0 引言

“数字信号处理”(简称DSP)是面向电子信息学科的专业基础课，该课程具有概念抽象、公式繁多、理论深奥等特点[1，2]。针对上述特点已有诸多教师对其传授方式进行了探索，在一定程度上提高了教学质量，但尚未找到一种更为直观生动形象的讲述方式[3-6]。

随着计算机技术的深入发展，教学辅助手段已从单一的听觉媒体发展到可视化媒体。

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术[7]。自1986年可视化技术被提出以来即受到广泛关注，并有诸多教育工作者开展相关的研究工作，具有代表性的有美国加利福尼亚大学Brown等人在工作站的基础上开发的 Balsa 可视化系统， 并将其作为实际教学一种辅助手段[8]；佐治亚理工学院 Stask 教授设计出了 Tango 系统，将抽象的算法进行可视化组织，并将其应用于课堂教学演示[9]。目前在国内可视化教育也已引起大量教育者的关注，可视化教学呈现出相当快速的发展趋势和广阔的应用前景[10-13]。

随着我国经济建设速度的不断加快，公路工程施工数量也在不断增多，路面施工技术正逐步向机械化专业化的方向发展。在公路施工中沥青混凝土的拌和是一道重要工序，沥青混凝土质量的高低是影响公路工程整体质量的直接因素，因此沥青拌和站效率的高低、沥青拌和站出现故障的几率、它本身的技术性能、燃油的优劣以及操作人员对其维护和操作的水平等都是相关人员应该给予高度重视的因素。

本文以“数字信号处理”课程为例，基于Matlab和LabVIEW可视化软件开发平台以多种信号为处理对象，并结合蓝牙技术展示信号处理全过程，将可视化教学方法应用电子信息专业教学实践，进而达到提高学生学习兴趣的目的。

“数字信号处理”课程的可视化系统主要包含信号采集、信号分析、信号处理三部分，以矩形脉冲信号、脉搏信号和声音信号为处理对象。系统整个架构示于图2。

1 课程教学内容

图1所示，即为“数字信号处理”课程的教学内容。

计算机辅助翻译不同于机器翻译，是在人的参与下完成整个翻译过程。百度翻译依托互联网数据资源和自然语言处理技术优势，将多种主流翻译模型相融合，包括传统的基于规则、基于实例、基于统计等翻译策略，发挥这些方法各自的优势，从整体上提升翻译效果。传统的翻译教学以翻译理论与翻译方法为主，让学生在课上进行词句和段落的翻译训练，缺乏真实的学生实践操作的环境，而把计算机辅助翻译引入到翻译课堂中，不仅可以提高学生的翻译兴趣与积极性，也可以提高翻译的效率。

该系统设计应用虚拟仪器原理及其设计思想，以个人计算机硬件和Windows操作系统为依托，借助蓝牙无线通信技术实现信号的无线传输，利用LabVIEW 2010设计系统采集程序，从而将下位机发送的数据引入个人计算机系统当中，然后利用计算机强大的存储、运算和显示能力实现信号的保存和实时地显示。一个脉搏信号采集和显示界面如图4所示。

信号处理部分。针对信号特征，设计各种类型的滤波器，对信号进行滤波处理。

“数字信号处理”课程涉及众多理论和方法，如何在可视化系统中将其系统展示具有一定挑战性。经过多年的教学实践，我们将该课程划分为3个模块，即信号采集、信号分析和信号处理，分步进行讲授。

信号采集部分。采用相应传感器及调理电路，获取合理幅值的模拟信号，依据奈奎斯特采样定理，将模拟信号转换为数字信号以便后续处理。

图1 数字信号处理流程

2 课程可视化系统架构

宫殿中的另一处著名景点是大画廊，苏格兰历代国王的画像就悬挂于此。不过，这些画像并非以国王为模特绘制，而是出自17世纪一位丹麦画家之手，画中的人物有很多相似之处，或许是为了向世人讲述他们之间的传承关系吧！可惜的是，这里禁止拍照，小读者只能亲自前往一饱眼福喽。

图2 可视化系统架构

2.1 信号采集系统

以矩形脉冲信号和脉搏信号为处理对象，建立三维傅里叶变换动态演示系统，通过动态叠加展示傅里叶变换实质，进而展示信号频域分析过程。根据傅里叶变换可知，任何连续测量的时域信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的叠加。本设计以频率为255 Hz的矩形脉冲为处理对象，可以将其分解成N个正弦波(或者余弦波)叠加而成的。取若干个变换后的频率分量进行叠加，也就是对其进行傅里叶逆变换，将矩形脉冲的频域表示形式变换为时域表示形式，观察其逆变换后的波形并与原始矩形波形对照，进而分析傅里叶变换实质及频域分析过程。

图3 信号采集系统结构

信号分析部分。借助傅里叶变换等分析工具，对信号进行时域和频域分析，提取信号特征。

图4 脉搏信号采集界面

2.2 信号分析系统

信号采集系统结构示于图3。

在众多沃尔沃经典车中，那辆白色的740 Wagon是我个人最为偏爱的。和我此前猜测的一样，740 Wagon的主人潘叔也是位儒雅的绅士，作为在北京生活了30年的上海人，潘叔参加这次巡游活动更多了份回家的意义。

将矩形脉冲做256点的FFT变换，并进行1-16，1-32，1-48……1-256顺序叠加，观测叠加结果发现当取低频16点时其叠加时域波形即具有矩形脉冲信号轮廓，随着叠加点数的增加其时域波形越来越逼近矩形信号，高频分量对时域波形边沿影响明显，如图5所示。

2.3 信号处理系统

该滤波器可视化教学系统主要完成如下四个方面功能：①显示零极点变化对滤波器性能的影响。通过零极点在单位圆上的变化，观察滤波器幅频特性和相频特性的变化，以及脉冲信号和声音信号的改变。②设计低通、高通、带通和带阻滤波器，从时域和频域观测其对信号的作用。③相频特性对滤波器性能的影响。设计滤波参数相同的IIR滤波器、FIR滤波器和零相位滤波器，观察其相频特性的区别，进而对比分析将脉冲信号和声音信号通过三类滤波器后的变化。④滤波器阶数对滤波器性能的影响至关重要，观测相同类型滤波器不同阶数和不同类型滤波器相同阶数时滤波器性能的变化以及它们对信号的产生的影响。具体界面如图6所示。

其次，分析说明顺序，理清文章结构。说明文使用什么说明顺序，就要看文章说明的对象。通常情况下，说明事物的演变发展过程的，用时间顺序；说明建筑物、物件构造的，用空间顺序；介绍高科技产品，说明事物间内在联系的，则用逻辑顺序。把握说明顺序，我们可以把有关段落的重点词、句勾画出来，以“同类合并”的方法，把独立的词、句有机地结合在一起，用完整的句子来概括一个个简明的要点，前后连缀，稍加分析，就可以把握文章的说明顺序。在把握说明顺序的基础上，分析段与段、部分与部分之间的关联，就容易明确文章的基本结构。常见的结构形式有总分式、总分总式、分总式、并列式、递进式等。

图5 三维傅里叶变换动态演示系统

3 结语

本文按照“数字信号处理”课程的知识体系，以矩形脉冲信号、生理脉搏信号、声音信号为处理对象，借助可视化开发软件Matlab和LabVIEW平台，并结合蓝牙无线传输技术，设计出一套完整的可视化系统。借助该系统学生能够生动直观的观测到信号采集、无线传输、分析及处理的全过程，通过听觉和视觉感受不同处理手段对信号的影响。通过课堂教学、学生反馈和成绩统计等手段分析，认为采用该系统进行可视化教学，对改变教师的教授方式、帮助学生理解数字信号处理知识有着积极的作用和影响。

图6 可视化滤波器系统界面及声音信号滤波处理

参考文献：

[1] 胡广书. 数字信号处理理论、算法与实现[M]. 第3 版．北京：清华大学出版社，2012.

[2] 程佩青. 数字信号处理教程简明版[M]. 北京: 清华大学出版社，2013.

[3] 沈媛媛. 基于 Matlab 的数字信号处理综合性实验设计[J]. 上海： 实验室研究与探索, 2009, 28(8):60-62.

[4] 王秋生，袁海斌. 数字信号处理教学方法的探索与实践[J]. 南京：电气电子教学学报, 2008,30(8): 87-89.

[5] 杨永立，李娟.“数字信号处理”课程教学方法探讨[J]. 南京： 电气电子教学学报 ，2013，35(4)：72-74.

[6] 杨智明，彭喜元，俞洋. 数字信号处理课程实践型教学方法研究[J]. 上海：实验室研究与探索， 2014，33(9)：180-183.

[7] Gitta domik. Visualization Viewpoints: Do We Need Formal Education in Visualization?[J]. IEEE Computer Graphics and Applications,2000,7-8.

[8] Brain John Foley.Visualization Tools: Models, Representations and Knowledge Integration[D]. University of California, Berkeley, 1999.

[9] J.T.Stasko.Tango. A Framework and System for Algorithm Animation[J]. IEEE Computer, 1999, 23(9): 27-39.

[10] 张维忠，唐慧荣. 可视化教学内容设计的五大原则 [J]. 西安：电化教育研究，2010(10)： 99-102.

[11] 曹晓明. 可视化教学过程设计研究 [J]. 北京：中国电化教育，2009(3)：16-19.

[12] 伍国华，李克东. 知识可视化教学应用的元分析研究[J]. 西安：电化教育研究，2011(12)：84-90.

[13] 李芒，蔡旻君，王妍莉. 可视化教学设计方法与应用[J]. 北京： 电化教育研究，2013(3)：16-22.