时间：2022-02-14 15:44:30
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇数字信号处理论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】测控技术与仪器；数字信号处理；教学内容与方法
【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
数字化和信息化的迅速发展，使得数字信号处理技术与应用在日常生活中的地位越来越突出，新的算法（或改进算法）层出不穷，新的器件频繁更替。对于仪器科学与技术学科下的测控技术与仪器专业，“数字信号处理”是一门重要的专业基础课程，该课程不仅理论性强，工程应用背景也十分明确。作为一门涉及面广的学科专业基础课程，如何与学科的应用需求接轨、与学生的知识体系融合，改革教学内容与授课方法，全面提高教学质量与效果，与时俱进、科学发展，创建有专业特色的示范性课程是课程组面临的问题。
论文以学校课程体系建设的目标与要求为出发点，结合国防科学技术大学测控技术与仪器本科专业的特点和建设需求，在“数字信号处理”课程教学内容的完善、教学方法的革新等方面进行了探讨，提出了一些观点和看法。
1 学科与专业对数字信号处理的专门需求
仪器是信息获取、处理与应用的工具，而仪器学科与技术则是研究以获取信息为目的的信息转换、处理、传输、存贮、显示与应用等技术与装置的应用科学，其核心内容可以用四个关键词概括，即：计量、测量、仪器和传感器[1]。没有测量就没有科学，仪器科学与技术的领先程度决定了科研和生产的先进程度和竞争能力[2]。从这个角度来看，测控技术与仪器专业更加强调数字信号处理的物理意义，也就是信号对象的物理属性，包括：时间属性、频率熟悉、误差范围、测量精度等。
目前该校仪器科学与技术学科逐渐形成了以现代传感技术及系统、空间仪器工程、无线电测量理论及应用为主要方向，以信息获取与处理为主要内涵的省重点特色学科，本科专业为测控技术与仪器，要求学生掌握信号采集、分析与处理等方面的基础理论与技术，在测控、测量及测试等方面具有良好的理论素养和技术基础。开设了“电工与电路基础”、“信号系统与控制”、“数字信号处理”、“现代测试系统”等一系列专业课程。主要课程见表1。
表1：测控技术与仪器主要专业课程情况
从表中可见“数字信号处理”首当其冲成为一门重要的专业基础课，并且为测控技术与仪器专业服务，有着明显的信号采集、测量、微弱信号检测、仪器系统设计等方面的应用需求。在本专业知识体系中，“数字信号处理”紧密连接传感器的信号调理，与信息转换、处理甚至是传输和存储等有密切的关系，其内涵更加偏向于真实信号物理量的采样与处理，目标更加注重于数字信号的物理意义和应用方向。课程内容包括：采样过程及误差分析、离散时间信号与系统、离散变换及其快速算法、数字滤波器设计、数字信号处理系统的实现、多采样率信号处理等。课程将通过讲授、练习、实验使学生掌握数字信号处理的基本理论和方法，并能使用软硬件工具进行相应的数字信号处理工作。
2 依据学科专业特点改革教学内容与方法
根据课程体系建设的需求，在教学内容与方法方面尝试提出了如下建设目标：
2.1 结合学科专业特点，吸收国外先进教学理念，与国际著名院校课程内容设置充分融合，以经典“数字信号处理”课程体系为基础，以现代测量系统中备受关注的信号处理方法和技术为导向，紧扣真实信号物理量采样与处理的学科背景，结合国外相关专业知名教材，在专业课程体系内将教学的内容、课程间的关系与教学实践紧密配合一起，积极梳理课程体系之间的关联，根据学科和理论技术的发展，科学地完善教学内容。
2.2 开拓国际化视野，充分采用启发式、交互式、研讨式的教学方法和课堂、网络和实践相结合的教学手段；尝试通过引进国外教学名师开展课外专题讲座，提高学生的兴趣、拓展学生的专业思路，提升授课效果；用仪器科学与技术大专业的通识教育理念，建立典型案例素材库，完善学生的专业知识体系及应用能力；结合科研条件，采用软件仿真和硬件验证相结合实践教学系统，实践环节的比重达到30%以上；网络教学突出互动性，答疑和研讨环节能够通过网络教学平成。
3 开拓思路积极探索改革举措
测控技术与仪器专业学生有着明显的工程技术培养需求，“数字信号处理”课程是专业理论和实践相结合的桥梁，必须结合学科特点，与国际化教学内容融合，与电工技术、信号系统与控制等课程密切配合、融合[3，4]，充分体现测控技术、仪器、传感器对信号处理的更高要求和需求、拓展数字信号处理的广度和深度，在无线电测量、精密仪器信号处理和微弱信号处理等方面突出授课重点，为学科专业打下坚实基础。举措如下：
3.1 结合学科专业特点，与国际著名院校类似专业课程内容设置充分融合，将教学的内容、课程间的关系与教学实践紧密配合一起，充分提升授课效果，结合学科需求，将“数字信号处理”教学内容与国际接轨，并能根据学科和理论技术的发展而动态适应。
优秀教材与普通教材的区别，并不在于内容及其先进性，也不仅仅在于语言，主要在于教学的理念和方法[5]，对于本专业的“数字信号处理”课程更是如此。因此必须融合国外教材和国内教材的特点，合理安排教学内容的讲授方式、时机与深度，引入概念方法时，注重启发性、直观性，可使学生先知其然，而后再知其所以然。在叙述方式上，同一内容由浅入深，在不同章节，从不同层次加以阐述，力图体现各部分间有机联系；同时注意结合自上而下和自下而上的方式，注重启发、实用的同时，多帮助同学拎出主线和脉络[6]，如表2所示。必要时做一些知识补充，以使学生不仅掌握一些具体的原理、实用的方法，还建立起比较系统的认识，以供进一步深造之需。
表2：数字信号处理课程内容分类
3.2 结合“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”课程内容，与之优化整合，使“数字信号处理”课程内容与专业课程体系融会贯通。用仪器科学的通识教育理念，优化“数字信号处理”课程的授课内容、提升授课效果，完善学生的专业知识体系及应用能力。
“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”和“数字信号处理”三门课程构成了专业体系中重要的“电路、系统、信号分析与处理”基础课程体系。“电工与电路技术基础”课程主要学习电路基本理论与分析方法相关的经典理论；“信号系统与控制”课程主要学习确定性信号的时频域分析方法，线性时不变系统的描述方法与特性，以及线性时不变系统的变换域分析方法；“电工与电路技术基础”和“信号系统与控制”是“数字信号处理”的理论基础，“数字信号处理”是“电工与电路技术基础”和“信号系统与控制”在离散域中的深入扩展与应用。
然而，传统情况下“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”和“数字信号处理”课程各自施教，在一定程度上存在授课内容重复、衔接不合理、综合不够等诸多问题，这些问题随着教学计划的修改和课时的减少显得更加突出。如，在 “电工与电路技术基础”课程中，已涵盖了许多“信号与系统”课程中连续信号与系统分析的相关内容，而“数字信号处理”课程中也存在“信号与系统”课程中大量离散信号与系统分析内容的重复[3]。各门课程自身内容体系的最优不一定是整个教学计划的最优，因此，有必要结合“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”课程内容，与之优化整合，使“数字信号处理”课程内容与专业课程体系融会贯通，如此才能更好地完善学生的专业知识体系及应用能力。
3.3 仪器科学与技术是一个应用性较强的学科，“数字信号处理”是应用性很强的课程，因此该课程的教学应该是理论、实践和科学研究的三元一体。
理论教学主要是通过课堂教学环节完成的。在教学过程中，应强调基本概念的建立和基本内容的深刻理解，淡化公式的推导和解题技巧，强化所学知识的综合应用能力与创新能力的培养。加大教学内容和课程体系改革，建设形式上理论教学与实践教学独立设课，内容上互相交叉和融合，分层次按需设置的完整的理论和实践教学体系[7]，通过实践教学和简单的科学研究思路，增强学生对基础理论的认识，强化学生理解能力，深刻了解“数字信号处理”与专业相关课程的联系。
配合课程教学预先安排了4 个教学实验，要求学生用Matlab进行原理仿真，通过之后并在采样信号处理综合实验系统上进行调试和运行，从而锻炼学生对理论知识的掌握与应用能力，以及简单的科研能力。如表3所示。
表3：数字信号处理课程的教学实验内容
3.4 将授课效果作为第一评判标准，采用启发式、交互式教学方法、通过多媒体、网络、专题讨论课等方法，提高学生对课程的掌握程度；在支撑学科发展的大视野下，根据课程在学科课程体系中的地位和作用，改革传统教学手段，理论联系实际，培养学生的创新思维和创新能力，加强梳理与其他课程或竞赛之间的相互关联，全面提高学生专业应用素质。
下面以文献[6]中的实例为例，说明教学方法和教学手段的效果。在讲授序列的傅里叶变换（DTFT）和离散傅里叶变换（DFT）时，学生很难理解这两种形式傅里叶变换的区别。实际上，DTFT和DFT都是从频谱分析的角度来分析一个序列。对于DTFT，只要该序列满足绝对可和的条件，则它的傅里叶变换一定存在且连续，由于其一个域是连续的，因而不适合在计算机上运算。而DFT是专门针对序列“有限长”的特点而提出的，其频谱也是离散的，因而适于在计算机上运算，同时也可以通过快速傅里叶变换（FFT）实现。为了让学生不产生混淆，在教学过程中，可以利用MATLAB进行现场仿真，让学生通过仿真结果直观掌握二者的关系和区别。实验中，采用矩形序列x（n）=R5（n），N=32。其中图a是序列的波形图及其DTFT变换的连续谱，周期为2π，图中显示的为主值区间（[0，2π]）频谱。图b是通过16点和32点FFT来实现的序列DFT变换，其中图线的包络即为信号的DTFT连续谱，从中明显可以看出，DFT实际上是对主值区间上的DTFT连续谱在频域进行抽样，抽样点数即变换的点数。通过这样的现场仿真分析，学生很容易掌握和理解DTFT和DFT的关系和区别。
图1：一种启发式多媒体教学手段实例[6]
3.5 教师回归“师者”的本位——传道、授业、解惑，加强疏导，发挥学生主动性。所谓传道就是传授其中的基本规律和变化趋势，引领学生入门；授业是传授解决问题的方法和技能，发挥学生主动性；解惑就是答疑，持续发现并消除学生心中的疑惑。通过深入浅出、抓重点、理脉络的方式解答学生在课程学习过程中的疑惑，提高其提出问题、分析问题、解决问题的能力。“授人以鱼，不如授人以渔”。
4 结束语
“数字信号处理”是一个理论实践性都很强的课程，每个学科对其应用和理解都可能会有所偏重，因此在教学内容与方法探索上应该认真分析本专业课程建设需求与现状，不断研究解决教学内容与方法建设中存在的问题，全面归纳、总结经验，在充分研讨的基础上对教学内容与方法进行详细地规划，才持续地推进“数字信号处理”课程建设水平和授课效果，优化学生知识体系结构，满足学科专业对本课程的需求。参考文献
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[4] 谢守清，胡毅，“信号与系统”和“数字信号处理”的优化教学[J]，电气电子教学学报，2009，31（6）：18～21
[5] 王国富，尚小梅，数字信号处理课程建设与实践[J]，桂林航天工业高等专科学校学报，2008，13（3）：84～85
随着集成电路的运算速度更快，集成度更高，就有可能耐复杂目益增加均一些多维数字信号处理。所它在最近才开始出现的一个新领域。尽管如此，多维信号处埋仍然对以下一些间提了解决的办法，这些问题是：计算机辅动断层成术(CAT)，即综合来自不同方向的X射线的投影，以重建人体某一部分的三维图，源声纳阵列的设计及通过人造卫星地球资源。多维数字信号处理除具有许多引人注目和浅显易行的应用之外，它还具有坚卖的数学基础.，这不仅使我们能了解它的实现情况，而且当新问题出现时，也当及时解决。
典型的信号处理任务就是把信息从一种信号传递到另一种信号上，例如，可将一张照片加以扫描、抽样，并将毕业论文共存储在计算机的存储器中，在这种情况下，信息是从可变的银粒密度转换戌可见光束，再变成电的波形，最后变戍数字的序列，随后该数字序列用。磁盘上磁畴的排列来表示CAT扫描器是一个比较复杂，经过处理，最后显赤射线管(CRT)的荧光屏上或胶片上。数字处理能增加信息，但可以重新排列信息，使观察者能更方便地理解它.观察者不必观看多个不同测面的投影而可直接观察截面图。
人们感兴趣的是信号所包含的信息，而不管信号本身是什么形式。也许可以概括地说，信号处理涉及两个基本任务一一信息的重新排列和信息的压缩。
数字信号处理涉及到用数的序列表示的信号的处理，而多维数字信号处理则涉罚用多维阵列表示的信号的处理，例如对同时从几个传感器所接收的抽样图像和抽样的时间波形的处理。由于信号是因而它可以用数字硬件处理，同时可以将信号处理的运算规定为算法。
促使人们采用数字方法的是不言而喻的。数字方法既有效灵活。我们可以用数字系统使其有自适应性并易于重新组合。可以很方便地把数字算法由一个厂商的设备上转换到另一个厂商的设备上去，或者把专用数字硬件来实现。同样，数字算法也可用来处理作为时间函数或空间信号，数字算法自然地和逻辑算符如模式分类相联系。数字信号能够长时间无差错地存储。对很多种应用而言，数字方法Ⅸ其它方法更为简单，对另外一些应用，则可能根本不存在其他方法。多维信号处理是不同于一维信号处理，想在多维序列上实现的多运算，例如抽样、滤波和交换等，用于一维序列，然而，严格芯说，我们不得不说多终信号处理与一维信弓有很大差别的。
信号处理与一维信号处理还是有很大差别的，这是由三个因素造成的;(l)二维通常比一维问题包含的数据量大得多;(2)处理多维系统在数些上不如处理一维系统那样完备；(3)多维信号处理有更多的自由度，这给系统设计音以一维情况中无法比拟的灵活性。虽然所有递归数字滤波器都是用差分方程实现的，一维情况下差分方程是全有序的，而在多维情况下差分方程仅是部分有序的，冈而就存在着灵活性，在一维情况小，离散传里旰变换CDET)可以用快速傅里叶变换CEPT)算法来计算，而在多维情况下，有多且每一个OFT又可用多种AFT算法来计算。在一维情况下，我们可以调整速率。而且也可以调整抽排列。从另一方面来说，多维多项式不能进行因式分解，而一维多项式是可以进行因式分解的。因而英语论文在多维情况下，我们不能论及孤立的极，气、孤立的零点及孤立的根。所以，多维信号处理与一维信号处理有相当大的差别。在20世纪60年代初期，用数字系统来模仿模拟系统的想法，使得一维数字信号处毫的各种方法得到了发展。这样，仿照模拟系统理论，创立了许多离散系统理论.随后，当数字系统可以很好地模仿模拟系统时，人们认识到数字系统同时也可以完成更多的功能。由丁这种认识及数字硬件工艺的有力推动，数字信号处理得到了发展，而且现今很多通用的方法，已成为数字方法所特有的，没有与其等效的模拟方法，在发展多维数字信号处理时，可观察到同一发展趋向。因为没有连续时间的(或模拟的)二维系统理论可以仿效，因而最初的二维系统是以一维系统为基础的，80年代后期，多数二维信号处理都是用可分的二维系统。可分的二维系统与用于二维数据的一维系统几乎没有差别。随后，发展了独特的多维算法，该算法相当于一维算法的逻辑推理。这是一段失败的时期，由干许多二维应用要求数据量很大，且iT缺少二淮多项式太分解理论，很多一维方法不能很好地推广到二维上来。我们现在正处于认识的萌芽时代。计算机工业以其部件的小型化和价格日趋低廉而有助于我们解决数据量问题。尽管我们总是受限于数学问题，但仍然认识到，多维系统也给了我们新的自由度。以上这些，使得该领域既富于挑战性又无穷乐趣，电子信息技术的结合之软件结台，传统产业中可用电产信息技术的地方，仍然可以在生产或很低的条件下使用人力或传统机械。电予信息技术应到限制，在不同领域和不同水平有各种原因，但烂有一个共大原因是缺乏认识。没有认识，便没有应层。
事实上，在一维和二维信号处理理论之间有实质性的差别，而在二维和更高维之间，除了计算上的复杂世方耐差异之外，似乎差别较小。
关键词：大班教学；形象化教学；学习共同体；数字信号处理
作者简介：卢迪（1971-），女，天津人，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，教授；兰朝凤（1981-），女，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，讲师。（黑龙江 哈尔滨 150080）
基金项目：本文系黑龙江省新世纪高等教育教学改革工程项目（项目编号：66996）、哈尔滨理工大学教育教学研究项目（项目编号：C201200011）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0086-02
自大学扩招以来，各高校普遍存在学生多教师少现象，因此本科生的公共课、专业课的讲授常采用大班额配课制度，学生数在百名左右。大班教学带来的问题主要有两个方面：一方面是大班教学对学生学习积极性的影响。在大班教学中，师生之间的交流较小班教学减少，学生的个性差异和独特性被忽视，学生往往学习动机较低、学习积极性较差、学习被动、注意力不集中，师生之间和生生之间互不认识、互动很少。[1-3]另一方面，从教师的角度来说，由于大班教学导致学生发言、表达自己的意见机会大大减少，课堂气氛比较沉闷，教师往往采用“一言堂”的教授模式，教学方法单一，而且由于课堂教学时间有限、学生数多，教师很难从学生那里得到有效反馈，不能全面了解学生对课程内容的接受、理解程度。
针对这些问题，越来越多的高校教师关注于大班教学方法的研究，从中国知网的统计来看，2010年发表的相关研究论文有123篇，2011年有203篇，2012年有155篇。这些论文中，80%左右的研究集中于大学英语等公共课程，而对专业课程的大班教学方法研究较少，因此本文针对“数字信号处理”这门专业课的大班教学方法进行了一些探讨。“数字信号处理”课程是通信工程、电子信息工程、信息工程、自动控制、测控仪器等专业的重要专业基础课。该课程理论性强、数学知识应用较多、物理意义不明显，公式推导多，是学生普遍认为较难学懂、理解的课程之一。本文针对大班教学环境特点，从激发学生学习主动性，构建学习共同体方面出发，通过改善课堂效果，提高课堂上的学习效率，达到提升“数字信号处理”课程大班教学质量的目的。
一、建立“学习共同体”教学模式
“学习共同体”是指由学习者及助学者（包括教师、专家、辅导员等）共同构成的团体。团体成员在学习过程中经常进行沟通、交流，并分享各种学习资源，共同完成一定学习任务，形成相互影响、相互促进的人际联系。学习是学习者主动构建内部心理表征的过程，学习过程需要与物和教材对话、与他人对话、与自己对话。为此，教师要在教学过程中给学生“自主学习的空间”，使学生针对任务或问题去思考、分析、理解、探究，和学生构建“学习共同体”，增进师生之间、学生之间的协作和互动，[4]将学习的主动权归还给学习者，激发学生内在学习动力，将传统课堂教学活动中教师负责“教”、学生负责“学”的单向活动回归到师生互教、互学的双向活动，师生关系不再是“管理者—被管理者”的关系，而是“民主平等”的关系。课堂上，教师不再是知识的主讲者，而应像主持人一样，是知识的介绍者和串联者，学生应作为知识的“主讲者”阐述其对知识的理解。只有理解“知识”，而不是死记硬背“知识”，才能应用“知识”。譬如在讲授傅里叶变换时，教师在课堂上可以先从周期信号的分解历史开始介绍，从18世纪Euler、Lagrange等科学家对弦振动的分析（此内容物理中有相应实验），19世纪Fourier给出了周期信号级数的展开和积分、Parseval关于时域和变域的能量守恒原理、Dirichlet给出的级数和积分条件、Gibbs阐述的吉布斯现象，到20世纪无线电的产生、Nyquist采样定理、Wiener功率谱、Cooley&Tukey给出的FFT算法等。通过对傅里叶变换演变历史的介绍，学生很容易接受将任意信号分解为三角函数或指数函数形式的必然性，进而理解傅里叶变换的重要意义，掌握信号从时域到频域的转换过程。鼓励学生利用强大的网络资源，对教师介绍的有关历史进行深一步的挖掘。在这个过程中，学生会对相关知识进行初步学习，当课堂上教师讲解到相关知识点时，学生可以进一步补充自己了解的内容和对该知识点的理解。
大学工科专业课所讲内容本质上是数学、物理、化学等基础知识在工程实践中的应用，如何将这些基础知识与工程实践相结合是工程类本科学生必须掌握的技能，而只有理解这些基础知识才能很好地应用它们。英国著名哲学家和物理学家波兰尼将人类的知识分为显性知识和默会知识，其中默会知识本质就是理解力，是一种领会进而把握经验、重组经验，从而达到对它的理解和控制能力。相同的教师给同一批学生授课，但是每个学生的理解程度不一样，这就是默会知识掌握程度不同。默会知识的获得是与特定的问题或任务情景联系在一起的，由于每个学生的理解方式都受其独特的生活和文化环境影响，因此对相同问题的理解也是不一样的。掌握默会知识的最好方法就是让学生置身于知识所在的日常实践情景和科学实践情景中，通过参与专家、同伴的思考和行动过程而获得那些不能明确表达的规范、准则等。
为加强“数字信号处理”这门课的实践性，尝试将学生分为Flash课件制作组、MATLAB课件制作组，DSP程序编写组等，让学生将比较抽象的数字信号理论知识用自己的方式形象化表达出来，以判断其对默会知识的掌握。通过小组合作，学生可以充分阐述自己的学术观点，在观点的碰撞中，触发灵感，加强批判性思维，提升对所学知识的理解程度。
二、课堂效果的掌控
“学习共同体”的建立是要激发学生内在的学习动力，调动学习主动性，而课堂学习效率的提高可以达到事半功倍的效果。首先要建立统一、规范的课堂秩序，如上课不迟到、不早退，上课时不准许使用手机、笔记本电脑等电子设备，不能无故大声喧哗，发言前要举手示意教师等基本行为准则。没有规矩不成方圆，在确保课堂教学秩序的前提下，才能保证教学效果，要使学生清楚了解、理解这些行为规范，并自觉遵守执行。其次，教师要利用语言表达能力和肢体语言吸引学生的注意力。教师的语言要简洁、准确、生动、富有逻辑性，可以通过声调的变化强调所讲知识点的重要性。由于采用多媒体教学，教师不用一直站在讲台上，可以到学生座位附近边走边讲，这样，不仅可以缩短师生之间的空间距离，还可以缩短师生之间的心理距离。当教师走到学生身边时，学生必定会将注意力转移到教师身上，提高了其听课的专注度。教师在教室内的走动，还有利于随时维护课堂秩序，并随时得到课堂信息的反馈。
课堂秩序的规范不是要求学生沉默地听，而是要保证正常的教学秩序，学生如果想要发表自己的见解，可以随时举手示意教师。教师鼓励学生之间进行讨论，而教师则处于一种裁判的地位，负责给出结论和维持课堂秩序。这样，在课堂教学中，教师不再始终处于主讲地位，而是将学习的主动权交给学生，激发学生主动学习的能力。
三、“数字信号处理”课程的形象化教学
在文献[5]、[6]中都提到了“数字信号处理”课程形象化教学方法，目的是更好地帮助学生建立起数学描述与物理概念、物理过程之间的联系。因此在课堂上，教师要鼓励学生将数学描述用图形的方式表达出来。譬如在学完DFT的定义后，可以启发学生将拉氏变换，连续时间信号傅里叶变换（FT）、序列傅里叶变换（DTFT）与离散傅里叶变换（DFT）在s平面、z平面上画出来。虽然教材上有相关图形，但是可以让学生将这几个图形及模拟滤波器的频率响应、数字滤波器的频率响应绘制在一张纸上，如图1所示。在图1（a）中，虚轴上的拉氏变换对应连续时间非周期信号的FT；当时间信号为非周期序列时，进行DTFT变换，那么z平面上（如图1（b）所示）的单位圆对应的是序列的FT，此时学生可以清晰地看出数字频率仍然是连续的，但是具有了周期性质，这种频率连续的信号仍然不能用数字处理芯片进行处理，因此要在单位圆上进一步将连续的进行离散，如图1（c）所示，将单位圆N等分，即，可清楚表明DFT的概念。在解释图1（d）（e）时，重点强调模拟滤波器的角频率范围是，而数字滤波器的数字角频率是周期性的，只研究这一个周期就可以。
在课堂讲授中，多媒体教学能将抽象、生涩的知识形象化、直观化，改变了传统教学中粉笔加黑板的单一、呆板的表现形式。在多媒体教学上，可以将PPT、flash和MATLAB综合在一起应用。例如，在讲解卷积、圆周卷积等概念时，由PPT给出相应概念与公式，用flash展现2个序列做卷积、圆周卷积的过程。将圆周卷积中的移动序列做成一条贪吃蛇的形状，学生们看了之后，对圆周卷积有了一种直观的认识，对其原理的理解也更透彻。此外，多媒体教学信息量大，可以提高课堂的教学效率。但是，对于“数字信号处理”这类理论较强的课程，单纯使用多媒体教学，效果往往不佳，譬如在推导一些定理、公式时，推导过程直接呈现在PPT上，学生一眼扫过，导致思路跟不上（或也不愿意思考），理解不透彻，此时还是传统的板书效果更佳。在授课中，将知识的重点、难点及重要公式的推导由板书的形式呈现出来，方便学生记笔记，有利于学生日后对资料的整理和复习工作。
四、小结
“数字信号处理”是一门理论强、公式多、难理解的课程，在大班教学环境学下，如果学生不积极参与到教学活动中，则教学效果不佳。通过推行“学习共同体”思想，激发学生学习的内在主动性，通过形象化教学，提高学生学习的外在兴趣点，以达到学好、学透“数字信号处理”这门课的目的。
参考文献：
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一、招生人数
学院2016年计划招收博士研究生46名，实际招生人数以总部下达计划为准。
二、报考条件
我院博士研究生只面向现役军人招生，报考2016年博士研究生应当具备以下条件：
1、品德优良，遵纪守法，立志献身国防事业；未受过纪律处分。
2、军队在职干部按师（旅）级单位推荐、军级单位政治部审批、军区级单位政治部干部部门核准、总政治部干部部备案的程序进行审批，由师（旅）级单位干部部门开具介绍信。军队院校应届硕士毕业生经所在院校政治机关审批同意。
3、身体健康，体能达标，年龄不超过40周岁（1976年9月1日以后出生）。
4、在职干部须获得硕士学位，其中本院在职干部报考工学博士须有被SCI或EI收录的以第一作者发表的学术论文；应届硕士毕业生须完成学位论文初稿，在中文核心期刊（含录用通知）或国际会议发表2篇以上学术论文。
5、有两名与报考学科相关的高职人员推荐。
三、报名手续
考生持公民身份证和军官证（学员证）于2015年9月20日至30日到学院教学实验综合楼研究生招生办公室（1127室）报名，外地考生可函报。报名时应提交：
1、填制完毕的《2016年报考攻读博士学位研究生登记表》和《报考军队院校研究生政治审查表》（9月1日后，院内考生可从学院研究生处网站下载；院外考生可来电索要）。
2、已获硕士学位者，提交硕士课程成绩单、硕士学位论文及评阅意见书复印件；应届硕士毕业生提交硕士课程成绩单、硕士学位论文初稿、已发表学术论文版权页或录用通知。
3、硕士学历、学位证书原件及复印件(应届生于获得证书后补交)。
4、档案所在师（旅）级单位干部部门同意报考的证明信。
5、一寸正面半身免冠照片3张，报名费300元。
上述手续齐备，审查合格者发放准考通知，考生可于10月9日到研招办领取《准考证》。
四、考试安排
博士研究生入学考试总分值为600分，包括六项内容：英语笔试、数学笔试、科研学术成果计分、硕士学位论文评分、专业综合面试、综合素质面试，每项内容满分100分。
考试时间拟定于2015年10月11至12日，考试地点和具体安排详见《准考证》。
五、其他
1、考生可于2015年11月初查询录取情况，入学时间为2016年3月份（详见通知书）。
2、我院提供部分往年考试试题，考生可登录学院研究生处网站下载。
六、联系方式
联系人：谭继帅（参谋） 手机：13831189507座机：0311-87992123（地）；0221-92123（军）
E-mail：tanjishuai@126.com 通信地址：河北省石家庄市和平西路97号研究生招生办公室（050003）
招生专业目录
专业代码、名称及研究方向
导师
专业综合（面试）
数学（笔试）
080200机械工程
01机械性能检测与诊断
张英堂
测试技术与信号处理
矩阵理论
02地面运载平台维修理论与技术
张培林
状态监测与智能诊断技术
03机械振动与冲击防护
白鸿柏
振动理论
04机电液集成系统控制技术
何忠波
车辆工程
05机械制造及其自动化
倪新华
断裂力学
080300光学工程
01军用光电系统设计与应用
刘秉琦
陈志斌
应用光学、物理光学、光电测试技术
矩阵理论
02激光技术
沈学举
激光原理及应用
03光学信息安全
光学信息技术原理与应用、光学信息安全
04微纳光学
汪岳峰
光电子技术
080402测试计量技术及仪器
01测试性设计与分析
黄考利
测试技术
矩阵理论
02精密仪器与微系统
王广龙
03装备状态监测与故障预测
李洪儒
测试与诊断技术
矩阵理论或应用数理统计
04网络安全技术
王 韬
计算机网络
081100控制科学与工程
01装备测试与故障诊断
尚朝轩
测试与诊断
矩阵理论或应用数理统计
02火力与指挥控制理论及应用
全厚德
孙世宇
数字信号处理
矩阵理论
03武器系统建模与仿真
朱元昌
系统仿真
04电子装备自动测试、故障诊断及可靠性
蔡金燕
测试与诊断
05目标识别与信息处理技术
王春平
图像工程
06精确制导理论与技术
杨锁昌
精确制导、控制与仿真技术
07无人机数据链抗干扰技术
陈自力
线性系统理论、数字信号处理
08目标探测与识别
马彦恒
数字信号处理、现代控制理论
09飞行器控制
齐晓慧
线性系统理论
10无人机协同控制
李小民
现代飞行控制理论、导航控制技术
11无人机信息处理与传输技术
王长龙
数字信号处理
12非线性系统的稳定性与控制
徐 瑞
动力系统的稳定性理论
082600兵器科学与技术
01装备轻量化技术
郑 坚
火炮与自动武器原理、材料学
应用数理统计
02兵器试验理论与技术
秦俊奇
火炮专业相关理论
矩阵理论
03装备维修理论与技术
陶凤和
火炮与自动武器原理、现代机械测试技术
04兵器性能检测与诊断技术
房立清
机械装备故障诊断与预测、武器系统装备知识
应用数理统计
冯广斌
火炮与自动武器原理、工程信号处理、现代机械测试技术
矩阵理论
05兵器结构动力学理论与应用
王瑞林
枪炮设计原理、振动理论、电磁场理论
06武器系统仿真与虚拟样机技术
马吉胜
振动理论、动力学仿真
07弹道学理论及应用
宋卫东
弹道学理论、制导理论与技术
08弹道修正理论与技术
弹道学、自动控制与导弹设计理论
矩阵理论或应用数理统计
09兵器性能检测与故障诊断
唐力伟
振动理论
10兵器新材料技术
王建江
材料学
应用数理统计
11弹药系统设计与试验评估
高欣宝
系统仿真技术及其在信息化弹药工程中的应用
矩阵理论
罗兴柏
爆炸及其防护技术在弹药保障中的应用
12弹药保障与安全技术
安振涛
炸药理论、弹药保障及安全风险评估
穆希辉
弹药保障
矩阵理论或应用数理统计
13信息感知与控制技术
齐杏林
弹药引信论证、设计、试验及评估理论与技术
14防护材料与特种能源技术
杜仕国
防护材料与特种能源技术及其在弹药工程中的应用
矩阵理论
15电磁发射理论与技术
雷 彬
电磁场理论、测试技术
16武器系统建模与仿真
苏群星
武器系统仿真与模拟器设计
17红外图像末制导技术
高 敏
弹道学、自动控制与导弹设计理论
矩阵理论或应用数理统计
18装备维修保障理论与技术
贾希胜
石 全
康建设
赵建民
可靠性、维修性、维修工程
应用数理统计
朱小冬
可靠性、维修性、维修工程、建模与仿真
矩阵理论或应用数理统计
19装备维修性理论与应用
郝建平
可靠性、维修性、维修工程、虚拟仿真
20电磁防护理论与技术
刘尚合
魏光辉
电磁场理论、微波与天线
矩阵理论
王庆国
大学物理、有机化学、固体物理、电磁场理论
谭志良
电子技术基础、通信原理、微波与天线
21脉冲电磁场测试技术
朱长青
电路分析、电磁场理论和微波技术、数电模电
110900军事装备学
01装备保障信息化
卢 昱
网络信息安全保障
军事运筹学
02装备保障理论与应用
石 全
军事装备学、战役基本理论
应用数理统计或军事运筹学
于永利
可靠性、维修性、维修工程、建模与仿真
军事运筹学
柏彦奇
高 崎
关键词：电磁矢量，非圆信号，DOA，估计方法
1 绪论
1.1课题背景波达方向（Direction Of Arrival，DOA）估计（常称为DOA估计）是阵列信号处理领域内的主要研究方向之一。论文格式。阵列信号处理[1]是近几十年来综合阵列理论和数字信号处理理论与技术而发展起来的一门学科分支。它是将一组传感器在空间的不同位置上按一定规则布置形成的传感器阵列。尽管采用的传感器类型可以不同，如天线、水听器、听地器、超声探头、X射线检测器，但是传感器阵列的功能是相同的，它是连信号处理器和感兴趣的空间的纽带，用传感器阵列接收空间信号，获得信号源的空间观测数据并加以处理。阵列信号的处理目的是从这些观测数据中提取信号场的有用特征，获取信号源的属性等信息。近些年，随着微电子技术、数字信号处理技术、并行处理技术的迅猛发展，阵列信号处理的理论和实际应用也得到了迅速发展。
尽管空间谱估计的理论与技术日益成熟，但是需要或者值得研究的方向仍然很多。譬如近几年来，如何利用非圆信号(non-circularsi gnals)的特征来提高算法估计性能己经成为信号处理理论界的一个研究热点。
1.2对非圆信号的研究意义对非圆信号的研究有着现实意义，一方面，非圆信号是现代通信系统中常用信号;另一方面，在实际应用场合中经常会遇到由于用户的高密集性而使得阵列的接收信号数要远大于阵元数的情况，并且为了处理的实时性，不可能获得很多的快拍数。因此研究处理信号个数多、运算量小的算法显得尤为迫切。
2 电磁矢量传感器阵列非圆信号模型2.1电磁矢量传感器输出信号模型电磁矢量传感器由于其独特的同点极化分集接收能力，使得隐含于信号结构中的微观信息得到充分利用，受到了人们的广泛关注。电磁矢量传感器[3]阵列是一种极化敏感阵列，由若干个相同形式的电磁矢量传感器组成。每个电磁矢量传感器又可视为一个6元子阵，由相位中心重合的三个正交电偶极子和三个正交磁偶极子组成，可以同时感应入射电磁信号的3个电场分量和相应的3个磁场分量。
2.2电磁矢量传感器阵列流行矢量特点关于电磁矢量传感器的阵列流形矢量有几个重要的特点。首先单个矢量传感器测量产生一个6×1维的导向矢量，因此，单个矢量传感器本身能够等效表示一个六元阵列。第二，矢量传感器的阵列流形没有时间延迟相位，也就是说矢量传感器阵列流形矢量不同于空间平移阵列，单电磁矢量传感器的导向矢量与空间抽样间隔以及入射信号的频率无关，这种频率无关性是由于组成矢量传感器的六个分量传感器在空间同点放置。论文格式。第三，电磁矢量传感器阵列流形矢量是极化敏感的；这就意味着具有相同DOA方向但是有不同极化状态的信号有不同的阵列流形矢量，因而可以基于他们的极化分集区分开来。第四，任意宽带或者窄带电磁波信号的电场矢量和磁场矢量相互正交，并且正交于信号的归一化玻印廷矢量，信号单位传播矢量的三个分量是沿着笛卡尔坐标的三个方向余弦。
3 改进的非圆信号DOA估计方法3.1相干源的分辨问题在实际情况中，常由于多径传输或人为干扰的影响，阵列有时会收到来自不同方向上的相干信号，相干信号会导致接收信号协方差矩阵的秩亏损，从而使得信号子空间“扩散”到噪声子空间中去。因此，MUSIC算法[2]的空间谱搜索就无法在波达方向上产生谱峰；ESPRIT算法也会由于秩亏损而无法求解出正确的来波方向。相干源的问题要从解决矩阵的秩亏损入手。论文格式。当个信号非相干时，一次快拍得到的是个信号线性组合的阵列向量，其协方差矩阵具有秩为的信号子空间。如果个信号中有两个相干，即这两个信号的相位关系保持不变，再多的快拍数也只能得到个非线性相关的阵列向量，使信号子空间的秩降为，也就是产生了秩亏损。
由以上分析可知，在相干信号源情况下正确估计信号方向（称为解相干或去相干）的核心问题是如何通过一系列有效变换使得信号协方差矩阵的秩得到有效恢复，从而正确估计信号源的方向。本章将考虑基于电磁矢量阵列的非圆信号DOA估计问题，提出一种广义相位平滑算法，这种方法不仅可以提高非圆信号的DOA估计精度，还可以有效处理相干信号的估计问题。
3.2广义相位平滑MUSIC与MUSIC算法比较广义相位平滑算法能较好的对两个相干非圆信号解相干。不仅如此，广义直接相位平滑算法和广义平方相位平滑算法还可以对非相干非圆信号DOA估计精度有明显的改进。
下面将通过仿真来比较这三种算法的性能。仿真中采用电磁矢量传感器均匀线阵，由6个指向相同的电磁矢量传感器组成，阵元间距为半波长。通过第2节电磁矢量传感器输出信号模型的建立和电磁矢量传感器阵列流行矢量的特点分析进行比较。比较步骤如下：
1.通过计算信噪比与均方角度误差的关系，信号为三个非相干的BPSK窄带信号，入射角度为、和，初始相位为、和，极化状态为、和，快拍数为200，所给结果为200次独立实验的平均；
2.快拍数与均方角度误差的关系，信号步骤1相同，信噪比为-5dB；
3.在步骤1的基础上将信号入射角度变为、和；
4.在步骤2的基础上将信号入射角度变为、和。
通过比较，结果表明，在低信噪比和短快拍数两种困难条件下广义相位平滑算法对非相干的线极化非圆信号DOA估计精度有明显的改善作用。
4 .总结本文主要研究了非圆信号的定义与性质；基于电磁矢量阵列的非圆信号DOA估计的数学模型；研究了一种改进的非圆信号DOA估计方法，即广义相位平滑算法，并把它推广到电磁矢量阵列。从而提高参数估计性能并且能估计多于阵元个数的信号。同时，广义直接相位平滑算法和广义平方相位平滑算法不仅可以很好的对两个相干的非圆信号解相干，还对非相干的非圆信号DOA估计精度有明显的改善作用。
【参考文献】
[1]庄钊文等.极化敏感阵列信号处理[M].国防工业出版社，2006.
[2]Y Xu and Z Liu.Subspace-Based Single-Vector-Sensor Direction Finding for Two Coherent AcousticSources Having Real-Valued Constellations[C].in proc.IET internationalconference on wireless,Mobile&MultimediaNetworks,2006,HangzhouChina,994-997
[3] A. Nehorai andE. Paldi. Vector-sensor array processing for electromagnetic sourcelocalization. IEEE Trans. Signal Processing, Vol. 42, No. 2, 1994, pp. 376-398
关键词：双语教学；师生互动；调查研究
评价教学改革的措施及成果，最为有效的办法是社会调查，既对在学的学生作调查，也对已毕业的学生作调查，统计和分析调查的结果，作为我们进行教学改革的重要依据。我们从开始设计“数字信号处理”课程双语教学的改革起，就密切关注学生的反应，认真、切实地与同学们互动，并将这样的互动贯彻教学和改革的始终。
一、基本情况
“数字信号处理”课是电子信息类专业的重要专业基础课程。随着数字化和信息化的迅速发展，数字信号处理的地位和作用越来越突出，新的算法层出不穷，有关的器件更是新品迭出，令人目不暇接。无庸讳言，新的算法和新的器件主要来自国外，有关的文献和器件手册，基本上都是用英文撰写。
这就要求在本领域从事教育、研究、开发的工作人员，能够用英文熟练地检索、阅读、理解有关的理论、方法、算法以及各种器件的使用手册，并能用英文娴熟地撰写比较地道的学术论文、技术报告和文档。还可以与国内外的同行自由地进行交流。
我们的英语课程占用学生的时间和精力太多而效果不佳，效率低下。数字信号处理课程的理论性很强，学好实属不易。但是，课程组认为，我们的思考和改革还应该有更丰富的含义。
长期的应试教育给我国教育造成的后果是严重的。相当一部分学生只关心考试及成绩，不能主动地、有意识地自主学习，培养与提高自己的学习能力。
更为严重的是，我们的课程教学中普遍采用的满堂灌输的教学方式，与世界一流大学的引导式、启发式、互动的研究型教学思想和方法之间，存在较大的差距。
有鉴于此，我们响应教育部关于积极采用国外优秀原版教材和积极推广使用现代化教育手段的要求，对该课程进行了重大的改革。
我们认真地关注着有关双语教学的各种讨论和争论。作为工作在教学第一线的教师，我们没有可能更多地参与教育理论的讨论，而是希望通过自己的认真实践和不断总结，使我们的课程上得好一点，使学生的收获大一点，使他们在日后的学习和工作里更顺利一点。
因此，我们进行双语教学的原则是积极、慎重、实事求是。
我们为双语教学所设定的主要目标是：
(1)尽可能让学生养成自主学习的意识和习惯。
(2)让学生将英语作为工具来使用，而不是作为一个科目来学习，能够熟练地阅读、思考、理解英语原版教材和电子教案，用英语完成作业与试卷；能适应英语授课和讨论，与老师及同学流畅地交流。
(3)建设一支高水平的双语教师队伍，既有高的学术造诣，又有高的教学水准，还有高的双语教学能力。
(4)研究双语教学过程中教与学双方出现的各种问题，并寻求解决的思路和途径。
提高教学质量必须从“教”和“学”两方面进行改革。我们依托国家精品课程“数字信号处理”，对双语教学模式和课程的考核方式进行改革，在已有的实践基础上，不断根据新的教学实践认真研究和总结，以评估改革的效果，明确进一步改革的方向。
对已经进行的五轮教学实践作认真的总结和研究，获得有益的经验和失败的教训。
加强和既往学生的联系，特别是已经毕业的学生，他们后来继续学习和工作的体验，弥足珍贵。
进一步加强与在学学生的交流，既认真听取他们的意见和建议，也对他们的学习加以引导。继续进行学生的问卷调查，不间断地积累资料，并进行分析和研究。认真研究国内外著名大学同类课程的建设和发展，认真加以借鉴。
二、课前和课中的互动
按照教学计划，我们的课程在大三上开出。在大二下的暑假前，我们总会召开一个课程介绍会，由学生科负责组织，全体同学和课程组的全体老师参加。在会上，首先介绍课程的基本情况和特色，然后向同学们介绍全体任课教师及其特点。比如，哪些老师主要用英语授课，哪些老师的中文讲得要多一点；哪些老师讲得提纲一点，要求同学的自学能力要强一些，哪些老师讲得细一点；等等。这样做，有助于同学选课时针对性强一些，不至于盲目。还要向同学们介绍选用的外版教材和主要的参考书，提醒大家可以在高年级同学毕业时，购买二手教材，以减轻学生的经济负担。同学们从先修双语课程的高年级同学处，都会得到一些经验和教训。我们也会认真听取大家的意见和建议，并解答他们的一些疑问。
开课后的两周内，允许同学根据自己的感受，在不同老师的授课班间流动。
在授课中，我们要举行“教学公开日”活动，邀请有兴趣的同学参加，就课程进行中教师和学生双方的问题进行交流和讨论。
至于课堂上教学活动中的互动，则是各位老师自行掌握的事情，不在本文的讨论范围。
三、课后的调查及结果分析
从2001年双语教学改革开始，我们就坚持每轮课程结束后，对全体学生进行匿名的问卷调查，数百学生就数十个问题的选择，对我们了解学生的感受和想法，意义重大迄今所进行过的五轮调查及其统计结果，成了我们的宝贵财富。以下是一些重要问题的调查和统计结果。
1、问卷调查的结果表明：
(1)赞成使用国外原版教材的学生，达到7成到8成。这和学生们体会到就业的国际化环境密切相关，也和本课程的先修课程“信号与系统”也采用了原版教材密切相关。
(2)赞成使用英语授课，或基本使用英语授课加部分中文解释者，占到学生总数的5成到6成。近2／3的学生接受了这样的双语教学方式，我们有理由为教师和学生的进步而感到高兴。
2、原则上赞成使用原版教材的学生尽管有7成到8成，但具体到所使用的教材，认为很好和比较好者都只占6成到7成，联系到只用英语教材或其他英语参考书者，五个年级都只占3成到4成，其他同学同时在使用中文参考书，说明：
(1)学生阅读和理解原版教材的能力尚待提高。
(2)不适应使用原版教材和中文教材学习上的差别。习惯于老师按照教材逐章逐节讲得很细，下课后基本不复习或略为复习就可以做作业了。而英文教材容量很大，不可能都讲到，也不可能讲得很细，需要学生下课后认真读书，自己去仔细地体会。这可能是学生不习惯原版教材的主要原因。学生在各种座谈会上也同意这样的分析。
3、我们认为，这已经不仅仅是双语教学的问题，应该理解为教与学双方的理念上的问题。据了解，国外使用同样教材的大学，所用的授课学时，要比我们少得多。我们选用原版教材的初衷，就是要引导学生认真地读书，
主动地学习，从而提高自主学习的能力。我们的初衷和理念并没有改变，但任务比我们设想的要艰巨得多，需要我们付出更多的努力，更好地与学生沟通，给予更有力的引导和读书指导。
4、我们积极地采用现代教育技术来提高教学效率。但是，现代教育技术本身仅仅是一种手段，而不是目的。
(1)在自教学实践中，我们充分体会到，如何有效地利用这些手段来达到提高教学质量、改善教学效果的目的，还需要认真地总结、反复地实践以及教师和学生之间的相互理解和良好的配合。
(2)尤其是使用电子教案进行课堂教学时，必须注意一些重要的问题。
(3)认为电子教案做得好和比较好的学生，从2000级的5成，提高到2001级的6成和2002、2003级的近7成，再到2004级的过8成。说明我们的电子教案不断在改善，学生也在不断地适应。但是，我们还是不断地强调花大力气改善。这涉及教师对教学大纲和教材的理解、电子教案的制作、使用电子教案教学的表达方式、电子教案与板书的配合、学生对使用电子教案教学的适应等多方面的问题。
(4)使用电子教案教学的节奏，尤其值得注意。2000和2001两个年级都只有不到一半的学生认为现在的节奏合适，同样多的学生认为节奏太快。经过教师经验的积累和学生的适应，2002、2003以及2004级已有6～7成的学生认为节奏合适，3成的学生还是认为太快。联系到只有1／4的学生作详细笔记，4成的学生只作提纲式的笔记等现象，节奏仍然是教师和学生都关注的问题，成为教学成功与否的关键因素之一。只有通过更多的实践、总结，以及与学生更好的沟通，来逐步地加以解决。
5、也有不少同学反馈的意见是负面的，甚至是相当负面的。2000和2001级有10％左右的学生认为，根本不应该使用原版教材和双语教学，我们所作的所谓改革是完全失败的。2002级和2003级的该比例降到4％～5％，2004级降到3％。
四、对已经毕业学生的调查及结果分析
2006年暑假，我们在学生科的配合下，对已经本科毕业参加过本课程双语教学活动的2000和2001级的400余名同学，就他们本科期间接受双语教学的感受，进行了一次大型的匿名问卷调查。调查对象分为在读研究生(包括在本校读研和在外校读研)和参加工作两部分。共发出调查问卷416份，回收有效问卷389份，有效率为93.5％。2000级回收有效问卷205份，其中在读研究生63份，占30.7％，参加工作者142份，占69.3％。2001级回收有效问卷184份，其中在读研究生56份，占30.4％，参加工作者128份，占69.6％。从这些有效问卷里，我们得到了一些很有意义的统计结果。以下是主要的调查问题的统计结果。
1、两个年级的统计数据非常接近，而且都是基于200 左右的样本的统计结果。可以认为，统计数据是平稳而可信的。
2、86％以上的毕业生赞成我们使用的双语教学，87％以上的毕业生认可我们选择的原版教材。既超出了在校学生的认可程度，也超出了我们的预期，给我们以很大的鼓舞。
3、对目前工作的帮助可以作再细的分析，因为和他们从事的工作密切相关：
(1)在读研究生，认为帮助很大和比较大者，达到80％～90％。
系统总结了当前电压型可逆变流器控制策略的发展概况，并对其详细分类研究。在比较各种控制方案优缺点的基础上最终确定了以电流d-q变换结合滑模控制作为本课题的控制策略。
详细阐述了电压型可逆变流器的数学模型，包括通用数学模型、d-q变换大信号数学模型、以及d-q变换小信号数学模型。根据d-q变换大信号数学模型建立了系统的电流环。结合d-q变换小信号数学模型设计了电压环以及电压环的滑模控制器。
确定了电压空间矢量(SVPWM)作为开关控制策略。详细阐述了其基本原理。基于MATLAB对其进行了仿真研究。针对可逆变流器使用常规的PID控制对系统参数变化的较为敏感性，电压环采用了滑模变结构控制以期得到改善。基于MATLAB仿真软件完成了系统的忽略高次谐波、不忽略高次谐波下的SPWM、SVPWM的闭环系统仿真。
针对单片机控制系统的计算速度慢，实时性控制较差，因此本课题采用TI公司的数字信号处理器TMS320F240来控制系统，以期提高计算速度。
根据本课题的控制方案，设计了系统软件流程，编写了系统的电流电压双闭环程序。基于TMS320F240发出开关频率fs =900Hz的空间矢量波形。理论上的分析结合实践过程完成了系统的开环和闭环实验，验证了控制方案的可行性。
本课题获得河北省教委科技基金支持，是国家自然科学基金的后续课题，对解决电网谐波污染，提倡绿色用电有着重大的经济价值和理论上的指导意义。
关键词 功率因数校正；可逆变流器；滑模变结构控制；空间矢量；数字信号处理器
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 录
摘要……………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………Ⅱ
第1章 绪论…………………………………………………………………1
1.1 功率因数校正技术的发展概况………………………………………1
1.1.1 单个三相PFC电路………………………………………………2
1.1.2 电流断续状态下三相单开关变换器……………………………3
1.1.3 电流断续状态下的三相升压变换器……………………………4
1.1.4 电流连续状态下三相升压变换器………………………………4
1.1.5 三相降压整流器…………………………………………………5
1.2 电压型可逆变流器的开关控制策略…………………………………5
1.3 电压型可逆变流器的控制方案………………………………………6
1.3.1 间接电流控制……………………………………………………6
1.3.2 直接电流控制……………………………………………………7
1.4 可逆变流器控制策略的新发展………………………………………9
1.4.1 单周控制…………………………………………………………10
1.4.2 占空比控制………………………………………………………10
1.4.3 基于Lyapunov非线性大信号方法控制………………………10
1.4.4 神经网络和模糊逻辑控制………………………………………10
1.4.5 双电流控制………………………………………………………11
1.4.6 输出直流电压的优化前馈补偿控制……………………………11
1.5 本课题工作…………………………………………………………11
第2章 可逆变流器控制方案及数学模型…………………………13
2.1 可逆变流器数学模型概述…………………………………………13
2.2 系统数学模型的建立………………………………………………13
2.2.1 系统通用数学模型的建立………………………………………14
2.2.2 系统d-q数学模型的建立………………………………………16
2.2.3 系统小信号数学模型……………………………………………18
2.3 系统的控制方案……………………………………………………21
2.4 变流器电流环的设计………………………………………………22
2.5 滑模变结构控制理论………………………………………………25
2.5.1 滑模变结构控制的基本问题……………………………………26
2.5.2 滑模变结构控制的基本策略……………………………………26
2.5.3 滑模变结构控制系统的动态品质………………………………27
2.6 滑模控制器及电压环的设计………………………………………28
2.6.1 广义控制对象的确定……………………………………………28
2.6.2 滑模控制器的改进………………………………………………32
2.7 本章小结……………………………………………………………36
第3章 系统仿真研究……………………………………………………37
3.1 空间矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37
3.2 空间矢量的工作模式和时间的计算………………………………38
3.3 空间矢量调制比及其对系统的影响………………………………42
3.4 空间矢量的MATLAB仿真………………………………………43
3.5 控制系统仿真研究………………………………………………45
3.5.1 不忽略高次谐波下的总系统SPWM仿真……………………49
3.5.2 不忽略高次谐波下的总系统空间矢量仿真……………………50
3.6 本章小结……………………………………………………………52
第4章 基于DSP软件实现……………………………………………53
4.1 TMS320F240的结构与汇编原理……………………………………53
4.2 TMS320F240的中断结构……………………………………………54
4.3 TMS320F240的定点运算……………………………………………55
4.4 系统控制的硬件和软件设计………………………………………56
4.4.1 系统硬件设计……………………………………………………57
4.4.2 系统软件设计……………………………………………………58
4.5 本章小结……………………………………………………………60
第5章 系统实验…………………………………………………………61
5.1 开环实验……………………………………………………………62
5.2 闭环实验……………………………………………………………64
5.2.1 电流闭环实验……………………………………………………64
5.2.2 电压闭环实验……………………………………………………67
5.3 实验注意事项………………………………………………………69
5.4 本章小结……………………………………………………………69
结论……………………………………………………………………………71
参考文献………………………………………………………………………72
攻读硕士学位期间所发表的论文……………………………………………77
致谢……………………………………………………………………………78
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智能天线综合了自适应天线和阵列天线的优点,以自适应信号处理算法为基础,并引入了人工智能的处理方法。智能天线不再是一个简单的单元,它已成为一个具有智能的系统。其具体定义为:智能天线以天线阵列为基础,在取得电磁信息之后,使用人工智能的方法进行处理,对电磁环境做出分析、判断,并自动调整本身的工作状态使之达到最佳。依据天线的智能化程度可将天线分成可变波束天线、动态相控阵列和自适应阵列3类。可变波束天线依据接收功率最大原则,在几个预设阵列波束中进行切换;动态相控阵列使用测向算法,能够连续追踪用户的方向而改变天线的波束,使接收功率达到最大;自适应阵列既对用户进行测向,又对各种干扰源进行测向,在形成波束时,不仅使接收功率最大,而且使噪声降到最低,从而使接收信噪比最高。
智能天线的发展可分成3个阶段:第1阶段是应用于上行链路,通过使用智能天线增加基站的接收增益,从而使接收机的灵敏度和接收距离大大增加;第2阶段是将智能天线技术同时应用于下行链路,在智能天线应用于下行链路后,能够控制波束的发射方向,从而有助于频率的复用,提高系统的容量;最后一个阶段是完全的空分多址,此时在一个蜂窝系统中,可以将同一个物理信道分配给不同的用户,例如,在TDMA中,可以将同一小区内同一时隙同一载波同时分配给两个用户。
2智能天线的组成和关键技术
智能天线主要分为天线阵列、接收通道及数据采集、信息处理3部分。在移动通信系统中,天线阵列通常采用直线阵列和平面阵列两种方式。在确定天线阵列的形式后,天线单元的选择就十分关键。天线单元不仅要达到本身的性能指标,还必须具有单元之间的互耦小、一致性好以及加工方便的特点。目前微带天线使用较多。
接收通道及数据采集部分主要完成信号的高频放大、变频和A/D转换,以形成数字信号。目前,受A/D器件抽样速率的限制,不能直接对高射频信号和微波信号进行采样,必须对信号进行下变频处理,降低采样速率。
信息处理部分是智能天线的核心部分,主要完成超分辨率阵列处理和数字波束形成两方面的功能。进行超分辨率阵列处理的目的是获得空间信号的参数,这些参数主要包括信号的数目、信号的来向、信号的调制方式及射频频率等,其中信号的来向对于实现空分多址和自适应抑制干扰有着重要作用。在众多的超分辨率测向算法中,MUSIC算法及其改进算法一直占据主导地位,它不受天线阵排阵方式的影响,只需经过一维搜索就能实现对信号来向的无偏估计,并且估计的方差接近CRLB。此外,使用ESPRIT算法来解决移动通信中的测向问题也得到了广泛的研究。数字波束形成主要通过调整加权系数来达到增强有用信号和抑制干扰的作用,它需要收敛速度快、精度高的算法支持。根据所需先验知识的不同,目前的波束形成算法主要有3类:以信号来向为先验知识,如LCMV算法;以参考信号为先验知识,包括LMS算法及其改进算法NLMS、RLS等;不需要任何先验知识,如CMA算法。由于移动通信环境复杂,各种算法也有各自的优缺点,因此系统中必须对多种算法取长补短,才能达到最佳效果。
3智能天线的特点和优势
(1)提高系统容量
在蜂窝系统中,用户的干扰主要来自其他用户,而智能天线将波束零点对准其他用户,从而减少了干扰的影响。由于系统提高了接收信噪比,因此减少了频谱资源的复用距离,从而获得了更大的系统容量。
(2)扩大小区覆盖距离和范围
使用智能天线可以提高用户和基站的功率接收效率,进一步扩大基站的通信距离,减少功率损失,从而延长电池的寿命,减小用户的终端。
(3)减少多径干扰影响
智能天线使用阵列天线,通过利用多个天线单元的接收信息和分集技术,可以将多径衰落和其他多径效应最小化。
(4)降低蜂窝系统的成本
智能天线利用多种技术优化了信号的接收,从而能够显著降低放大器成本和功率损耗,提高系统的可靠性,实现系统的低成本。
(5)提供新服务
智能天线在使用过程中必须对用户进行测向,以确定用户的位置,从而为用户提供基于位置信息的服务,如紧急呼叫等。目前,美国联邦通信委员会已准备实施用户定位服务。
(6)更好的安全性
使用智能天线后,窃听用户的通话将会更加困难,因为此时盗听者必须和用户处于相同的通信方向上。
(7)增强网络管理能力
利用智能天线可以实时检测电磁环境和用户情况,从而为实施更有效的网络管理提供条件。
(8)解决远近效应问题和越区切换问题
智能天线可自适应地调节天线增益,较好地解决了远近效应问题,为移动台的进一步简化提供了条件。在蜂窝系统中,越区切换是根据基站接收的移动台的功率电平来判断的。由于阴影效应和多径衰落的影响常常导致越区转接,增加了网络管理的负荷和用户呼损率。在相邻小区应用的智能天线技术,可以实时地测量和记录移动台的位置和速度,为越区切换提供更可靠的依据。
4智能天线的技术现状
在分析智能天线理论的同时,国内外一些大学、公司和研究所分别建立了实验平台,将智能天线应用于实践中,并取得了一些成果。
(1)美国
在智能天线技术方面,美国较其他国家更加成熟,已开始投入实际应用中。美国的ArrayComm公司发展了针对GSM标准和日本PHS标准的智能天线系统。该公司已将智能天线应用于基于PHS标准的无线本地环路中,并投入了商业运行。该方案采用可变阵元配置,有12阵元、8阵元环形自适应阵列可供不同的环境选用,现场实验表明,在PHS基站采用智能天线技术可使系统容量增加4倍。
(2)欧洲
欧洲通信委员会在RACE计划中实施了第一阶段的智能天线技术研究,称为TSUNAMI,由德国、英国、丹麦和西班牙共同合作完成。它采用DECT标准,射频频率为1.89GHz,天线由8个微带贴片组成。阵元距离可调、组阵方式可变,有直线型、圆环型和平面型3种形式。数字波束形成的硬件主要包括2片DBF1108芯片,它在软件上分别由MUSIC算法、NLMS、RLS完成测向和求得最佳的加权系数。在典型的市区环境下进行实验表明,该智能天线能有效跟踪的方向分辨率大约为15°,BER优于10-3。
(3)日本
ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。天线阵元布局为间距半波长的16阵元平面方阵,射频工作频率为1.545GHz。阵元组件接收信号在A/D变换后,进行快速傅氏变换,形成正交波束后分别采用恒模算法或最大比值合并分集算法,数字信号处理部分由10片FPGA完成。ATR研究人员提出了智能天线的软件天线概念。
(4)其他国家
我国的信威公司也将智能天线应用于TDD方式的WLL系统中。该智能天线采用8阵元的环形自适应阵列,射频工作于1785~1805MHz,采用TDD工作方式,收发间隔为10ms,接收机灵敏度最大可提高9dB。此外,爱立信公司与德国运营商也将智能天线应用于GSM基站上,但该天线的智能化程度不高。韩国、加拿大等国也开展了智能天线方面的研究。
(5)用于卫星移动通信的智能天线
上文主要介绍了基于蜂窝系统的智能天线,另外还有一种用于L卫星移动通信的智能天线。该天线采用了由16个环形微带贴片天线组成的一个4×4的方形平面阵,它的射频频率为1.542GHz,左旋圆极化,中频频率为32kHz,A/D变换器的采样速率和分辨率分别为128kHz和8位。在数字信号处理部分,选用了10个FPGA芯片,其中8个用于16个天线支路的准相干检测和快速傅里叶变换,另外2片则起到波束选择、控制和接口的作用;自适应算法则选择了CMA。系统的外场测试表明,它能产生16个波束来覆盖整个上半空间,并且不需要借助于任何传感器,就能用最高增益的波束来自动捕获和跟踪卫星信号,从而在各种复杂的环境下均能提供比采用其他天线要高得多的通信质量。
5智能天线面临的挑战和发展方向
智能天线系统在改善性能的同时,也增加了收发机的复杂度。因为要对每个用户进行定位,并且波束形成的计算量很大,所以智能天线系统中有多个计算单元和控制单元。在实施SMDA时,资源管理也成为一个必须关注的问题。作为一种新的多址方式,在频谱分配和移动性管理上也提出了新的问题,将会对网络管理提出更多的需求。此外,目前智能天线的物理尺寸较大,不利于构建更小的基站。
智能天线形成下行波束较为困难,因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识,而无线信道的信道状况变化极快,使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。接收和发送链路中器件的线性特性对系统的性能有显著影响。智能天线的各种定位算法和波束形成算法的运算量很大,对器件、时间和功率的要求比较高,因此研究高效的优化算法对提高系统的性能至关重要。
到目前为止,还没有一个完整的智能天线系统理论,而智能天线今后的研究必须同一些相关技术联系,如与多用户检测、多用户接收和功率控制等结合在一起。目前的智能天线多用于基站系统,今后还可以研究基于移动台的智能天线。在信号处理部分,目前多采用自适应信号处理算法,尚未将人工智能方法应用于其中,同时还可尝试将智能计算的一些方法,如人工神经网络、模糊技术和进化计算等用于智能天线系统中。
论文摘要：目前我们日常所使用的一些带有或使用变频器驱动系统的设备都会产生大量的高次谐波，这种严重的电磁辐射是我们平时用肉眼看不到的隐形杀手，无论是对我们的身体健康，还是对精密仪器的使用，它都有严重的危害性，而且影响深远。
变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是驱
动的交流化、功率变换器的高频化、控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，因提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。当前竞争的焦点在于高压变频器的研究开发生产方面。
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而且厂家仍在不断地提高可靠性，为实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。辨别变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；最后还要看本身的能量损耗（即效率）。这里仅以量大面广的交—直—交变频器为例，阐述其发展趋势：主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化；开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。
在变频器主电路的拓扑结构方面。变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的转动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。
脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。
交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。
近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低、体积缩小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。
在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上首枚DSP芯片诞生了。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。
关键词：Matlab GUI；信号与系统；教学辅助
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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
“信号与系统”是电子信息工程专业的一门基础主干课程，它以信号特性和处理等工程问题为背景，结合高等数学、线性代数、复变函数、电路分析等理论对确定性信号进行时域、频域和复频域分析，是将学生从电路分析的知识领域引入信号处理与传输领域的关键课程，也对后续专业课程如“通信原理”、“数字信号处理”等起着承上启下的作用[1]。该课程概念抽象，数学公式推导较为繁杂，结果较难理解。该课程的传统教学方式多采用单一的理论教学，或配有少数硬件设备诸如信号与系统实验箱等以进行少学时的实验教学。由于硬件设备价格昂贵，数量有限，加上实验学时的限制，学生主要依靠做习题来巩固和理解教学内容，对课程中大量应用性较强的内容不能实际动手设计、仿真和分析，严重影响并制约了教学效果。为了从一定程度上缓解学生在学习过程中存在理论和实践严重脱节的问题，论文采用面向对象程序设计方法及层次化思想，基于Matlab的图形用户界面GUI（Graphic User Interface）设计了“信号与系统”教学辅助平台。借助该平台，可帮助学生更好地理解和掌握信号处理中的基本理论和分析方法，激发学习兴趣，从而达到良好的教学效果。
1平台总体结构框图
平台的总体功能框图如图1所示。平台和教学内容保持一致，以章节内容进行划分，包括8大模块： 55个GUI界面。为简化每个基本模块的设计，论文采用层次设计方法，将每个基本模块又分解为若干个子模块，子模块下面还可以包括子模块。章节模块包含课件，知识点，重要算法的动态仿真，课后习题及解答。其中算法仿真模块结构框图如图2所示。限于篇幅，论文后续仅抽取部分章节进行介绍。
2仿真平台的Matlab GUI设计
2.1登录界面
登录界面是用户访问平台的第一个界面，如图3所示。出于对安全性的考虑，用户需要输入正确的用户名和密码后方可进入，其中用户名和密码存储在excel文件中。
2.2主界面
登录成功后则进入系统主界面，如图4所示。主界面以菜单的形式列出每一章节的内容。
2.3参数可调的连续信号运算
连续信号基本运算包含时移、反折、尺度变换三种，如图5所示。在文本框中输入变换量，点击相应按钮后，便可看到变换后的波形图，同时显示matlab程序源代码。
2.4参数可调的常用离散信号
参数可调的常用离散信号可产生四种基本序列：正弦序列、单位脉冲序列、单位阶跃序列和指数序列，如图6所示。且根据不同序列设置了不同参数。
2.5卷积积分
匹配教学用幻灯片上的范例求两连续信号的卷积积分，如图7所示，并将其卷积结果显示在同一界面中，同时显示示matlab程序源代码及重要结论。
2.6傅里叶级数
匹配教学用幻灯片上的范例求周期信号的傅里叶级数，如图8所示。分别通过6张图显示傅里叶级数展开后的谐波特性，即合成谐波次数越多越接近真实波形；低次谐波振幅较大，是组成原始波形的主体；高次谐波振幅较小，影响波形的细节等信息。同时通过单击“源代码”按钮可查看matlab程序源代码，方便学生进一步理解并修改程序。
2.7傅里叶变换的时移特性
匹配教学用幻灯片上的范例，同时配合输入的时移量显示频域的时移性质，如图9所示。时移特性表明，信号在时域中沿时间轴右移或左移t0等效于其频谱乘因子[e±jwt0]，即信号时移后，幅度频谱不变，只是相位频谱发生了线性变换，产生了附加变化（[±wt0]）。
2.8习题及解答
该界面以图片形式显示课后习题，并通过“习题解答”按钮打开习题答案，如图10所示。
3 结束语
基于Matlab GUI开发的信号处理教学辅助平台已全面运用到我校“信号与系统”的教学过程中。平台紧扣教学大纲进行设计，信息量大，交互性强，操作方便，无需特殊硬件支持，成本低，十分便于推广，是课堂演示实验以及课外实验的有效辅助工具。可使学生学习抽象概念的同时，观察到相应知识点的具体形象的演示及编程源代码，使原本抽象、枯燥的物理概念变得直观、生动，极大程度提高了学生的学习兴趣及编程仿真能力。
参考文献：
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[2] 罗华飞.MATLAB GUI设计学习手记（第2版）[D].北京航空航天大学出版社，2014.
[3] 甘俊英，胡异丁. 基于MATLAB的信号与系统实验指导[D].清华大学出版社，2010.
本设计是根据我院新建“电机驱动与控制实验室”的设备，利用单片机对直流电动机和交流电动机的控制及各种特性。我重点研究的是直流电动机的闭环控制系统。通过本次设计，使同学顺利完成学校制定的实践教学任务。
单片机把通过测量元件、变送单元和A／D转换接口送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较。然后，对其偏差按某种控制算法进行计算，所得数字量输出信号经D／A转换接口直接驱动执行装置，对控制对象进行调节，使其保持在设定值上。
在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、上午与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流。
国内外研究现状
PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟控制器PID控制是通过硬件（电子元件和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把他一直到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称为数字PID控制器，所形成的一整套算术则称为数字PID算术。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性。电动机的的控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术、传感器技术、微机应用技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位予以单片机为主的微机处理控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并正相全数字控制方向发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控制功率件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现，脉宽调控方法、变频技术在直流调速
由单片机作为电动机的控制器具有以下特点：
1．使电路更简单。
模拟电路为了实现控制逻辑需要很多电子元件，使电路复杂。采用微机处理后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。
2．可以实现复杂的控制。
为基础理由很强的逻辑功能，运算速度快、精度高，与大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制。
3．灵活性和适应性
微处理得控制方式是由软件来完成的。如果需要修改控制规律，一般不必修改系统的硬件电路，只修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。
4．无需零点飘逸，控制精度高
数字控制不会出现模拟电路中经常出现的零点漂移问题。无论被控制量的大小，都可以保证足够的控制精度。
5．可提供人机界面，多机联网工作
现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。实际上可作为电动机控制器的元件还有很多种，例如工业控制计算机、可编程控制器、数字信号处理器。
工业控制计算机科委功能强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境；但由于成本太高、体积大，所以只用于大型控制系统。
可编程控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算。由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。
单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能，低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，常常是再先满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用。弹片及时目前世界上使用量最大的微机处理器。
三、主要内容与待解决的问题
主要内容:
1、学习直流电动机原理及驱动技术，掌握数字PID控制技术；
2、完成相关设备的接口硬件设计；
3、通过MCS-51单片机编写软件控制程序；
4、系统联合调试，写出相应的使用说明。
现有条件： 直流电动机、直流发电机、MCS-51单片机、微型计算机
重点解决的问题：
利用数字PID技术实现对电动机的闭环控制
四、设计方法与实施方案
毕业设计的实施主要是结合直流电动机及单片机的理论知识，利用与其配套的实验箱，完成预期要解决的实验项目和实训项目，从而对其结果进行分析与总结，通过数字PID技术提高电动机的效率。通过收集各种资料，完成毕业论文的撰写。
五．进度计划 毕业设计课题的相关资料的收集与整理，熟悉系统的相关操作和原理，完成开题报告。
第3周至第4周
系统学习直流电动机、直流发动机原理，完成硬件安装与线路联接。
第5周至第12周
系统学习数字PID控制技术、数字滤波技术。通过MCS-51单片机编写软件控制程序；完成直流电动机闭环控制系统；
第13周至第14周
联机调试；开始整理相关资料，撰写使用说明书和毕业论文。
第15周至第16周
全面完成毕业设计，准备进行答辩
预期成果：通过该系统的设计开发，为实现直流电动机闭环控制系统数字化控制奠定基础。
六、参考资料
[1] 全.直流电动机实际应用技巧 北京：科技出版社
[2] 何立民.单片机初级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社
[3] 孙涵芳、徐爱卿. 单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社
[4] 郝鸿安. 常用数字集成电路应用手册[M].北京：中国计量出版社
[5] 吴金戌、沈庆阳、郭庭吉. 8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社
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
近年来，地方性本科院校经过升本以来十几年的发展，已经成为高等教育的主要力量之一。21世纪，高校正处在更新教育观念、深化教学改革的热潮中，各个课程的教学改革也是一个重要方向。基于建设应用型本科院校的的目标，我院教师对诸多课程进行了大量适合于我院学生的教学改革与实践， 并取得了良好效果。针对于工科各专业的数学基础课程--工程数学，我作为负责人带领课题组成员进行了教学改革与实践，同时借鉴了河北大学王培光教授[1]对该课程改革的一些成功做法，取得了良好效果。
1 工科工程数学教学改革的必要性
工程数学（ 线性代数、概率论与数理统计、复变函数与积分变换等） 是我院信息工程系、环境与化学工程系、机电工程系、土木工程系等工科各专业学生的一门基础课，是学习专业课的基础课程。工程数学教学目标是使学生能够应用数学知识解决工程中的实际问题，然而在现实中，教师课堂上着重于介绍严谨的数学原理和枯燥的逻辑推演，学生课上听得乏味、昏昏欲睡，课下专注定理推导、解题技巧，很多学生不知道工程数学到底有什么用，感觉太抽象，失去了学习兴趣，甚至产生了厌倦情绪。结果导致教师课上一味强调“工程数学很有用”，学生却不知如何用的现象[2-3]。所以， 如何改进工程数学教学模式， 与学生所在专业知识有机结合，使原本抽象枯燥的工程数学课程更好地为学生所在专业服务， 是每位从事工程数学教学工作的教师需要解决的问题。到目前为止，项目组针对于专业课程和工程数学结合最紧密的通信专业、电气自动化专业（信息工程系）进行了教学实践。具体如下：
2 工程数学教学如何与各专业相结合
2.1 进一步细化原有教学计划，调整教学内容，彰显专业特色
对原有教学大纲及计划做了仔细的分析与讨论适时调整课程内容，结合学生所在专业的特点，精选教学内容，进一步细化原有教学计划。由于各专业知识体系不同，教师如何讲授可以使学生在有限的时间内获取足够的工程数学知识，为后继的专业课程打下坚实的基础，需要教师对学生专业课程的大致内容要了解，从而对教学内容进行优化整合，删除一些不必要内容，增加工程应用实例，进一步细化原有的授课计划。
我院信息工程系的通信专业、电气自动化专业课程是与工程数学结合最紧密的专业，《微波技术基础》、《天线技术基础》、《数字信号处理》、《信号与系统》、《信息论》、《数字信号处理》、《电磁场理论》、《自动控制原理》等课程大量的问题都归结为工程数学和高等数学的知识。
在微波传输中传输线的矩阵解、矩形波导、园波导等传输线方式分析；微波网络分析中无耗互异网络特性分析、密码通信中的加密、解密；微波负载元件、微波连接元件、阻抗匹配元件、功率分配元件等特性分析等问题用到了线性方程组求解、求解特征值、特征向量、求矩阵的逆，将矩阵对角化等《线性代数》的知识。在《信息论》中，信号的输入与输出中信道的传递概率等问题就是利用《概率论与数理统计》中离散随机变量的条件概率、全概率公式、贝叶斯公式等知识。《线性代数》与《概率论与数理统计》的矩阵理论与样本均值与方差的结合用于《图像处理》中的变换核分析。所以在讲解工程数学这些知识点时要注重解题技巧及如何解决专业课程的相关问题，弱化一些工程数学本身的理论推导。
《自动控制原理》、《信号与系统》课程中时域、频域分析及数字滤波器分析用到了大量的积分变换。留数定理是计算拉氏变换和 变换的重要手段，但是前提是函数在区域内解析，以往工程数学教学中为追求严密性，过多地纠缠于抽象的理论细节，讨论函数在区域内解析，但是在工程上的很多实例信号本身就满足解析条件，所以在授课时避免了“头重脚轻”。
2.2 工程数学理论知识与实际应用（数学建模）的有效结合
在课程中增加数学实验教学，像MatLab、Mathematics 语言内容， 结合专业背景，设计了几个实际问题《密码的设计、解码与破译》、《信息的度量与应用》、《交通流问题》。通过实际工程问题建立数学建模，借助数学软件对实际问题进行研究分析，将线性代数的矩阵论、概率统计中的多元回归分析及数据拟合、误差分析等工程数学的知识完美结合，这样可以直接将理论教学与数学实验相连接，帮助学生及时从实践中加强对理论的理解。通过数学建模，既激发了学生的想象能力，活跃了思维，又提高了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力，取得了非常好的教学效果。
2.3 结合专业制定合理的考核方式，鼓励学生进行专业探索
随着教学改革的深入展开，教学内容、方法和手段都发生了变化，因此考试内容及方法也应与之相适应。考试内容要能较为全面地反映教改的效果以及学生对课程知识的掌握情况，更主要的是要能够对学生的综合素质进行有效的区别。课题组改变了传统的“一张卷子是大头”模式， 改变了传统只参考作业、课堂表现作为平时成绩的方式，在现有考核方式中，显现了学生在处理专业问题时运用工程数学知识的能力，从而更加综合地测评了学生学习成果。具体如下：
（1）在平时成绩的评定中， 除了等情况外， 任课老师根据教学内容， 联系相关的专业问题设计几个开放性题目， 学生可以根据兴趣选择题目，查找相关资料， 并对计算的结果进行数据分析， 结合实际， 给出可行性建议， 最后以论文的形式上交，教师给予评分， 作为考核成绩的一部分。
（2）教师采取了综述报告和科技演讲两个方式进行测试作为学生期末成绩的附加分，学生可以自由选择。要顺利完成综述报告，学生要对该课程内容有整体把握，哪些内容是专业课程必须的，哪些内容仅是提高学生的逻辑思维能力，要求学生能分清伯仲。在此过程中需要查阅大量的资料，从而开阔了学生的专业知识面，更能深刻体会工程数学课程在专业课程学习的联系和重要性，综述报告中能够深层次的检测学生对该课程的理解及相关应用。学生在期末亦可以选择科技论文演讲，学生自愿参加，根据自己所在专业，下载相关1-2篇和工程数学结合紧密的学术文献，读透理解，并整理出摘要，准备做一次20分钟的演讲，课题组教师酌情给分。通过实施，学生的学习能力、创新能力、专业探索能力、实践能力都有了很大的提高。
3 结论
