“信號(hào)分析與處理”課程群綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

張薇++張虹++尹維春

摘 要：根據(jù)“信號(hào)分析與處理”課程群的特點(diǎn)，分析了“信號(hào)分析與處理”課程群實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要性。通過(guò)引用應(yīng)用型綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”一體化教學(xué)的目的。同時(shí)以“電力系統(tǒng)諧波分析”為案例，闡述了應(yīng)用型綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)思路。實(shí)踐表明，以科研資源為載體，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：信號(hào)分析與處理 綜合性實(shí)驗(yàn) 濾波器 諧波

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（b）-0133-02

Research on Comprehensive Experiment Design for Signal Analysis and Processing Course Group

Zhang Wei Zhang Hong Yin Weichun

（School of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin Jilin， 132012， China）

Abstract： According to course group characteristics of signal analysis and processing， importance of practical ability training is analyzes. Through comprehensive experiments introduced， teaching purpose of application integrating with theory and experiment could be achieved. At the same time， with the examples of power system harmonic analysis， this paper discussed design target and ideas of applied and comprehensive experiments. Practice shows that organic integration of theoretical knowledge and practical application can improve students engineering application ability and innovation ability on the carrier of scientific research resources.

Key Words： Signal Analysis and Processing； Comprehensive experiment； Filter； Harmonic

《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》和《DSP原理及應(yīng)用》是東北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的信號(hào)分析處理類(lèi)課程，這3門(mén)課程都與信號(hào)處理緊密相關(guān)。其中，《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》屬于學(xué)科的基礎(chǔ)課程，《DSP原理及應(yīng)用》屬于專(zhuān)業(yè)必修課，側(cè)重于工程實(shí)現(xiàn)。依據(jù)課程之間的內(nèi)在邏輯和結(jié)構(gòu)聯(lián)系，我們整合優(yōu)化課程資源，構(gòu)建了“信號(hào)分析與處理”課程群[1]。

“信號(hào)分析與處理”課程群主要講授信號(hào)處理的分析方法和實(shí)現(xiàn)方法，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，在人才培養(yǎng)體系中占有十分重要的地位。因而，如何培養(yǎng)學(xué)生信號(hào)分析與處理的實(shí)踐能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)人才培養(yǎng)必須解決的重要問(wèn)題。

1 教學(xué)存在的問(wèn)題

“信號(hào)分析與處理”課程群的內(nèi)容理論性強(qiáng)，概念抽象。教師在授課的過(guò)程中，以理論教學(xué)為主，力求通過(guò)課堂教學(xué)達(dá)到將知識(shí)點(diǎn)“講細(xì)，講透”的目的，教學(xué)方法較為單一。而學(xué)生們則將大量的時(shí)間和精力用于復(fù)雜的理論學(xué)習(xí)和繁瑣的手工運(yùn)算當(dāng)中，實(shí)際上還不能真正理解各種數(shù)學(xué)運(yùn)算在信號(hào)處理中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)起來(lái)非常盲目吃力，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。而且，“信號(hào)分析與處理”課程群相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往以原理驗(yàn)證為主，缺少與工程實(shí)際需求相聯(lián)系的應(yīng)用綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生的工程實(shí)踐能力缺乏[2]。

2 應(yīng)用綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

為解決“信號(hào)分析與處理”課程群教學(xué)中存在的問(wèn)題，就要結(jié)合學(xué)校的專(zhuān)業(yè)特色，以電力系統(tǒng)的實(shí)際工程問(wèn)題為導(dǎo)向，加強(qiáng)理論與工程的聯(lián)系，幫助學(xué)生建立信號(hào)處理的整體概念，設(shè)計(jì)應(yīng)用綜合性實(shí)驗(yàn)，作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充[3-4]。

2.1 設(shè)計(jì)案例

近年來(lái)，隨著大量非線性電力電子器件的使用，電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題日益突出。而諧波會(huì)引起電網(wǎng)電壓、電流波形畸變，影響電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)可靠性。為了提高電能質(zhì)量，需對(duì)電力系統(tǒng)諧波分量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

“信號(hào)諧波分析處理”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將傅里葉變換、采樣定理和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等知識(shí)，融合到實(shí)際電力數(shù)據(jù)的分析處理中。通過(guò)應(yīng)用綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠體會(huì)到信號(hào)分析處理在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理分析

學(xué)生結(jié)合“電力系統(tǒng)分析”課程所學(xué)的知識(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題有了初步了解，電力信號(hào)可看作是不同頻率和振幅的正弦波疊加而成的波形。任何一個(gè)周期的波形均可以認(rèn)為是由各次的諧波分量所構(gòu)成。圖1是由基波、5次諧波與7次諧波所構(gòu)成的畸變周期波形?；煊兄C波的電力信號(hào)，將影響到電能質(zhì)量。

學(xué)生應(yīng)用Matlab軟件對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，分析信號(hào)的頻譜特征，得到電流波形所含的諧波分量。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，學(xué)生需要將連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣變成離散信號(hào)，通過(guò)采樣點(diǎn)數(shù)和周期長(zhǎng)度的改變，加深對(duì)采樣定理的理解。通過(guò)分析傅里葉變換運(yùn)行結(jié)果，使學(xué)生直觀地體會(huì)什么是信號(hào)的時(shí)頻變換，從而掌握信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換的基本原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程[5]。

要保證電網(wǎng)能夠輸出優(yōu)質(zhì)電能，必須對(duì)諧波污染進(jìn)行有效的治理，這需把諧波的百分比與總的諧波畸變率控制在電力部門(mén)給出的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。濾波是電力系統(tǒng)諧波抑制的有效方法，對(duì)不同電壓等級(jí)的電壓畸變率和諧波電壓含有率，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提出了具體的限定要求。根據(jù)系統(tǒng)的頻譜特征進(jìn)行濾波器的相關(guān)設(shè)計(jì)，對(duì)比濾波前后信號(hào)的頻譜特征，驗(yàn)證諧波抑制的有效性。

3 諧波濾波器的設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)信號(hào)的工頻為50 Hz，產(chǎn)生的諧波為50 Hz的奇次倍頻。因此，可設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器來(lái)抑制高次諧波。

設(shè)計(jì)一個(gè)50 Hz的諧波濾波器，將基波50 Hz以后的高頻分量全部濾掉，在Matlab程序中導(dǎo)入頻率分量為150 Hz、250 Hz、350 Hz的混合信號(hào)，選擇濾波器的設(shè)計(jì)類(lèi)型為FIR濾波器，設(shè)置通帶頻率為50 Hz，截止頻率選擇為80 Hz，通帶衰減小于0.1 dB。將含有諧波的信號(hào)通過(guò)設(shè)計(jì)的低通濾波器后，時(shí)域信號(hào)發(fā)生的變化如圖2所示。

由圖3和圖4對(duì)比可知，混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器以后，高頻分量被濾掉，只留下基波分量，可見(jiàn)設(shè)計(jì)的低通濾波器是滿足要求的。

通過(guò)電力系統(tǒng)諧波分析與抑制這個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生將《信號(hào)與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號(hào)處理》課程的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，加深學(xué)生們對(duì)課程相關(guān)內(nèi)容的理解。

4 結(jié)語(yǔ)

“信號(hào)分析與處理”課程群的內(nèi)容理論性強(qiáng)?；诶碚撀?lián)系實(shí)際的思想，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)案例，使學(xué)生加深對(duì)“信號(hào)分析與處理”課程群內(nèi)容的理解，真正做到學(xué)以致用。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，將實(shí)踐教學(xué)延伸到科研活動(dòng)中，有利于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使教學(xué)效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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