Matlab在“微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)”課程中的教學(xué)改革與探索

張程 肖仲喆

[摘 要] “微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)”是測(cè)控技術(shù)與儀器和電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生必修課。為了讓學(xué)生更深入地理解相關(guān)器的原理和梳狀濾波特性、直觀地感受積分時(shí)間常數(shù)對(duì)噪聲和信號(hào)的影響以及鎖定放大器級(jí)聯(lián)使用情況，我們?cè)谡n堂教學(xué)中引入了MATLAB數(shù)值仿真模擬方法。通過(guò)在軟件中自己編寫(xiě)程序來(lái)分析和處理信號(hào)，繪制相關(guān)器輸出的噪聲信號(hào)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)相關(guān)器原理的理解，提高了學(xué)生的編程能力和對(duì)課程的興趣，最終提升了課堂的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù);MATLAB;課堂教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（61905170，61906128）;江蘇省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20190816）

[作者簡(jiǎn)介] 張 程，男，博士，講師，研究方向?yàn)殡娮訙y(cè)控和高性能微納光電器件;肖仲喆，女，博士，講師，研究方向?yàn)殡娮訙y(cè)控和情感語(yǔ)音識(shí)別。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.3? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）26-0192-02? ? [收稿日期] 2019-01-17

一、引言

“微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)”是一門(mén)利用電子學(xué)和信息論分析與處理噪聲，最終將淹沒(méi)在強(qiáng)背景噪聲中的有用信號(hào)提取和恢復(fù)的課程，是高校電子信息和測(cè)控技術(shù)與儀器的必修課程[1]。該課程涉及的前期基礎(chǔ)知識(shí)包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率統(tǒng)計(jì)、電路理論、模擬電路、數(shù)字電路和信號(hào)與線性系統(tǒng)等。該課程以噪聲為主要研究對(duì)象，從隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性出發(fā)描述信號(hào)與噪聲不同的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)一步闡述電路和系統(tǒng)中的噪聲和低噪聲電路的分析與設(shè)計(jì)，最后通過(guò)相關(guān)檢測(cè)與鎖定放大技術(shù)提取和恢復(fù)有用信號(hào)[2]。

該課程要求學(xué)生擁有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，邏輯性強(qiáng)，理論抽象，涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。從學(xué)生的角度來(lái)講，學(xué)習(xí)的內(nèi)容比較枯燥，需要將電路理論、數(shù)字信號(hào)處理等多門(mén)專(zhuān)業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地理解和掌握書(shū)中基本理論及分析方法，容易喪失對(duì)本門(mén)課程的興趣;從任課老師的角度講，教學(xué)內(nèi)容中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)有些繁雜，而且注重公式推導(dǎo)容易忽略對(duì)整體概念和物理過(guò)程的理解。此外，傳統(tǒng)的黑板板書(shū)加上數(shù)字多媒體等教學(xué)模式并不能有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂積極性和獨(dú)立思考能力。因此，我們根據(jù)“微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)”的教學(xué)課程特點(diǎn)和難點(diǎn)，引入MATLAB數(shù)值模擬方法[3]。

通過(guò)前期的理論教學(xué)，在課堂實(shí)踐中讓學(xué)生將學(xué)習(xí)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)換成程序來(lái)顯示噪聲波形和相關(guān)器的輸出特性、抑制噪聲的能力，通過(guò)改變鎖定放大器的積分時(shí)間常數(shù)來(lái)探究抑制噪聲能力以及對(duì)信號(hào)的檢測(cè)效果。并且通過(guò)將書(shū)本中的理論分析與MATLAB程序輸出結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)器概念和原理的理解和對(duì)知識(shí)的掌握及應(yīng)用能力。同時(shí)，在課堂教學(xué)中可以當(dāng)場(chǎng)提出問(wèn)題，讓學(xué)生自由討論如何解決問(wèn)題，最后以當(dāng)場(chǎng)集體演示的方式鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和互相協(xié)作能力。

二、MATLAB在微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

在如今的課堂教學(xué)中，幻燈片作為一種常用的教學(xué)輔助手段被全面引入到大學(xué)課堂中。然而，利用幻燈片依然是以課堂灌輸課本內(nèi)容為主。這里，我們采用先引出問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考;然后鼓勵(lì)學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與老師之間相互交流溝通，探討如何解決問(wèn)題。通過(guò)層層遞進(jìn)的方式逐漸引導(dǎo)學(xué)生找到正確答案，最終通過(guò)MATLAB編寫(xiě)程序的實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果[4]。這樣的教學(xué)模式增加了與學(xué)生之間的交流，調(diào)動(dòng)了課堂的積極性和教學(xué)氛圍。

在“微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)”的教學(xué)中，公式和圖表分析眾多，我們結(jié)合真實(shí)的案例，在程序中寫(xiě)好基本的數(shù)值參數(shù)，讓學(xué)生獨(dú)立完成乘法器和相關(guān)器的模塊算法，最終得到乘法器和相關(guān)器的輸出波形。通過(guò)改變相位差，觀察不同相位差條件下的乘法器輸出信號(hào)波形并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。隨后進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)參考信號(hào)與輸入信號(hào)的比值，分析相關(guān)器的輸出信號(hào)曲線與頻率的關(guān)系，最后得到相關(guān)器的頻率響應(yīng)特性。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和編程訓(xùn)練，提高了學(xué)生的實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)能力，幫助他們掌握了相關(guān)器的原理，進(jìn)一步理解了相關(guān)器的工作過(guò)程，提高了他們MATLAB處理隨機(jī)信號(hào)和噪聲分析的基本技巧。通過(guò)不斷遞進(jìn)的學(xué)習(xí)，為后期的相關(guān)器等效噪聲帶寬、積分時(shí)間常數(shù)對(duì)相關(guān)器抑制噪聲性能的影響、鎖定放大器級(jí)聯(lián)使用的條件和相位與頻率傳輸特性等奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

將乘法器的輸出波形與書(shū)本中的圖形結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，讓學(xué)生更加形象、直觀地理解乘法器的工作原理。接著在積分器模塊中，通過(guò)將積分器的沖激響應(yīng)函數(shù)與乘法器進(jìn)行卷積運(yùn)算得到積分器的輸出信號(hào)波形。通過(guò)對(duì)比波形，讓學(xué)生對(duì)差異進(jìn)行分析。

基于上述學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，讓學(xué)生利用前面編寫(xiě)的相關(guān)器仿真程序，通過(guò)自由討論的方式自主完成后面的相關(guān)器頻率傳輸特性，這是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新理解能力的關(guān)鍵一環(huán)。學(xué)生通過(guò)記錄不同信號(hào)頻率和參考頻率的比值條件下的穩(wěn)態(tài)輸出幅度，記錄不同比值的輸出波形和穩(wěn)態(tài)輸出幅度。學(xué)生可以采用每次改變比值記錄輸出幅度的方式得到結(jié)果，也可以采用寫(xiě)循環(huán)語(yǔ)句的方式一次性地得到不同比值時(shí)候的對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸出幅度。然后整理表格，比較以上不同參考信號(hào)與輸入信號(hào)比值下的穩(wěn)態(tài)輸出幅度值，總結(jié)輸入信號(hào)與參考信號(hào)之間具有的諧波關(guān)系及無(wú)諧波關(guān)系情況下的輸出幅度規(guī)律。最后繪制穩(wěn)態(tài)輸出幅度隨著信號(hào)頻率與參考信號(hào)頻率比值變化的關(guān)系，得到相關(guān)器頻率響應(yīng)曲線。得到頻率響應(yīng)曲線后，本課程并沒(méi)有結(jié)束，而是進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所生成的相關(guān)器頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行描述和分析解釋。課堂實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)方式有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力，鍛煉學(xué)生的交流和表達(dá)能力。最重要的是，加深了學(xué)生對(duì)課本知識(shí)點(diǎn)的理解，訓(xùn)練了學(xué)生獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力。

在最后的課程考核部分，我們要求學(xué)生對(duì)每次課程設(shè)計(jì)內(nèi)容都要保留對(duì)應(yīng)的程序，整理在相應(yīng)的文件夾中。這樣主要是為了防止學(xué)生在課后直接拷貝同學(xué)的程序和電子文檔的圖表等。因?yàn)槊總€(gè)人寫(xiě)的程序，即使相互之間有交流，也不可能寫(xiě)出來(lái)完全一樣的程序。因此，可以判斷學(xué)生是否是采用了作弊的手段。并且，在隨機(jī)噪聲處理中，我們?cè)诔绦蛑幸肓穗S機(jī)數(shù)和隨機(jī)分布，因此，在對(duì)引入噪聲后的相關(guān)器輸出曲線中，幾乎是不能得到完全一樣的圖。在最終的考核中，我們比較了不同學(xué)生的程序，對(duì)該課程涉及的成績(jī)進(jìn)行評(píng)定。在本次課程之外，我們還布置了課程設(shè)計(jì)報(bào)告，由學(xué)生上臺(tái)做報(bào)告，側(cè)重討論的部分，介紹相關(guān)的前沿研究。由此可以看出，本次課程的考核內(nèi)容比較豐富，每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的個(gè)人能力和自主學(xué)習(xí)能力都是一個(gè)挑戰(zhàn)，由此推動(dòng)了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、結(jié)論

我們將MATLAB數(shù)值模擬軟件引入到“微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)”的相關(guān)器仿真中，鍛煉了學(xué)生的編程能力、加深了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解、提高了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。利用MATLAB強(qiáng)大的仿真和畫(huà)圖功能，讓學(xué)生將書(shū)本中枯燥的理論公式轉(zhuǎn)換為形象而直觀的圖形輸出，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)還提高了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉國(guó)福，楊俊.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]韓艷，周雨陽(yáng)，李佳賢.以學(xué)生需求為導(dǎo)向的自學(xué)型課程建設(shè)研究[J].高等建筑教育，2016（2）：125-129.

[4]戴麗珍.基于案例教學(xué)和分步、遞進(jìn)式任務(wù)設(shè)計(jì)的Matlab教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（21）：161-162.

Teaching Reform and Exploration of Matlab in Weak Signal Detection Technology Course

ZHANG Cheng，XIAO Zhong-zhe

（School of Optoelectronic Science and Engineering，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215006，China）

Abstract：Weak Signal Detection Technology is a required course for students majoring in measurement and control technology and instruments and electronic information science and technology.In order to make students to better understand the principle of correlator and the characteristics of comb filtering，intuitively feel the effect of integration time constant on noise and signals，and the use of lock-in amplifier cascades，Matlab numerical simulation method is introduced in classroom teaching.Writing Matlab code to analyze and process the signal，and drawing the noise signal output by correlator can promote students' understanding of the principle of the correlator，improve students' programming ability and interest in the course，and ultimately improve the effectiveness of classroom teaching.

Key words：Weak Signal Detection Technology;Matlab;classroom teaching