軟件完成了系統(tǒng)的忽略高次諧波、不忽略高次諧波下的SPWM、SVPWM的閉環(huán)系統(tǒng)仿真。
針對單片機(jī)控制系統(tǒng)的計算速度慢，實時性控制較差，因此本課題采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F240來控制系統(tǒng)，以期提高計算速度。
根據(jù)本課題的控制方案，設(shè)計了系統(tǒng)軟件流程，編寫了系統(tǒng)的電流電壓雙閉環(huán)程序。基于TMS320F240發(fā)出開關(guān)頻率fs =900Hz的空間矢量波形。理論上的分析結(jié)合實踐過程完成了系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)實驗，驗證了控制方案的可行性。
本課題獲得河北省教委科技基金支持，是國家自然科學(xué)基金的后續(xù)課題，對解決電網(wǎng)諧波污染，提倡綠色用電有著重大的經(jīng)濟(jì)價值和理論上的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 功率因數(shù)校正；可逆變流器；滑模變結(jié)構(gòu)控制；空間矢量；數(shù)字信號處理器
Abstract
Development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. Control strategy is studied in detail. Direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.
Mathematics mode is set forth detailedly， including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. The system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. The voltage loop and its SMC are designed according to d-q change small signal mathematics model.
Space vector PWM is regarded as switch control strategy .Its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on MATLAB. Voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional PID control， which is sensitive to system parameter. Close loop system simulation of SPWM and SVPWM is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on MATLAB.
Because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly， digital signal processor TMS320F240 of TI Company is adopted to improve the calculation speed.
Flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. The double close loop program of current and voltage is complied. SVPWM wave of switch frequency (900Hz) is emitted based on TMS320F240.Open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process， validating feasibility of control strategy.
This paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province HeBei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.
Keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor
目 錄
摘要……………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論…………………………………………………………………1
1.1 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展概況………………………………………1
1.1.1 單個三相PFC電路………………………………………………2
1.1.2 電流斷續(xù)狀態(tài)下三相單開關(guān)變換器……………………………3
1.1.3 電流斷續(xù)狀態(tài)下的三相升壓變換器……………………………4
1.1.4 電流連續(xù)狀態(tài)下三相升壓變換器………………………………4
1.1.5 三相降壓整流器…………………………………………………5
1.2 電壓型可逆變流器的開關(guān)控制策略…………………………………5
1.3 電壓型可逆變流器的控制方案………………………………………6
1.3.1 間接電流控制……………………………………………………6
1.3.2 直接電流控制……………………………………………………7
1.4 可逆變流器控制策略的新發(fā)展………………………………………9
1.4.1 單周控制…………………………………………………………10
1.4.2 占空比控制………………………………………………………10
1.4.3 基于Lyapunov非線性大信號方法控制………………………10
1.4.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制………………………………………10
1.4.5 雙電流控制………………………………………………………11
1.4.6 輸出直流電壓的優(yōu)化前饋補(bǔ)償控制……………………………11
1.5 本課題工作…………………………………………………………11
第2章 可逆變流器控制方案及數(shù)學(xué)模型…………………………13
2.1 可逆變流器數(shù)學(xué)模型概述…………………………………………13
2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………………13
2.2.1 系統(tǒng)通用數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………14
2.2.2 系統(tǒng)d-q數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………16
2.2.3 系統(tǒng)小信號數(shù)學(xué)模型……………………………………………18
2.3 系統(tǒng)的控制方案……………………………………………………21
2.4 變流器電流環(huán)的設(shè)計………………………………………………22
2.5 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論………………………………………………25
2.5.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本問題……………………………………26
2.5.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本策略……………………………………26
2.5.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)………………………………27
2.6 滑模控制器及電壓環(huán)的設(shè)計………………………………………28
2.6.1 廣義控制對象的確定……………………………………………28
2.6.2 滑模控制器的改進(jìn)………………………………………………32
2.7 本章小結(jié)……………………………………………………………36
第3章 系統(tǒng)仿真研究……………………………………………………37
3.1 空間矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37
3.2 空間矢量的工作模式和時間的計算………………………………38
3.3 空間矢量調(diào)制比及其對系統(tǒng)的影響………………………………42
3.4 空間矢量的MATLAB仿真………………………………………43
3.5 控制系統(tǒng)仿真研究………………………………………………45
3.5.1 不忽略高次諧波下的總系統(tǒng)SPWM仿真……………………49
3.5.2 不忽略高次諧波下的總系統(tǒng)空間矢量仿真……………………50
3.6 本章小結(jié)……………………………………………………………52
第4章 基于DSP軟件實現(xiàn)……………………………………………53
4.1 TMS320F240的結(jié)構(gòu)與匯編原理……………………………………53
4.2 TMS320F240的中斷結(jié)構(gòu)……………………………………………54
4.3 TMS320F240的定點運(yùn)算……………………………………………55
4.4 系統(tǒng)控制的硬件和軟件設(shè)計………………………………………56
4.4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計……………………………………………………57
4.4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計……………………………………………………58
4.5 本章小結(jié)……………………………………………………………60
第5章 系統(tǒng)實驗…………………………………………………………61
5.1 開環(huán)實驗……………………………………………………………62
5.2 閉環(huán)實驗……………………………………………………………64
5.2.1 電流閉環(huán)實驗……………………………………………………64
5.2.2 電壓閉環(huán)實驗……………………………………………………67
5.3 實驗注意事項………………………………………………………69
5.4 本章小結(jié)……………………………………………………………69
結(jié)論……………………………………………………………………………71
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………72
攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文……………………………………………77
致謝……………………………………………………………………………78
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智能天線綜合了自適應(yīng)天線和陣列天線的優(yōu)點,以自適應(yīng)信號處理算法為基礎(chǔ),并引入了人工智能的處理方法。智能天線不再是一個簡單的單元,它已成為一個具有智能的系統(tǒng)。其具體定義為:智能天線以天線陣列為基礎(chǔ),在取得電磁信息之后,使用人工智能的方法進(jìn)行處理,對電磁環(huán)境做出分析、判斷,并自動調(diào)整本身的工作狀態(tài)使之達(dá)到最佳。依據(jù)天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態(tài)相控陣列和自適應(yīng)陣列3類。可變波束天線依據(jù)接收功率最大原則,在幾個預(yù)設(shè)陣列波束中進(jìn)行切換;動態(tài)相控陣列使用測向算法,能夠連續(xù)追蹤用戶的方向而改變天線的波束,使接收功率達(dá)到最大;自適應(yīng)陣列既對用戶進(jìn)行測向,又對各種干擾源進(jìn)行測向,在形成波束時,不僅使接收功率最大,而且使噪聲降到最低,從而使接收信噪比最高。
智能天線的發(fā)展可分成3個階段:第1階段是應(yīng)用于上行鏈路,通過使用智能天線增加基站的接收增益,從而使接收機(jī)的靈敏度和接收距離大大增加;第2階段是將智能天線技術(shù)同時應(yīng)用于下行鏈路,在智能天線應(yīng)用于下行鏈路后,能夠控制波束的發(fā)射方向,從而有助于頻率的復(fù)用,提高系統(tǒng)的容量;最后一個階段是完全的空分多址,此時在一個蜂窩系統(tǒng)中,可以將同一個物理信道分配給不同的用戶,例如,在TDMA中,可以將同一小區(qū)內(nèi)同一時隙同一載波同時分配給兩個用戶。
2智能天線的組成和關(guān)鍵技術(shù)
智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數(shù)據(jù)采集、信息處理3部分。在移動通信系統(tǒng)中,天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線陣列的形式后,天線單元的選擇就十分關(guān)鍵。天線單元不僅要達(dá)到本身的性能指標(biāo),還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點。目前微帶天線使用較多。
接收通道及數(shù)據(jù)采集部分主要完成信號的高頻放大、變頻和A/D轉(zhuǎn)換,以形成數(shù)字信號。目前,受A/D器件抽樣速率的限制,不能直接對高射頻信號和微波信號進(jìn)行采樣,必須對信號進(jìn)行下變頻處理,降低采樣速率。
信息處理部分是智能天線的核心部分,主要完成超分辨率陣列處理和數(shù)字波束形成兩方面的功能。進(jìn)行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號的參數(shù),這些參數(shù)主要包括信號的數(shù)目、信號的來向、信號的調(diào)制方式及射頻頻率等,其中信號的來向?qū)τ趯崿F(xiàn)空分多址和自適應(yīng)抑制干擾有著重要作用。在眾多的超分辨率測向算法中,MUSIC算法及其改進(jìn)算法一直占據(jù)主導(dǎo)地位,它不受天線陣排陣方式的影響,只需經(jīng)過一維搜索就能實現(xiàn)對信號來向的無偏估計,并且估計的方差接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法來解決移動通信中的測向問題也得到了廣泛的研究。數(shù)字波束形成主要通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)來達(dá)到增強(qiáng)有用信號和抑制干擾的作用,它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據(jù)所需先驗知識的不同,目前的波束形成算法主要有3類:以信號來向為先驗知識,如LCMV算法;以參考信號為先驗知識,包括LMS算法及其改進(jìn)算法NLMS、RLS等;不需要任何先驗知識,如CMA算法。由于移動通信環(huán)境復(fù)雜,各種算法也有各自的優(yōu)缺點,因此系統(tǒng)中必須對多種算法取長補(bǔ)短,才能達(dá)到最佳效果。
3智能天線的特點和優(yōu)勢
(1)提高系統(tǒng)容量
在蜂窩系統(tǒng)中,用戶的干擾主要來自其他用戶,而智能天線將波束零點對準(zhǔn)其他用戶,從而減少了干擾的影響。由于系統(tǒng)提高了接收信噪比,因此減少了頻譜資源的復(fù)用距離,從而獲得了更大的系統(tǒng)容量。
(2)擴(kuò)大小區(qū)覆蓋距離和范圍
使用智能天線可以提高用戶和基站的功率接收效率,進(jìn)一步擴(kuò)大基站的通信距離,減少功率損失,從而延長電池的壽命,減小用戶的終端。
(3)減少多徑干擾影響
智能天線使用陣列天線,通過利用多個天線單元的接收信息和分集技術(shù),可以將多徑衰落和其他多徑效應(yīng)最小化。
(4)降低蜂窩系統(tǒng)的成本
智能天線利用多種技術(shù)優(yōu)化了信號的接收,從而能夠顯著降低放大器成本和功率損耗,提高系統(tǒng)的可靠性,實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本。
(5)提供新服務(wù)
智能天線在使用過程中必須對用戶進(jìn)行測向,以確定用戶的位置,從而為用戶提供基于位置信息的服務(wù),如緊急呼叫等。目前,美國聯(lián)邦通信委員會已準(zhǔn)備實施用戶定位服務(wù)。
(6)更好的安全性
使用智能天線后,竊聽用戶的通話將會更加困難,因為此時盜聽者必須和用戶處于相同的通信方向上。
(7)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力
利用智能天線可以實時檢測電磁環(huán)境和用戶情況,從而為實施更有效的網(wǎng)絡(luò)管理提供條件。
(8)解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題和越區(qū)切換問題
智能天線可自適應(yīng)地調(diào)節(jié)天線增益,較好地解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題,為移動臺的進(jìn)一步簡化提供了條件。在蜂窩系統(tǒng)中,越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移動臺的功率電平來判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑衰落的影響常常導(dǎo)致越區(qū)轉(zhuǎn)接,增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷和用戶呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用的智能天線技術(shù),可以實時地測量和記錄移動臺的位置和速度,為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)。
4智能天線的技術(shù)現(xiàn)狀
在分析智能天線理論的同時,國內(nèi)外一些大學(xué)、公司和研究所分別建立了實驗平臺,將智能天線應(yīng)用于實踐中,并取得了一些成果。
(1)美國
在智能天線技術(shù)方面,美國較其他國家更加成熟,已開始投入實際應(yīng)用中。美國的ArrayComm公司發(fā)展了針對GSM標(biāo)準(zhǔn)和日本PHS標(biāo)準(zhǔn)的智能天線系統(tǒng)。該公司已將智能天線應(yīng)用于基于PHS標(biāo)準(zhǔn)的無線本地環(huán)路中,并投入了商業(yè)運(yùn)行。該方案采用可變陣元配置,有12陣元、8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同的環(huán)境選用,現(xiàn)場實驗表明,在PHS基站采用智能天線技術(shù)可使系統(tǒng)容量增加4倍。
(2)歐洲
歐洲通信委員會在RACE計劃中實施了第一階段的智能天線技術(shù)研究,稱為TSUNAMI,由德國、英國、丹麥和西班牙共同合作完成。它采用DECT標(biāo)準(zhǔn),射頻頻率為1.89GHz,天線由8個微帶貼片組成。陣元距離可調(diào)、組陣方式可變,有直線型、圓環(huán)型和平面型3種形式。數(shù)字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片,它在軟件上分別由MUSIC算法、NLMS、RLS完成測向和求得最佳的加權(quán)系數(shù)。在典型的市區(qū)環(huán)境下進(jìn)行實驗表明,該智能天線能有效跟蹤的方向分辨率大約為15°,BER優(yōu)于10-3。
(3)日本
ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣,射頻工作頻率為1.545GHz。陣元組件接收信號在A/D變換后,進(jìn)行快速傅氏變換,形成正交波束后分別采用恒模算法或最大比值合并分集算法,數(shù)字信號處理部分由10片F(xiàn)PGA完成。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線概念。
(4)其他國家
我國的信威公司也將智能天線應(yīng)用于TDD方式的WLL系統(tǒng)中。該智能天線采用8陣元的環(huán)形自適應(yīng)陣列,射頻工作于1785~1805MHz,采用TDD工作方式,收發(fā)間隔為10ms,接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。此外,愛立信公司與德國運(yùn)營商也將智能天線應(yīng)用于GSM基站上,但該天線的智能化程度不高。韓國、加拿大等國也開展了智能天線方面的研究。
(5)用于衛(wèi)星移動通信的智能天線
上文主要介紹了基于蜂窩系統(tǒng)的智能天線,另外還有一種用于L衛(wèi)星移動通信的智能天線。該天線采用了由16個環(huán)形微帶貼片天線組成的一個4×4的方形平面陣,它的射頻頻率為1.542GHz,左旋圓極化,中頻頻率為32kHz,A/D變換器的采樣速率和分辨率分別為128kHz和8位。在數(shù)字信號處理部分,選用了10個FPGA芯片,其中8個用于16個天線支路的準(zhǔn)相干檢測和快速傅里葉變換,另外2片則起到波束選擇、控制和接口的作用;自適應(yīng)算法則選擇了CMA。系統(tǒng)的外場測試表明,它能產(chǎn)生16個波束來覆蓋整個上半空間,并且不需要借助于任何傳感器,就能用最高增益的波束來自動捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號,從而在各種復(fù)雜的環(huán)境下均能提供比采用其他天線要高得多的通信質(zhì)量。
5智能天線面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向
智能天線系統(tǒng)在改善性能的同時,也增加了收發(fā)機(jī)的復(fù)雜度。因為要對每個用戶進(jìn)行定位,并且波束形成的計算量很大,所以智能天線系統(tǒng)中有多個計算單元和控制單元。在實施SMDA時,資源管理也成為一個必須關(guān)注的問題。作為一種新的多址方式,在頻譜分配和移動性管理上也提出了新的問題,將會對網(wǎng)絡(luò)管理提出更多的需求。此外,目前智能天線的物理尺寸較大,不利于構(gòu)建更小的基站。
智能天線形成下行波束較為困難,因為對下行鏈路的信道響應(yīng)缺少短時先驗知識,而無線信道的信道狀況變化極快,使智能天線不能很好地跟蹤用戶信號的變化。接收和發(fā)送鏈路中器件的線性特性對系統(tǒng)的性能有顯著影響。智能天線的各種定位算法和波束形成算法的運(yùn)算量很大,對器件、時間和功率的要求比較高,因此研究高效的優(yōu)化算法對提高系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
到目前為止,還沒有一個完整的智能天線系統(tǒng)理論,而智能天線今后的研究必須同一些相關(guān)技術(shù)聯(lián)系,如與多用戶檢測、多用戶接收和功率控制等結(jié)合在一起。目前的智能天線多用于基站系統(tǒng),今后還可以研究基于移動臺的智能天線。在信號處理部分,目前多采用自適應(yīng)信號處理算法,尚未將人工智能方法應(yīng)用于其中,同時還可嘗試將智能計算的一些方法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和進(jìn)化計算等用于智能天線系統(tǒng)中。
論文摘要：目前我們?nèi)粘Ｋ褂玫囊恍в谢蚴褂米冾l器驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)備都會產(chǎn)生大量的高次諧波，這種嚴(yán)重的電磁輻射是我們平時用肉眼看不到的隱形殺手，無論是對我們的身體健康，還是對精密儀器的使用，它都有嚴(yán)重的危害性，而且影響深遠(yuǎn)。
變頻器是運(yùn)動控制系統(tǒng)中的功率變換器。目前的運(yùn)動控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是驅(qū)
動的交流化、功率變換器的高頻化、控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，因提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。
變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展。變頻器的發(fā)展水平是由電力電子技術(shù)、電機(jī)控制方式以及自動化控制水平三個方面決定的。當(dāng)前競爭的焦點在于高壓變頻器的研究開發(fā)生產(chǎn)方面。
隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而且廠家仍在不斷地提高可靠性，為實現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。辨別變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機(jī)的影響；二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；最后還要看本身的能量損耗（即效率）。這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，闡述其發(fā)展趨勢：主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化；開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進(jìn)一步降低。
在變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面。變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器，而對中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。負(fù)載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四象限運(yùn)行的轉(zhuǎn)動，為實現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器，同時出現(xiàn)了功率可雙向流動的雙PWM變頻器，對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波，減少對電網(wǎng)的公害。
脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制控制、消除指定次數(shù)諧波的PWM控制、電流跟蹤控制、電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。
交流電動機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量控制向高動態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。微處理器的進(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。運(yùn)動控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動機(jī)高性能的控制需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。
近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱為DSP單片電機(jī)控制器，價格大大降低、體積縮小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。
在DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上首枚DSP芯片誕生了。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲容量和運(yùn)算速度成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，其應(yīng)用于范圍逐步擴(kuò)大到通信、計算機(jī)領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：Matlab GUI；信號與系統(tǒng)；教學(xué)輔助
中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0158-03
Development of Teaching Assistanceplatform for Signal and System Based on Matlab
LU Ying，ZHONG Li-hui*，LI Sha，XU Quan-yuan
（ College of Computer and Informatin， SouthWest ForestryUniversity， Kunming 650024， China）
Abstract：Signal and system is the professional basic course in the major of electronic and information engineering which is complex and difficult to teach and learn. Combined with the teaching reform of the major， we have designed teaching assistance platform for signal and system based on Matlab. The platform which related closely to the teaching problem has the advantages of simple operation and visual image.It includes 8modules（chapters） and 55 interfaces，which contains the courseware， key point， dynamic simulation of important algorithms and after-school exercises and answers. Among them， algorithm simulation part is adjustable which not only has the simulation results， but also shows MATLAB program source code. The practice has proved that the platform can greatly enhance the teaching effect and learning efficiency. In addition， it is scalable and can be used as a teaching aid for other signal processing courses.
Key words：Matlab GUI； signal and system； teaching assistance
“信號與系統(tǒng)”是電子信息工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)主干課程，它以信號特性和處理等工程問題為背景，結(jié)合高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、電路分析等理論對確定性信號進(jìn)行時域、頻域和復(fù)頻域分析，是將學(xué)生從電路分析的知識領(lǐng)域引入信號處理與傳輸領(lǐng)域的關(guān)鍵課程，也對后續(xù)專業(yè)課程如“通信原理”、“數(shù)字信號處理”等起著承上啟下的作用[1]。該課程概念抽象，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較為繁雜，結(jié)果較難理解。該課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式多采用單一的理論教學(xué)，或配有少數(shù)硬件設(shè)備諸如信號與系統(tǒng)實驗箱等以進(jìn)行少學(xué)時的實驗教學(xué)。由于硬件設(shè)備價格昂貴，數(shù)量有限，加上實驗學(xué)時的限制，學(xué)生主要依靠做習(xí)題來鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，對課程中大量應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容不能實際動手設(shè)計、仿真和分析，嚴(yán)重影響并制約了教學(xué)效果。為了從一定程度上緩解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在理論和實踐嚴(yán)重脫節(jié)的問題，論文采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法及層次化思想，基于Matlab的圖形用戶界面GUI（Graphic User Interface）設(shè)計了“信號與系統(tǒng)”教學(xué)輔助平臺。借助該平臺，可幫助學(xué)生更好地理解和掌握信號處理中的基本理論和分析方法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。
1平臺總體結(jié)構(gòu)框圖
平臺的總體功能框圖如圖1所示。平臺和教學(xué)內(nèi)容保持一致，以章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行劃分，包括8大模塊： 55個GUI界面。為簡化每個基本模塊的設(shè)計，論文采用層次設(shè)計方法，將每個基本模塊又分解為若干個子模塊，子模塊下面還可以包括子模塊。章節(jié)模塊包含課件，知識點，重要算法的動態(tài)仿真，課后習(xí)題及解答。其中算法仿真模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。限于篇幅，論文后續(xù)僅抽取部分章節(jié)進(jìn)行介紹。
2仿真平臺的Matlab GUI設(shè)計
2.1登錄界面
登錄界面是用戶訪問平臺的第一個界面，如圖3所示。出于對安全性的考慮，用戶需要輸入正確的用戶名和密碼后方可進(jìn)入，其中用戶名和密碼存儲在excel文件中。
2.2主界面
登錄成功后則進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖4所示。主界面以菜單的形式列出每一章節(jié)的內(nèi)容。
2.3參數(shù)可調(diào)的連續(xù)信號運(yùn)算
連續(xù)信號基本運(yùn)算包含時移、反折、尺度變換三種，如圖5所示。在文本框中輸入變換量，點擊相應(yīng)按鈕后，便可看到變換后的波形圖，同時顯示matlab程序源代碼。
2.4參數(shù)可調(diào)的常用離散信號
參數(shù)可調(diào)的常用離散信號可產(chǎn)生四種基本序列：正弦序列、單位脈沖序列、單位階躍序列和指數(shù)序列，如圖6所示。且根據(jù)不同序列設(shè)置了不同參數(shù)。
2.5卷積積分
匹配教學(xué)用幻燈片上的范例求兩連續(xù)信號的卷積積分，如圖7所示，并將其卷積結(jié)果顯示在同一界面中，同時顯示示matlab程序源代碼及重要結(jié)論。
2.6傅里葉級數(shù)
匹配教學(xué)用幻燈片上的范例求周期信號的傅里葉級數(shù)，如圖8所示。分別通過6張圖顯示傅里葉級數(shù)展開后的諧波特性，即合成諧波次數(shù)越多越接近真實波形；低次諧波振幅較大，是組成原始波形的主體；高次諧波振幅較小，影響波形的細(xì)節(jié)等信息。同時通過單擊“源代碼”按鈕可查看matlab程序源代碼，方便學(xué)生進(jìn)一步理解并修改程序。
2.7傅里葉變換的時移特性
匹配教學(xué)用幻燈片上的范例，同時配合輸入的時移量顯示頻域的時移性質(zhì)，如圖9所示。時移特性表明，信號在時域中沿時間軸右移或左移t0等效于其頻譜乘因子[e±jwt0]，即信號時移后，幅度頻譜不變，只是相位頻譜發(fā)生了線性變換，產(chǎn)生了附加變化（[±wt0]）。
2.8習(xí)題及解答
該界面以圖片形式顯示課后習(xí)題，并通過“習(xí)題解答”按鈕打開習(xí)題答案，如圖10所示。
3 結(jié)束語
基于Matlab GUI開發(fā)的信號處理教學(xué)輔助平臺已全面運(yùn)用到我校“信號與系統(tǒng)”的教學(xué)過程中。平臺緊扣教學(xué)大綱進(jìn)行設(shè)計，信息量大，交互性強(qiáng)，操作方便，無需特殊硬件支持，成本低，十分便于推廣，是課堂演示實驗以及課外實驗的有效輔助工具。可使學(xué)生學(xué)習(xí)抽象概念的同時，觀察到相應(yīng)知識點的具體形象的演示及編程源代碼，使原本抽象、枯燥的物理概念變得直觀、生動，極大程度提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及編程仿真能力。
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本設(shè)計是根據(jù)我院新建“電機(jī)驅(qū)動與控制實驗室”的設(shè)備，利用單片機(jī)對直流電動機(jī)和交流電動機(jī)的控制及各種特性。我重點研究的是直流電動機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過本次設(shè)計，使同學(xué)順利完成學(xué)校制定的實踐教學(xué)任務(wù)。
單片機(jī)把通過測量元件、變送單元和A／D轉(zhuǎn)換接口送來的數(shù)字信號直接反饋到輸入端與設(shè)定值進(jìn)行比較。然后，對其偏差按某種控制算法進(jìn)行計算，所得數(shù)字量輸出信號經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換接口直接驅(qū)動執(zhí)行裝置，對控制對象進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其保持在設(shè)定值上。
在電氣時代的今天，電動機(jī)一直在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中起著十分的重要的作用。無論是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、上午與辦公設(shè)備，還是在日常的生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動機(jī)。對電動機(jī)的控制可分為簡單控制和復(fù)雜控制兩種，簡單控制是只對電動機(jī)進(jìn)行啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器、可編程控制器和開關(guān)元件來實現(xiàn)。復(fù)雜控制是只對電動機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩，電壓、電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時往往需要非常精確的控制。以前對電動機(jī)的簡單控制的應(yīng)用很多，但是，隨著現(xiàn)代步伐的邁進(jìn)，人們對自動化的要求越來越高，使電動機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
PID控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬控制器PID控制是通過硬件（電子元件和液壓元件）來實現(xiàn)它的功能。隨著計算機(jī)的出現(xiàn)，把他一直到計算機(jī)控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱為數(shù)字PID控制器，所形成的一整套算術(shù)則稱為數(shù)字PID算術(shù)。數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比，具有非常強(qiáng)的靈活性。電動機(jī)的的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自動控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動機(jī)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了翻天覆地的變化。其中電動機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位予以單片機(jī)為主的微機(jī)處理控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用，并正相全數(shù)字控制方向發(fā)展。電動機(jī)的驅(qū)動部分所用的功率器件經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代，目前開關(guān)速度更快，控制更容易的全控制功率件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動機(jī)控制方法能夠得到實現(xiàn)，脈寬調(diào)控方法、變頻技術(shù)在直流調(diào)速
由單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器具有以下特點：
1．使電路更簡單。
模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要很多電子元件，使電路復(fù)雜。采用微機(jī)處理后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件來實現(xiàn)。
2．可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制。
為基礎(chǔ)理由很強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高，與大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制。
3．靈活性和適應(yīng)性
微處理得控制方式是由軟件來完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不必修改系統(tǒng)的硬件電路，只修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。
4．無需零點飄逸，控制精度高
數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常出現(xiàn)的零點漂移問題。無論被控制量的大小，都可以保證足夠的控制精度。
5．可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作
現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器。實際上可作為電動機(jī)控制器的元件還有很多種，例如工業(yè)控制計算機(jī)、可編程控制器、數(shù)字信號處理器。
工業(yè)控制計算機(jī)科委功能強(qiáng)大，它有極高的速度、強(qiáng)大的運(yùn)算能力和接口功能、方便的軟件環(huán)境；但由于成本太高、體積大，所以只用于大型控制系統(tǒng)。
可編程控制器則正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時、計數(shù)和簡單的運(yùn)算。由于功能太弱，所以它只能用于簡單的電動機(jī)控制。
單片機(jī)介于工業(yè)控制計算機(jī)和可編程控制器之間，它有較強(qiáng)的控制功能，低廉的成本。人們在選擇電動機(jī)的控制器時，常常是再先滿足功能的需要的同時，優(yōu)先選擇成本低的控制器。因此，單片機(jī)往往成為優(yōu)先選擇的目標(biāo)。從最近的統(tǒng)計數(shù)字也可以看出，世界上每年要有25億片各種單片機(jī)投入使用。彈片及時目前世界上使用量最大的微機(jī)處理器。
三、主要內(nèi)容與待解決的問題
主要內(nèi)容:
1、學(xué)習(xí)直流電動機(jī)原理及驅(qū)動技術(shù)，掌握數(shù)字PID控制技術(shù)；
2、完成相關(guān)設(shè)備的接口硬件設(shè)計；
3、通過MCS-51單片機(jī)編寫軟件控制程序；
4、系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，寫出相應(yīng)的使用說明。
現(xiàn)有條件： 直流電動機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、MCS-51單片機(jī)、微型計算機(jī)
重點解決的問題：
利用數(shù)字PID技術(shù)實現(xiàn)對電動機(jī)的閉環(huán)控制
四、設(shè)計方法與實施方案
畢業(yè)設(shè)計的實施主要是結(jié)合直流電動機(jī)及單片機(jī)的理論知識，利用與其配套的實驗箱，完成預(yù)期要解決的實驗項目和實訓(xùn)項目，從而對其結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)，通過數(shù)字PID技術(shù)提高電動機(jī)的效率。通過收集各種資料，完成畢業(yè)論文的撰寫。
五．進(jìn)度計劃 畢業(yè)設(shè)計課題的相關(guān)資料的收集與整理，熟悉系統(tǒng)的相關(guān)操作和原理，完成開題報告。
第3周至第4周
系統(tǒng)學(xué)習(xí)直流電動機(jī)、直流發(fā)動機(jī)原理，完成硬件安裝與線路聯(lián)接。
第5周至第12周
系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)字PID控制技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)。通過MCS-51單片機(jī)編寫軟件控制程序；完成直流電動機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)；
第13周至第14周
聯(lián)機(jī)調(diào)試；開始整理相關(guān)資料，撰寫使用說明書和畢業(yè)論文。
第15周至第16周
全面完成畢業(yè)設(shè)計，準(zhǔn)備進(jìn)行答辯
預(yù)期成果：通過該系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，為實現(xiàn)直流電動機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)字化控制奠定基礎(chǔ)。
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ZHANG Hai-e
（Department of Basic Science，Tangshan College， Tangshan Hebei 063000， China）
【Abstract】This paper analyzes on the present situation of the Engineering mathematics teaching in almost all of the universities of our country， points out some problems existing in the traditional classroom teaching of the mathematics. Because of different majors have different needs for the teaching of Engineering mathematics， the teaching highlights should be vary with majors change. From the aspects of integration of curriculum content， revising the teaching plan， improving the teaching methods and innovative assessment methods， The article discusses the teaching reform for my college.
【Key words】Engineering mathematics；Teaching Reform；Engineering professionals
近年來，地方性本科院校經(jīng)過升本以來十幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為高等教育的主要力量之一。21世紀(jì)，高校正處在更新教育觀念、深化教學(xué)改革的熱潮中，各個課程的教學(xué)改革也是一個重要方向。基于建設(shè)應(yīng)用型本科院校的的目標(biāo)，我院教師對諸多課程進(jìn)行了大量適合于我院學(xué)生的教學(xué)改革與實踐， 并取得了良好效果。針對于工科各專業(yè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程--工程數(shù)學(xué)，我作為負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)課題組成員進(jìn)行了教學(xué)改革與實踐，同時借鑒了河北大學(xué)王培光教授[1]對該課程改革的一些成功做法，取得了良好效果。
1 工科工程數(shù)學(xué)教學(xué)改革的必要性
工程數(shù)學(xué)（ 線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、復(fù)變函數(shù)與積分變換等） 是我院信息工程系、環(huán)境與化學(xué)工程系、機(jī)電工程系、土木工程系等工科各專業(yè)學(xué)生的一門基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)專業(yè)課的基礎(chǔ)課程。工程數(shù)學(xué)教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決工程中的實際問題，然而在現(xiàn)實中，教師課堂上著重于介紹嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)原理和枯燥的邏輯推演，學(xué)生課上聽得乏味、昏昏欲睡，課下專注定理推導(dǎo)、解題技巧，很多學(xué)生不知道工程數(shù)學(xué)到底有什么用，感覺太抽象，失去了學(xué)習(xí)興趣，甚至產(chǎn)生了厭倦情緒。結(jié)果導(dǎo)致教師課上一味強(qiáng)調(diào)“工程數(shù)學(xué)很有用”，學(xué)生卻不知如何用的現(xiàn)象[2-3]。所以， 如何改進(jìn)工程數(shù)學(xué)教學(xué)模式， 與學(xué)生所在專業(yè)知識有機(jī)結(jié)合，使原本抽象枯燥的工程數(shù)學(xué)課程更好地為學(xué)生所在專業(yè)服務(wù)， 是每位從事工程數(shù)學(xué)教學(xué)工作的教師需要解決的問題。到目前為止，項目組針對于專業(yè)課程和工程數(shù)學(xué)結(jié)合最緊密的通信專業(yè)、電氣自動化專業(yè)（信息工程系）進(jìn)行了教學(xué)實踐。具體如下：
2 工程數(shù)學(xué)教學(xué)如何與各專業(yè)相結(jié)合
2.1 進(jìn)一步細(xì)化原有教學(xué)計劃，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，彰顯專業(yè)特色
對原有教學(xué)大綱及計劃做了仔細(xì)的分析與討論適時調(diào)整課程內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生所在專業(yè)的特點，精選教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步細(xì)化原有教學(xué)計劃。由于各專業(yè)知識體系不同，教師如何講授可以使學(xué)生在有限的時間內(nèi)獲取足夠的工程數(shù)學(xué)知識，為后繼的專業(yè)課程打下堅實的基礎(chǔ)，需要教師對學(xué)生專業(yè)課程的大致內(nèi)容要了解，從而對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，刪除一些不必要內(nèi)容，增加工程應(yīng)用實例，進(jìn)一步細(xì)化原有的授課計劃。
我院信息工程系的通信專業(yè)、電氣自動化專業(yè)課程是與工程數(shù)學(xué)結(jié)合最緊密的專業(yè)，《微波技術(shù)基礎(chǔ)》、《天線技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)字信號處理》、《信號與系統(tǒng)》、《信息論》、《數(shù)字信號處理》、《電磁場理論》、《自動控制原理》等課程大量的問題都?xì)w結(jié)為工程數(shù)學(xué)和高等數(shù)學(xué)的知識。
在微波傳輸中傳輸線的矩陣解、矩形波導(dǎo)、園波導(dǎo)等傳輸線方式分析；微波網(wǎng)絡(luò)分析中無耗互異網(wǎng)絡(luò)特性分析、密碼通信中的加密、解密；微波負(fù)載元件、微波連接元件、阻抗匹配元件、功率分配元件等特性分析等問題用到了線性方程組求解、求解特征值、特征向量、求矩陣的逆，將矩陣對角化等《線性代數(shù)》的知識。在《信息論》中，信號的輸入與輸出中信道的傳遞概率等問題就是利用《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》中離散隨機(jī)變量的條件概率、全概率公式、貝葉斯公式等知識。《線性代數(shù)》與《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》的矩陣?yán)碚撆c樣本均值與方差的結(jié)合用于《圖像處理》中的變換核分析。所以在講解工程數(shù)學(xué)這些知識點時要注重解題技巧及如何解決專業(yè)課程的相關(guān)問題，弱化一些工程數(shù)學(xué)本身的理論推導(dǎo)。
《自動控制原理》、《信號與系統(tǒng)》課程中時域、頻域分析及數(shù)字濾波器分析用到了大量的積分變換。留數(shù)定理是計算拉氏變換和 變換的重要手段，但是前提是函數(shù)在區(qū)域內(nèi)解析，以往工程數(shù)學(xué)教學(xué)中為追求嚴(yán)密性，過多地糾纏于抽象的理論細(xì)節(jié)，討論函數(shù)在區(qū)域內(nèi)解析，但是在工程上的很多實例信號本身就滿足解析條件，所以在授課時避免了“頭重腳輕”。
2.2 工程數(shù)學(xué)理論知識與實際應(yīng)用（數(shù)學(xué)建模）的有效結(jié)合
在課程中增加數(shù)學(xué)實驗教學(xué)，像MatLab、Mathematics 語言內(nèi)容， 結(jié)合專業(yè)背景，設(shè)計了幾個實際問題《密碼的設(shè)計、解碼與破譯》、《信息的度量與應(yīng)用》、《交通流問題》。通過實際工程問題建立數(shù)學(xué)建模，借助數(shù)學(xué)軟件對實際問題進(jìn)行研究分析，將線性代數(shù)的矩陣論、概率統(tǒng)計中的多元回歸分析及數(shù)據(jù)擬合、誤差分析等工程數(shù)學(xué)的知識完美結(jié)合，這樣可以直接將理論教學(xué)與數(shù)學(xué)實驗相連接，幫助學(xué)生及時從實踐中加強(qiáng)對理論的理解。通過數(shù)學(xué)建模，既激發(fā)了學(xué)生的想象能力，活躍了思維，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，取得了非常好的教學(xué)效果。
2.3 結(jié)合專業(yè)制定合理的考核方式，鼓勵學(xué)生進(jìn)行專業(yè)探索
隨著教學(xué)改革的深入展開，教學(xué)內(nèi)容、方法和手段都發(fā)生了變化，因此考試內(nèi)容及方法也應(yīng)與之相適應(yīng)。考試內(nèi)容要能較為全面地反映教改的效果以及學(xué)生對課程知識的掌握情況，更主要的是要能夠?qū)W(xué)生的綜合素質(zhì)進(jìn)行有效的區(qū)別。課題組改變了傳統(tǒng)的“一張卷子是大頭”模式， 改變了傳統(tǒng)只參考作業(yè)、課堂表現(xiàn)作為平時成績的方式，在現(xiàn)有考核方式中，顯現(xiàn)了學(xué)生在處理專業(yè)問題時運(yùn)用工程數(shù)學(xué)知識的能力，從而更加綜合地測評了學(xué)生學(xué)習(xí)成果。具體如下：
（1）在平時成績的評定中， 除了等情況外， 任課老師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容， 聯(lián)系相關(guān)的專業(yè)問題設(shè)計幾個開放性題目， 學(xué)生可以根據(jù)興趣選擇題目，查找相關(guān)資料， 并對計算的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析， 結(jié)合實際， 給出可行性建議， 最后以論文的形式上交，教師給予評分， 作為考核成績的一部分。
（2）教師采取了綜述報告和科技演講兩個方式進(jìn)行測試作為學(xué)生期末成績的附加分，學(xué)生可以自由選擇。要順利完成綜述報告，學(xué)生要對該課程內(nèi)容有整體把握，哪些內(nèi)容是專業(yè)課程必須的，哪些內(nèi)容僅是提高學(xué)生的邏輯思維能力，要求學(xué)生能分清伯仲。在此過程中需要查閱大量的資料，從而開闊了學(xué)生的專業(yè)知識面，更能深刻體會工程數(shù)學(xué)課程在專業(yè)課程學(xué)習(xí)的聯(lián)系和重要性，綜述報告中能夠深層次的檢測學(xué)生對該課程的理解及相關(guān)應(yīng)用。學(xué)生在期末亦可以選擇科技論文演講，學(xué)生自愿參加，根據(jù)自己所在專業(yè)，下載相關(guān)1-2篇和工程數(shù)學(xué)結(jié)合緊密的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，讀透理解，并整理出摘要，準(zhǔn)備做一次20分鐘的演講，課題組教師酌情給分。通過實施，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、專業(yè)探索能力、實踐能力都有了很大的提高。
3 結(jié)論
