張薇++張虹++尹維春

摘 要：根據(jù)“信號分析與處理”課程群的特點，分析了“信號分析與處理”課程群實踐能力培養(yǎng)的重要性。通過引用應用型綜合性實驗，實現(xiàn)“理論—實驗—應用”一體化教學的目的。同時以“電力系統(tǒng)諧波分析”為案例，闡述了應用型綜合性實驗的設計目標和設計思路。實踐表明，以科研資源為載體，將理論知識與實際應用有機地結(jié)合，提高了學生的工程應用能力和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：信號分析與處理 綜合性實驗 濾波器 諧波

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：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

《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》和《DSP原理及應用》是東北電力大學電氣工程及其自動化、電子信息工程、電子信息科學與技術(shù)等專業(yè)的信號分析處理類課程，這3門課程都與信號處理緊密相關。其中，《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》屬于學科的基礎課程，《DSP原理及應用》屬于專業(yè)必修課，側(cè)重于工程實現(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“信號分析與處理”課程群[1]。

“信號分析與處理”課程群主要講授信號處理的分析方法和實現(xiàn)方法，具有較強的理論性和實踐性，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)學生信號分析與處理的實踐能力，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，是實踐教學環(huán)節(jié)人才培養(yǎng)必須解決的重要問題。

1 教學存在的問題

“信號分析與處理”課程群的內(nèi)容理論性強，概念抽象。教師在授課的過程中，以理論教學為主，力求通過課堂教學達到將知識點“講細，講透”的目的，教學方法較為單一。而學生們則將大量的時間和精力用于復雜的理論學習和繁瑣的手工運算當中，實際上還不能真正理解各種數(shù)學運算在信號處理中的應用，學習起來非常盲目吃力，難以調(diào)動學生們的學習熱情。而且，“信號分析與處理”課程群相應的實驗項目往往以原理驗證為主，缺少與工程實際需求相聯(lián)系的應用綜合性實驗項目，學生的工程實踐能力缺乏[2]。

2 應用綜合性實驗的設計

為解決“信號分析與處理”課程群教學中存在的問題，就要結(jié)合學校的專業(yè)特色，以電力系統(tǒng)的實際工程問題為導向，加強理論與工程的聯(lián)系，幫助學生建立信號處理的整體概念，設計應用綜合性實驗，作為課堂教學的有力補充[3-4]。

2.1 設計案例

近年來，隨著大量非線性電力電子器件的使用，電力系統(tǒng)諧波問題日益突出。而諧波會引起電網(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，需對電力系統(tǒng)諧波分量進行快速、準確的監(jiān)測。

“信號諧波分析處理”實驗項目將傅里葉變換、采樣定理和數(shù)字濾波器設計等知識，融合到實際電力數(shù)據(jù)的分析處理中。通過應用綜合性實驗項目的設計，使學生能夠體會到信號分析處理在實際工作中的應用。

2.2 實驗原理分析

學生結(jié)合“電力系統(tǒng)分析”課程所學的知識，對電力系統(tǒng)諧波問題有了初步了解，電力信號可看作是不同頻率和振幅的正弦波疊加而成的波形。任何一個周期的波形均可以認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，將影響到電能質(zhì)量。

學生應用Matlab軟件對采集到的電流信號進行傅里葉變換，分析信號的頻譜特征，得到電流波形所含的諧波分量。在編寫程序的過程中，學生需要將連續(xù)信號進行采樣變成離散信號，通過采樣點數(shù)和周期長度的改變，加深對采樣定理的理解。通過分析傅里葉變換運行結(jié)果，使學生直觀地體會什么是信號的時頻變換，從而掌握信號時頻轉(zhuǎn)換的基本原理和實現(xiàn)過程[5]。

要保證電網(wǎng)能夠輸出優(yōu)質(zhì)電能，必須對諧波污染進行有效的治理，這需把諧波的百分比與總的諧波畸變率控制在電力部門給出的標準以內(nèi)。濾波是電力系統(tǒng)諧波抑制的有效方法，對不同電壓等級的電壓畸變率和諧波電壓含有率，國家標準提出了具體的限定要求。根據(jù)系統(tǒng)的頻譜特征進行濾波器的相關設計，對比濾波前后信號的頻譜特征，驗證諧波抑制的有效性。

3 諧波濾波器的設計

電力系統(tǒng)信號的工頻為50 Hz，產(chǎn)生的諧波為50 Hz的奇次倍頻。因此，可設計一個低通濾波器來抑制高次諧波。

設計一個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程序中導入頻率分量為150 Hz、250 Hz、350 Hz的混合信號，選擇濾波器的設計類型為FIR濾波器，設置通帶頻率為50 Hz，截止頻率選擇為80 Hz，通帶衰減小于0.1 dB。將含有諧波的信號通過設計的低通濾波器后，時域信號發(fā)生的變化如圖2所示。

由圖3和圖4對比可知，混頻信號經(jīng)過低通濾波器以后，高頻分量被濾掉，只留下基波分量，可見設計的低通濾波器是滿足要求的。

通過電力系統(tǒng)諧波分析與抑制這個綜合性實驗，可以使學生將《信號與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號處理》課程的知識有機地聯(lián)系起來，加深學生們對課程相關內(nèi)容的理解。

4 結(jié)語

“信號分析與處理”課程群的內(nèi)容理論性強。基于理論聯(lián)系實際的思想，構(gòu)建實踐教學體系，設計綜合性實驗案例，使學生加深對“信號分析與處理”課程群內(nèi)容的理解，真正做到學以致用。通過培養(yǎng)學生實驗技能，將實踐教學延伸到科研活動中，有利于學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使教學效果顯著。

參考文獻

[1] 沈君鳳，潘永才，楊維明.整體優(yōu)化的“信號與系統(tǒng)”課程群建設研究及實踐[J].工業(yè)和信息化教育，2014，12（5）：71-74.

[2] 王艷芬，張劍英，張曉光，等.信號處理課程群實驗教學體系的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2013，32（4）：132-134，139.

[3] 孫暉，趙菁.信號分析與處理綜合性實驗設計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（7）：161-163.

[4] 王天仕，宋純鵬，尚富德，等.構(gòu)建能力培養(yǎng)型實驗教學新體系[J].實驗室研究與探索，2011，30（5）：97-100.

[5] 楊雷，王丹.Matlab在“信號分析與處理”課程教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2010，32（2）：84-86.