数字信号处理论文范文

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在当前计算机信息技术不断发展的形势下，数字信号作为其中的一部分，与之相对应的数字信号课程也同样占据着非常重要的地位。数字信号是以算法作为主体核心的课程，其自身的理论性非常强，在数字信号的学习过程中，由于书本中的知识点或者是一些概念大多都以一种比较抽象的方式呈现，再加上教学方法和教学手段单一，具有一定的局限性。在这种形势下，数字信号课程的教学质量和水平一直停滞不前，并没有取得良好的成效。在这种情况下，将LabVIEW引入课程辅助教学中，不仅能够让学生以一种简单化的方式来进行知识的学习，而且能够取得良好的教学效果。

一、LabVIEW与数字信号处理

LabVIEW的程序设计与传统文化程序设计相比，具有明显的差异性。LabVIEW在实际应用过程中，主要是利用图形化语言，通过使用功能节点，与图形化自身的程序流程进行有效结合，这样不仅能够利用流程控制结构来对程序功能进行有效的控制，而且能够促使程序在设计过程中，其自身的形象更加直观化。这样一来，能够从根本上简化内存分配、程序调试以及多线程序等程序设计细节，这样能够促使学生在学习过程中，将精力放到问题的实际解决方面，这样才能够保证最终的教学效果。在程序结构的设计和使用过程中，LabVIEW将一个完整的程序分为前面板和程序框图，在实际操作过程中，将前面板拖入图形控件中，就能够以非常简单便捷的方式，实现程序界面的美观性，将其自身的影响和作用充分发挥出来[1]。对于其中的显示控件，可以根据实际情况，对其进行相应的设置，从而实现丰富的曲线、图形以及图象的整体显示。在实际应用过程中，可以发现LabVIEW在GUI以及程序设计过程中，其自身的形象化与Matlab软件之间有非常大的优势。在数字信号处理教学中，LabVIEW能够从根本上实现测量以及自动化的应用数据分析，其自身有非常强大的数字信号处理函数节点，在实际应用过程中，能够发挥非常有效的作用[2]。在实际操作过程中，其自身按照信号生成、运算、滤波器以及其他功能的提供，有利于对这些内容进行切实有效的查找和分析，这些功能在数字信号处理教学过程中，不仅有利于使用，而且能够取得良好的教学效果。

二、LabVIEW与虚拟仪器

虚拟仪器是一种在计算机基础上的自动化测试仪器系统，在实际应用过程中，能够发挥非常良好的作用。虚拟仪器在实际应用过程中，主要是通过自身的软件，将计算机的一些硬件资源与仪器硬件进行有效结合，这样不仅能够从根本上提升计算机自身的处理能力，而且能够促使其自身与仪器硬件的测量以及控制进行有效结合，从而发挥出更多的功能性作用[3]。这样不仅能够从根本上缩小仪器硬件的成本和体积，而且能够通过软件的应用，实现对数据的显示、储存以及处理，以保证最终的处理结果。LabVIEW是美国一家仪器公司推出的虚拟仪器开发平台软件，主要是利用图形化的编程语言，打破了传统软件的局限性。传统软件在应用过程中，基本上都需要相对应地进行程序代码的编写和应用，但是LabVIEW则主要是利用流程图或者是程序框图来实现。这样不仅能够从根本上让编程者感受到强大的图形化编程语言方式，而且具有一定的灵活性。由于自身在实际应用过程中，被广泛应用到各个行业以及领域中，已经逐渐被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用LabVIEW软件有利于建立属于学生自身的虚拟仪器，其自身的图形化界面能够促使学生在接触编程的过程中感受到乐趣[4]。

三、LabVIEW在数字信号处理教学中的应用优势

在实际教学过程中，LabVIEW图形化的语言直觉特性能够让学生保持高度集中的注意力，将注意力全部放在被教授的理论知识上，而不是在文本工程软件应用开发的基础上，将关注点全放在编程的一些细节方面。将LabVIEW应用到数字信号处理教学中，不仅能够促使学生在短时间内对基础理论知识进行深入的了解和学习，而且能够让学生适当地开发出一些复杂的应用程序，对学生的理论知识学习以及动手实践操作能力的提升来说，都有非常重要的作用[5]。在LabVIEW的应用过程中，教师要注重将课本上一些理论性比较强的知识转换成为直观性比较强的知识，这样不仅有利于学生的理解和认识，而且能够加深学生对理论知识的印象。促使学生在保证积极性和学习主动性越来越高的同时，能够取得良好的学习效果，促使数字信号处理教学的整体质量和水平能够有所提升。

四、LabVIEW在数字信号处理教学中的实际应用分析

（一）滤波器的设计与应用

数字滤波器的设计是数字信号处理教学实施过程中的重点教学部分，同时也是教学过程中的难点部分，对学生的学习来说，很容易形成一定的阻碍影响。在对滤波器的设计过程中，由于其自身的整个过程运算量比较大，并且要根据实际情况的不同，对滤波器进行设计，从而达到不同的滤波效果，在实际应用过程中，才能够将其自身的影响和作用充分发挥出来，达到最优的设计水平[6]。在这种形势下，如果利用LabVIEW软件来进行计算机的辅设计，不仅能够从根本上减少计算量，而且能够实现快速有效的滤波器数字设计，帮助学生将一些抽象的知识以一种直观简单的方式呈现出来，在保证学生学习兴趣不断提升的同时，从根本上保证数字信号处理教学的整体质量和水平有所提升。在LabVIEW实际应用过程中，结合滤波器的形成原理，设计的FIR滤波器前面板以及后程序框图，前编面板主要利用在显示方面，对各种控件进行切实有效的操作，对相关的参数进行设置，对滤波器的类型以及窗函数进行选择，在保证滤波器自身的价值充分发挥出来时，能够从根本上起到良好的教学辅助作用。在实际的设计过程中，可以利用控制前面板上开关或者是按钮，通过键盘以及鼠标的操作，将其自身与滤波器的幅频、相频特性进行有效结合，促使其自身能够满足设计的整体需求。在实际设计过程中，可以对参数以及滤波器类型进行切实有效的调整和分析，根据实际情况采取有针对性的措施，在保证能够达到最佳效果的同时，促使学生在学习过程中更容易地接受一些难点[7]。

（二）信号的频谱分析

在数字信号处理教学的实际开展过程中，在对数字信号进行分析的时候，基本上可以从两个方面来进行，其中包括时间域、频率。有些在时间域方面表现出的复杂信号在转换到频率域时可能会比较简单，比如说在实际应用过程中，混合了几种不同频率的正弦信号，在时间域中其自身的波形是没有办法按照科学合理的流程来展示的，经常是以一种没有序列的方式呈现。但是一旦转换到频率域中，就是非常简单的几根谱线，所以在这种形势下可以看出，信号的频谱分析在数字信号处理中占据着非常重要的地位。离散傅里叶变换是对数字信号频谱分析的一种有效工具，吸收LabVIEW语言有利于对离散信号的频谱分析[8]。在整个过程中，学生可以通过对相关参数进行调节，直观地看出离散傅里叶在实际变换过程中的作用。其自身存在的频谱泄露现象以及栅栏效应，能够从根本上加深学生对数字信号处理等相关理论知识的印象。

（三）声音的现场采集

在数字信号处理教学的实施过程中，为了从根本上保证学生在学习过程中的有效性，就需要将LabVIEW应用其中，将其自身的影响和作用充分发挥出来，在保证充分调动起学生积极性和主动性的同时，有效地提高数字信号处理教学的整体质量和水平。在进入课程教学阶段之后，为了说明信号与实际生活之间的密切联系，在LabVIEW的应用过程中，通过对其进行简单的设计和分析，可以利用PC的声卡和麦克风实现在教学课堂现场的声音采集，并且利用多媒体技术将声音采集后的内容显示在投影仪上。在实际应用过程中，由于采集的是实际信号，并且其自身是处于连续动态实时显示的形势下，学生可以直接以枝干的形式看到信号的具体形态特征。这样不仅能够从根本上激发起学生的学习兴趣和学习积极性，而且能够意识到信号在生活中的重要性和必要性。无论是对学生的学习还是数字信号处理教学的整体质量和水平来说，都有非常重要的作用。

综上所述，LabVIEW在数字信号处理教学过程当中的实际应用，不仅能够从根本上调动起学生的学习兴趣和学习积极性，而且能够保证数字信号处理的整体教学质量和水平有所提升。将LabVIEW应用到数字信号处理教学中，能够将原本比较复杂难懂的知识以一种简单的方式呈现出来，让其能够成为数字信号处理教学中非常有效的辅工具，将其自身的影响和作用发挥出来，为数字信号处理教学的质量提升提供保障。

作者:何海浪 黄乘顺 单位:邵阳学院信息工程系

参考文献：

［1］张易知，肖潇，张喜斌，等.虚拟仪器的设计与实现［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2010-02.

［2］谢启，温晓行，高琴妹，等.LabVIEW软件中菜单形式的用户界面设计与实现［J］.微计算机信息，2010（9）.

［3］谭勇.LabVIEW在数字信号处理课程教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2012（8）.

［4］姜利英，张艳.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用［J］.中国电力教育，2011（9）.

［5］马永力.LabVIEW在数字信号处理中的应用［J］.科技广场，2010（7）.

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中图分类号：G424 文献标识码：A

Knowledge Penetration and Extension of Digital Signal

Processing Theory and Practice Teaching

CAO Xinli， TIAN Yi

（School of Electrical and Information Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073）

Abstract This paper takes mathematical principles to the domain transform domain digital signal processing when students are learning in a digital filter network for example， correspond by comparing before and after signal processing algorithms and theory on the actual hardware implementation， allows students to easily from the Z transform， discrete Fourier transform learning theory easy to draw circuits and program their hardware implementation is achieved. In the study of digital signal processing algorithms in the process， to students whose mathematical formulas penetration corresponding hardware circuits and structures， can make subsequent DSP applications while learning courses， easy to understand and design. Theoretical and experimental study by personal experience， feel the penetration and extension of signal processing system in the teaching curriculum.

Key words digital signal processing； DSP； course system； penetration

在电子信息工程学科中，数字信号处理的实现和仿真课程已经很好地融合进来。很多高校的信息类专业相继开设了数字信号处理，DSP应用的相关理论课程，并开设了matlab信号分析与处理等课程设计和实验。如何在理论和实践课程教学中完成对数字信号处理知识的渗透于延伸，让学生更好的认识到数字信号处理技术的理论和实践和有机结合呢？

1 数字信号处理的作用

数字信号处理是研究把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理，提取有用信息便于应用的客观规律性。

在信号处理中，很多信号比如声音信号，在时域上看是杂乱无章的，没有任何规律的，当转化成频域信号后，很容易看出来信号的相关性质，对信号的处理也更为方便。模拟信号在远距离传输时信号衰减大，且抗干扰能力差；数字信号设备灵活、精确、抗干扰能力强、远距离传输速度快且不失真。

数字信号处理可以将有用信号从杂乱无章的干扰中提取出来，恢复原始信号并可以对其增强。它对声音，图像，其他现实中的物理量进行信号调理、信号传输、信号接收还原、信号滤波等作用，保证信号传输质量，在电信和其它学科中具有重要的意义。

数字信号处理算法是对其离散信号与系统的变换和滤波的理论基础，在此算法基础上，用硬件或软件的方法将其实现，这是整个数字信号处理的过程。下面我们来分析变换理论和具体实现之间的对应。

2 数字信号处理中数字滤波网络算法原理

在数字信号处理中，以IIR数字滤波网络为例。对于一个输入输出关系已经给定的系统，其系统函数或差分方程已知，可以用不同结构的数字网络来实现该系统。由Z变换的相关知识，我们可以知道对N阶差分方程进行Z变换，得到系统函数的一般表示式：

（1）

如果要设计IIR级联型数字滤波网络，就要根据级联型网络结构特点，将H（z）变换成级联型一阶节和二阶节的形式。

（2）

这样，就把系统函数分解成了N1个一阶节和N2个二阶节。有了这样的结构，就可以得到IIR级联型网络方框图，如图1。

图1 IIR级联型网络方框图

3 数字滤波网络二阶节的硬件实现

第二节中是数字滤波网络IIR级联型网络结构的算法原理和系统函数分解公式，那么这样的数字滤波网络结构怎样用硬件实现呢？

从图1看出，IIR级联型网络是由M个二阶节组成的，一阶节可以看做二阶节的特殊情况。在每一个二阶节中，有四个加法环节（如图1中的圆圈标示），有两个延时单元，有四个标量乘法环节。其中的加法环节和标量乘法器可以有专用数字信号处理芯片中的加法器和乘法器实现，延时单元可以由触发器实现，比如D触发器。

现在以一个二阶节为例，根据方框原理图（图2）说明其硬件构成。

（3）

（4）

所以从到有两个延时电路——延时一个周期和两个周期，即为，；两个乘法电路，；两个加法电路。用硬件实现如图3所示。同样地，从到的电路结构与前面类似，延时电路可以与前面公用。

图2 IIR级联型网络二阶节方框图

图3 IIR级联型网络二阶节的硬件实现

4 数字信号处理课程理论与实践教学的知识渗透与延伸

学生在数字信号处理的理论课程中了解了相关的算法原理后，并和实际的硬件电路实现对应了解，就掌握了从理论到实践的转换过程。

所以在讲授数字信号处理的每一个知识点时，都应该按照这样的思想去引导学生：（1）清晰透彻的讲授每一章节的离散信号与系统的算法原理，从时域分析到频域分析，到时频变换，快速算法，到数字滤波结构及实现。在每一个知识点上，都把相应的数学原理和对应的硬件结构对应起来，使学生了解知识的实际用途。（2）在学生掌握算法原理的基础上，引导其在相应的仿真工具上进行算法的仿真，得到相应的系数和性能，分析算法的优缺点，并对算法进行改进。（3）根据前面学习的理论算法和硬件实现的知识渗透，使学生能够快速轻松地选择相应的数字信号处理器件，实现其算法原理，从而达到理论和实践的较好结合，使得学生在数字信号处理领域，有了较深入和较高层次的认识，达到学以致用。

5 结论

论文以一个实际的《数字信号处理》教学范例——IIR级联型网络结构的原理，说明了教学的顺序和层次，从理论知识的学习，到具体实现的渗透，使得学生在彻底掌握理论变换算法的基础上，更深层次地与实际动手相结合，很好地对学生进行知识的渗透与延伸，在后续的DSP原理与应用，信号分析与处理中可以较为轻松深入地掌握，达到较好的教学效果。

参考文献

[1] 张洪涛，万红，杨述斌.数字信号处理[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[2] 吴镇扬.数字信号处理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

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【基金项目】论文由“上海理工大学‘精品本科’系列研究项目”专项资助。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）35-0231-01

数字信号处理是一门的重要专业基础课，由于理论性很强、比较抽象，对于听课的学生和授课的教师均是一个难点。为了能让学生深入的体会和学好数字信号处理的理论知识，教学实践环节是必不可少的。

1.数字信号处理教学实践环节的现状

目前在数字信号处理课程的教学实践环节中，较为普遍的是采用MathWorks公司的数学分析软件Matlab，学生通过Matlab软件编程对数字信号处理的理论知识进行仿真和验证，这种通过纯粹软件编程进行仿真验证的实践方法仍然是比较抽象的，不利于学生对所学知识的深入理解，也不利于理论联系实践。

国内一些高校开始采用Matlab编程与可编程逻辑器件相结合的方法来进行该课程的实践教学，这种将软、硬件平台相结合的方法是一个很好的尝试，但它需要学生在熟悉可编程逻辑器件的基础上，熟练进行硬件描述语言（HDL，hardware description language）的编程，这样就容易使学生在掌握软件使用和熟悉硬件平台等方面花费过多的时间，从而忽视了对数字信号处理课程本身一些重要理论和概念的理解与掌握，达不到教学实践目的。因此，需要对本课程教学实践的方法进行探索和改革。

2.教学实践方法的改革

2.1教学实践方法的思路探索

需要找到一种简单易行的方法，使得数字信号处理的理论算法可以在硬件上得以实现，并且可以通过嵌入式测量软件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）对信号的处理结果进行实时在线观测，那么学生必然会对所学的理论知识能有更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力。

鉴于学生在前期课程中已学习过可编程逻辑器件FPGA的相关知识，而FPGA是一种实现数字信号处理的通用硬件器件，如果能够通过一种简单的操作将数字信号处理的理论算法在FPGA器件中得以直接实现，那么就能起到事半功倍的学习效果。

2.2 DSP Builder工具软件的特点

在数字信号处理中Matlab是用作算法开发和仿真的软件，而DSP Builder通过Matlab中的Simulink模块将Matlab的算法开发和仿真与硬件描述语言（HDL）的综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具软件的集成，从而使学生在进行系统级设计、算法设计和硬件设计时共享同一个开发平台，并且不需要过多关注硬件设计方面的知识和硬件描述语言的编程，同时，DSP Builder是作为Matlab中Simulink模块的一个工具箱出现[1]，使得学生可以通过Simulink图形界面调用DSP Builder工具箱中的提供Altera知识产权核（IP core， intellectual propert core）MegaCore进行DSP系统设计，因此学生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花过多的精力熟悉DSP Builder的使用。

2.3 DSP Builder应用于教学实践

应用DSP Builder在教学实践中进行基于FPGA的DSP系统开发，整个设计流程是基于Matlab的Simulink模块，DSP Builder和QuartusII的，包括从系统描述到硬件实现都可以在一个完整的设计环境中完成，构成了一个自顶向下的设计流程。它主要分为以下几步[2， 3]：

（1）利用Simulink模块、DSP Builder模块以及IP核模块Matlab的Simulink模块中对DSP系统进行建模，只需双击系统中的模块就可以对该模块进行参数设置，同时可以基于Simulink平台仿真验证所搭建DSP系统的功能。

（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模块，将Simulink模块文件（.mdl）转换成RTL级的VHDL硬件描述语言代码描述以及用于综合、仿真、编译的TCL脚本。

（3）在得到VHDL文件后，设计者仍然可以通过Signal Com？鄄piler自动调用综合工具和编译工具。目前DSP Builder自动流程中支持的综合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。综合后产生的网表文件送到QuartusII中进行编译优化，最后生成编程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件对目标器件进行编程配置和硬件实现，同时生成可分别用于QuartusII的门级仿真文件和Modelsim的VHDL时序仿真文件以及配套的VHDL仿真激励文件，可用于实时测试DSP系统的工作性能。另外，设计者也可以在Simulink外手动调用其他C合工具和编译工具。

（4）针对第二步中生成的VHDL，利用自动生成的Modelsim的TCL脚本和仿真激励文件所做的仿真为功能仿真，而当由QuartusII编译后生成的VHDL仿真激励文件和Modelsim的TCL脚本进行的仿真为时序仿真。

（5）最后将QuartusII生成的配置文件下载到目标器件中，形成DSP硬件系统。

2.4教学实践的实施步骤

（1）教授学生使用DSP Builder进行基于FPGA的DSP系统开发的过程。

（2）设计出利用DSP Builder进行数字信号处理教学实践的典型题目。

（3）让学生将Matlab中编写的数字信号处理算法，直接在FPGA器件中得以实现。

（4）对信号的处理结果进行实时测试，解决数字信号处理中的实际问题，切实做到理论联系实践。

3.教学实践的效果

在数字信号处理的教学实践中，应用DSP Builder在FPGA器件上实现数字信号处理的算法，使学生在设计过程中摆脱了繁琐的具体硬件设计，将更多的精力关注在数字信号处理算法设计的实现上，对所学数字信号处理的理论知识能有一个更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力，取得了良好的教学效果。

参考文献：

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作者简介：张瑜慧（1979-），女，江苏盐城人，宿迁学院三系，讲师。（江苏 宿迁 223800）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0100-02

“信号与系统”和“数字信号处理”课程是高等学校信息科学和电气工程等专业重要的基础课程。两门课程的教学内容有着不可分割的内在联系。在“信号与系统”的教学中，连续信号与系统在前，离散信号与系统在后。因此“信号与系统”课程实际上是“数字信号处理”的基础课程。这两者的内容虽然互有侧重，各成体系，但依然出现授课内容重复、衔接不合理、综合不够等诸多问题，因此不少论文针对这些问题进行了探索研究。[1-3]文献[4]指出，在相当长时间内，课程的基本理论内容将保持相对稳定，在课程中不断更新，增加应用实例分析，将成为课程改革的主题。与此相应，必须注重加强综合性大作业练习和Matlab 实验。当然这些观点对于“数字信号处理”课程也是适用的。

结合多年在两门课程的教学经验，论文将对这两门课程的相互关系以及教学思路和方法进行探讨，以期能克服这两门课程在设置和课堂教学实施中存在的一些问题，提升两门课程的教学效果。

一、课程设置弊端

目前在大多数高校的相关专业都开设了“信号与系统”和“数字信号处理”课程，但这两门课程的设置普遍存在一些弊端，主要表现为：

“信号与系统”课程和“数字信号处理”课程内容有部分混叠。现行绝大多数“数字信号处理”教材，对离散信号与系统的分析、Z变换等内容都做了系统的分析，这部分知识点与“信号与系统”中的内容基本重复。正是由于两门课程的主要内容存在一定篇幅的重复，按照课程教学计划实施教学，会使部分内容重复讲授，造成有限课时的浪费。因而在高校缩减课时的总体趋势下，相关专业对课程内容进行优化整合具有现实意义。

“信号与系统”和“数字信号处理”课程中有关离散信号与系统分析，以及Z变换等部分内容缺乏统一性、完整性和系统性。两门课程虽然都是对信号和系统进行讲解，却没有形成有机的整体，在教学过程中经常存在配合不好的现象。而在课程开设时，学校为了课程各自体系的完整，出现授课的重复性和不相关性等问题，对学生系统掌握连续和离散信号与系统的分析人为制造了障碍。

两门课程都具有理论性过强，不易理解，而实际应用较少的特点。厚厚的教材、大量的数学公式及推导过程、众多需要理解和掌握的知识点，加大了学习的难度，使学生在学习过程中形成畏惧心理，又对后续课程的学习丧失兴趣和信心。另外，课程缺乏“新鲜元素”，绝大多数教材没有介绍信号最新的技术和发展趋势，教师在授课时也会因为课时问题而忽略这部分信息，以至于使部分学生认为学习“信号与系统”课程和“数字信号处理”课程缺乏实用性，降低了学生学习的兴趣和动力。

正是课程在设置时存在的这些问题，在某种意义上给教师授课和学生学习带来一定困难。针对这些问题，论文将结合本院课程体系现状，分析这两门课程优化整合的思路。

二、宿迁学院课程体系现状

在本院电子信息工程专业，“信号与系统”课程开设在本科第四学期，“数字信号处理”开设在第五学期，经过长达两个月的假期，学生对很多内容产生遗忘的现状，这就为“数字信号处理”的学习带来困难。因此，“数字信号处理”课程的前几章主要涉及离散信号与系统的时域分析以及Z变换，这部分内容实际在前面课程已经讲授过。文献[5]的作者结合其专业的具体情况，经过3年的对比教学，得出在“数字信号处理”课程的开始前，以8个学时来复习“信号与系统”课程的基本概念和理论是最佳的教学方式的结论。

然而，本院电子信息工程专业的教学计划中，“信号与系统”理论50学时、实验10学时，“数字信号处理”理论40学时、实验5学时，这两门课程的学时较少。由于“信号与系统”课程教学内容多，而课时偏少，在一个学期将本该70课时左右的课程压缩到50课时，具有很大难度。因此，把离散部分的许多基本内容留给后续课程讲解，如离散信号与系统的时域与Z域分析这部分内容主要放置在“数字信号处理”中讲解，将有限的课时用于连续信号与系统的分析讲解，这更有利于提高课时利用率。另外，结合课程特点，为了促进学生对理论知识的理解和掌握，本院将一定数量的习题课改为学生课后习题，并结合课程考核以督促学生独立认真完成，通过这种做法，将有限课时用于课程内容讲授和师生互动。

三、课堂教学方式和方法

1.启发式教学

这两门课程都具有自身内容抽象，仅凭想象难以理解的特点，教师照本宣科将使学生感到烦躁，丧失学习兴趣，在具体教学中运用了以下教学方法：第一，采用“类比”的方法。教师根据“信号与系统”特有的对称特性，按连续时间信号与系统的分析方法，采用类比方法分析离散时间信号与系统。在傅里叶变换的基本性质和拉氏变换的基本性质等的讲解中也采用了该方法；第二，课堂教学尽可能体现“提出问题、分析问题和解决问题”这个过程。在教学中教师通过问题来启发、引导学生积极思考和分析问题，尽量让学生在实践中解决问题，使学生在课程学习过程中逐渐提高学习的兴趣和能力。

2.传统教学与现代电教法的结合

传统教学主要以教师板书，学生记笔记为主，虽然具有思路详细、公式定理推导严谨的优点，但这种“满堂灌”的教学方式在增加教师劳动强度的同时，沉闷的课堂气氛也降低了学生学习的兴趣。现代电教法在授课时虽然能有“声”有“色”，但是过多的感官刺激也会使学生麻痹，另外，电教法在课堂教学中普遍存在信息容量大的问题，相比传统教学法，学生需要接收更多信息，如果课后学生未及时复习整理，将会出现课堂热闹，下课作业困难，学生考试成绩不理想的现象。传统教学与现代电教法为主的教学模式各有优缺点，在教学中扮演着各自不同的角色，教师取长补短、灵活应用不同的教学方法，才能改善授课效果。因此在教学过程中，笔者根据课程的特征灵活应用多种教学方法，如以电教法为主，传统教学为辅的教学模式，以提高教师授课效率和学生学习兴趣。

电教法可以分为“多媒体教学”以及“网络教学”两种模式。多媒体教学主要指教师课堂授课使用多媒体辅助教学，这要求备课时准备课件。图文并茂的视觉演示为抽象概念的讲解提供了方便，另外多媒体教学还可以增加较多的应用示例，拓宽学生的知识面，提高学生的学习兴趣。但这种教学方式也存在一些缺点，如过多的视觉冲击会造成学生视觉疲劳。

为了弥补传统教学模式与多媒体教学手段的局限性，本院正在积极建设“信号与系统”网络课程。课程网站为学生自主学习创造了条件，提供了帮助和指导。教师将课程教学大纲和学习要求、教学课件、习题、模拟试题及实验教学等资源放置在课程网站上，可以方便学生自学。而网络课程中的在线交流模块，方便了教师对学生进行教学指导和答疑，加强了师生之间的交流，提高了学生学习的兴趣。当然教师应该引导和督促学生访问课程网站，积极利用丰富的学习资源。比如将传统的纸质作业上网，要求学生登录自己的帐号，完成规定数量的习题并实时由系统打分，在课程考察时将这部分成绩纳入期末成绩。网络课程可以克服传统教学对教学时间、教学地点的限制，促进教学质量的提高。

四、实践教学

实践教学可以使学生对信号及信息处理领域有一个全面的认识，因此实践教学是至关重要的一个教学环节，合理安排实践教学对课程的学习很重要。本课程的实验教学可以结合Matlab 软件应用安排编程练习。目前，这种做法已取得国内、外广大任课教师的共识。[4]本院这两门课程实验主要采用Matlab软件仿真的方式，主要由验证性实验和综合设计性实验组成。验证性实验是为了培养学生的实验动手能力和数据处理等其它技能。比如在“信号与系统”的验证性实验中，设计了用Matlab 软件实现常见连续和离散信号，通过这个实验，学生可以初步了解使用Matlab软件编程实现一些简单函数的方法，为后继设计性和验证性实验打下基础。在进行了一定数量的验证性实验之后，就可以进行综合性实验。综合设计性实验要求学生根据实验要求编写程序，获取仿真结果，并对结果进行分析总结，并完成相应思考题。这能够培养学生分析、解决问题的能力，提高学生设计的能力。

五、结论

结合近几年对这两门课程的教学实践和思考，笔者认为“信号与系统”是“数字信号处理”的基础课程。“信号与系统”的课程重点在于连续信号和连续系统的分析和处理上，强调信号和系统的一些基本概念和傅立叶变换、拉普拉斯变换以及Z变换三大基本变换的学习，使学生建立起信号与信息处理类课程学习的思维方式与方法。“数字信号处理”课程教学重点是离散信号和离散系统的分析与处理，强化学生工程设计以及工程应用的思想，为后续课程提供理论基础和技术支持。

理顺课程之间关系，明确各课程的任务和地位，统一规划才能使课程之间很好衔接。课程体系的建设以及整合优化是一项系统工程。教师在长期教学实践过程中，只有不断发现和思考问题，积极解决教学中存在的一些问题，进一步改进和完善教学工作，才能取得更好的教学效果。

参考文献：

[1]罗鹏飞，吴京，张文明.信号处理系列课教学改革与实践[J].高等教育研究学报，2009，32（2）：82-84.

[2]周小微，金宁，胡建荣.信号处理课程群教学改革的实践与探索[J].中国电力教育，2011，（1）：86-87.

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0042-02

“数字信号处理”是利用计算机或DSP专用处理设备，对信号采用数值计算的方法进行采集、变换、综合、估值与识别等处理，达到提取信号特征和利于应用的目的。“数字信号处理”是国内许多高校电子信息类、通信类和自动控制类的专业技术基础课，具有基础性强和应用性广的特点，是应用DSP（数字信号处理）芯片、嵌入式技术、EDA技术解决实际问题的基础。但是传统的教学模式无论在教授内容还是教学方式上都比较偏重理论教学，其教学方式单一。课堂教学多以教师中文讲课为主，缺乏必要的师生交流互动和实验练习环节。滇池学院是教育部确认的独立学院，学院先后被有关部门、机构和协会授予“社会满意学校”、“民办教育百强学校”、“全国百佳特色学校”、“2008年全国最佳独立学院”。“数字信号处理”经过多年的课程建设，2010年被列为滇池学院的院级精品课程建设项目，该课程介绍数字信号处理的基本概念和基本理论，讲授各种常用算法的计算机实现方法。在精品课程建设中，我们努力寻找新的教学方式和方法，在MATLAB实践教学平台上尽量做到深入浅出的教学；着重培养学生对数字处理技术的运用能力。通过学习该课程，让学生掌握在上述技术中继续学习和科研的必要工具。在课程建设过程中，我们应用新的教学手段，研究并实践如何提高“数字信号处理”课程的教学水平，在对该课程的精品课程建设中，实现了教学形式的多样化、加强了教学互动，这些手段有效地提高了数字信号处理课程的教学效果[1]。

一、确立教学目标、改革教学内容

“数字信号处理”是滇池学院“电子信息工程”专业的专业基础课。目前，该课程中的一些主要内容，例如：离散时间傅立叶变换（DTFT）、离散傅立叶变换（DFT）、变换域中的线性时不变离散时间系统（LTI）、数字滤波器的设计等，是本课程的教学重点和难点。尤其是DFT是本课程的重点教学内容。学好这部分内容，将有助于借助计算机或DSP芯片，用数值计算的方法分析信号的频谱。若讲授只停留在理论和公式推导上，学生得到的还是较为抽象的概念。现在多数三本院校的教学方式为传统的黑板式教学方式，大多数用的还是中文版教材，若能借助于当今先进的软、硬件技术，相信教学效果会更好。随着现代社会科技水平的发展，视频教学和多媒体教学的出现，社会对三本院校学生应用能力的需求提高及学生学习目的的多样性等原因，我们将对本课程的教学目标和内容进行改革和探索。因此，我们将从以下几个的方面进行探索。

1.在教学内容方面改革：以培养学生应用知识能力和设计创新能力为目标，根据近年来数字信号处理在信号分析方面应用的热点，以及电子信息专业对该课程的要求，结合课程特点，参照国内外知名大学的教学计划体现实践性、先进性和前沿性[1]。

2.在使用教材方面改革：选用《Digital Signal Processing――A Computer-Based Approach》，作者是SanjitK. Mitra。该教材是清华大学出版社引进的国际知名大学――美国加州大学圣・巴巴拉分校的原版（英文）教材，且作者Sanjit K. Mitra教授是国际著名的信号处理专家。

3.在教研结合方面改革：通过本课程的建设，能成立一支由专家领头，普通教师参与，教学水平高，教研相互促进的教师梯队，并要求担任本课程建设的教师能积极参与教学改革、及时掌握国内外在本学科领域的先进教学理念，从而形成一流的教学成果。鼓励学生参加电子设计大赛，将“数字信号处理”的专业知识与其他电子信息领域的知识相结合，并能参与实际项目研发和相关论文写作；鼓励学生参加课外科技活动小组，将所学的数字信号处理的知识应用到解决实际问题中，既提高了学习积极性，又锻炼了学生。

4.在成绩评定方面改革：除本课程基础理论采用闭卷考试外，把MATLAB实践教学平台上DSP应用和数字滤波器设计实验计入到实验考试成绩中，以鼓励学生提高应用知识能力和创新能力。

二、创新教学手段，完善教学方法

现在“数字信号处理”课堂教学方式多数是传统的教师讲、学生听的模式，这样的教学手段有利于培养学生的推理能力和解题能力，但是不利于学生的自主学习能力和创新能力的提高[2]。因此，教学方法上我们积极推动现代化教学手段在该课程中的应用，实施多媒体教学与板书相结合的创新教学模式。针对应用型人才培养目标，增加课堂讨论、MATLAB编程、项目训练等教学环节，加强学生对数字信号处理理论的理解，从而提高其实践应用的能力。通过该课程教学建设，我们将实现以下目标。

1.多媒体技术与传统板书相结合的教学方式。我们制作与教材配套的多媒体课件，增加视频和动画，调动学生学习的积极性，挖掘学生的学习潜力，使学生由填鸭式接受变为主动学习探究。

2.双语互动的教学模式。为使三本院校学生掌握“数字信号处理”学科国际最前沿知识，提高学生在该课程及电子信息相关领域方面的英语水平，我们逐步推动对该课程进行双语教学，采用全英文教材和课件。在实际教学过程中以英语教学为主，对于重点知识点的讲授增加中文解释。适当补充“数字信号处理”学科中专业词汇的英语解释，让大部分学生能顺利地使用原版教材进行学习，能用英语回答提问，完成用英语出的练习题、考试题，以及让80%的学生在完成练习与考试中能全用英语答题。

3.理论教学与实验教学结合，创建实践教学平台。实验教学是课堂教学的重要补充，能促进学生将课堂上的理论知识与实际问题相结合，既锻炼了学生的应用能力又提高了学生的兴趣。在“数字信号处理”课程的实验教学中，MATLAB的引入很受学生的欢迎。由于其丰富的函数库、强大的计算功能及高度的可视化，将抽象和复杂的问题变得直观和容易理解，再加上多媒体教学手段的应用，大大方便了学生对本课程理论的学习，有效地提高了学生的学习效率。根据三本院校的特点，我们把实验题目分为：基本型（必须完成），选做型（有一定难度，鼓励选做），以及设计型（综合实验，较难，具有挑战性，需要花较多的精力和时间来考虑）三类。三种类型的“数字信号处理”实验题目，满足了不同层次学生的要求。其中，综合实验通常还作为实验考核的内容。大部分的学生都能完成“基本型”的题；约1/3的学生能完成“选作型”的题；不少学生不再满足“验证性”的实验，而希望能做具有挑战性的研究设计型题，尤其是应用性和实用性强的题目。

在滇池学院“数字信号处理”精品课程的建设过程中，我们将努力提高教学理念和完善教学方式，加强课程的中英双语教学，建立MATLAB实践教学实验室，争取在精品课程验收前建立数字信号处理课程的网络教学的平台。我们在课程建设中总结出许多成功的经验，同时，也存在的一些不足。为确保课程建设顺利完成，我们逐步实现教学手段多样化，加强教研互动，增进师生交流，强化师资队伍等目标。

参考文献：

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数字信号处理，是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术，它成为通信、自动控制、电子等专业的必修课程十分重要。该课程具有极度抽象化的特点，在实际的教学中，需要对课程内容、师资力量、教学手段等方面进行相应的调整，以此来保障学生的学习热情和知识掌握深度。让他们在认识理论的前提下，将抽象问题具体化，能够用所学的知识解决生活工作中遇到的实际问题。

一、课程改革方案

1.优化课程内容。在实际的课堂教学中发现，数字信号处理课程在有限的学时内存在部分的学习内容重复现象，而有的则是忽略了让学生对后续学习其他知识的前期重点知识的重点把握，导致他们无法对后续学习的重点知识得到完全理解，影响了他们的知识学习效率。因此，可以在课程中挑出重点部分的章节知识，在这一部分着重教授学生，让他们完全理解这些知识的本质；对于前面提到的课程重复部分，可以先让学生自主预习，做到对知识的心中有数，再进行知识讲授，这样起到的效果是事半功倍的。2.理论与实践相结合。在数字信号处理授课过程中，不仅要注重对理论知识的学习，还要将理论知识应用于实践中。通过日常学习可以知道，数字信号处理课程是将生活实例转化成抽象的数学语言，进行学习和分析，并把得出的结论反向应用于实践中，因此对学习者数学的掌握程度要求很高，需要他们有一定的理论基础，同时也需要他们具有分析运用将其所学知识转化到实践中的能力。在实际授课过程中，教师可以加入自己的实践经验，启发和锻炼学生的思考问题和运用知识的能力，同时，学校也可以和相应的社会企业进行联合，为学生提供一个可以将所学理论知识运用到实践中的平台，对他们日后的就业也有一定的好处。3.教学手段现代化。由于数字信号处理课程的内容较为复杂，且多数是由繁复的数学公式进行表达的，因此会给学生带来理解的困难。可以将重点的数学理论公式罗列出来，对于一些实践性强的内容可以通过多媒体的方式进行展示,这样可以给学生提供更为完美的教育体制。学生还可以在课堂教学过程中和教师进行互动，及时提出自己不懂的问题，也可以和同学进行探讨研究，对知识的吸收有很好的促进作用。有时教师也可以提出一两个小问题供学生在课下或者课上讨论，应用所学知识对问题进行分析，必要时可以借助其他知识进行研究，这不仅促进了同学之间的交流，也锻炼了学生的独立思考能力。

二、改革考试方式

由于数字信号处理这门课程理论性强、复杂性的原因，使得它的考试多数由枯燥的公式理论占据，因此可以通过对考试方式的改革来激发学生的热请。可以分化考试对于学生总体成绩的比重，将日常生活中的实践活动和随堂测验也加入到最后的成绩比重中，可以更加客观的反映学生对知识的掌握处理程度，避免因为一些不稳定因素而造成的对学生整体知识掌握能力的不正确判断。还可以用灵活的方法降低学生对公式的机械依赖而忽略通过公式计算对实际应用的情况，可以允许学生带公式进入考场进行考试，这就把考核的重点转移到了考生对与公式在实际生活中的应用，而不是一味的使用理论解题，不懂变通，如果能够熟练掌握数字信号处理课程的内容，对实际工作的帮助是很大的。还可以把实践工作也作为对学生成绩考核的一个标准，这样学生就会认真思考理论知识如何更加完美的应用于实践工作中，也避免了传统枯燥的理论教学，帮助学生更好的理解吸收知识。

三、小结

通过以上的分析发现，数学信号处理课程在实际教学中面临着理论性强、复杂度高、不易于理解的特性，因此可以在实际中对他的教学内容、师资团队力量、考试测验方法、理论的应用度等等方面进行改革，调整课程在特性方面的不足，培养学生在实际的工作中对理论知识的应用度，调动学生的学习积极性和热情度，培养他们的创新能力，促进学科以及其实际应用的准确度，以此来促进数字信号处理课程更加适应实际工作。

作者:王芳 郑宏兴 单位:1.天津职业技术师范大学 2.河北工业大学电子信息工程学院

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作者简介：杨定礼（1973-），男，江苏淮安人，淮阴工学院电子与电气工程学院，讲师；皇甫立群（1975-），女，江苏淮安人，淮阴工学院电子与电气工程学院，讲师。（江苏　淮安　223003）

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0053-02

随着计算机信息技术的发展，数字信号处理的理论、方法和应用在过去几十年内得到了飞速的发展，特别是在无线电通信、数字电视、生物医学和数字音视频等技术领域得到广泛应用。如需要获取最新的有关数字信号处理的资料必须要查阅大量的国外文献资料。同时，2001年教育部《关于加强高等学校本科教学工作、提高教学质量的若干意见》中明确提出“本科教育要创造条件使用英语等外语进行公共课和专业课教学，力争三年内外语教学课程达到所开课程的5%～10%”。[1]2004年，教育部颁布《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》规定，本科教学要达标，必须实施双语教学，适宜专业的“双语授课课程比例要大于等于10%”。[2]因此，作为电子信息类专业的一门理论与实践应用相结合的重要课程——“数字信号处理”，采用双语授课越来越受到重视。同时，双语教学是高等教育面向世界、面向未来的必然趋势，是国际化的必然要求。

由于种种原因，各个学校之间是有差异的。如何寻求一种适合本校及同类学校的双语教学方法是本文的宗旨。本文在多年“数字信号处理”教学实践与研究的基础上，根据本校学生专业知识及英语能力的实际情况，对“数字信号处理”双语课程提出了一些改革方法，并将这些方法应用于本课程的教学实践，取得了较好的教学效果。

一、进行“数字信号处理”双语教学的意义

随着数字化、信息化的迅速发展，数字信号处理的地位和作用越来越重要，新的算法层出不穷，新的DSP处理器芯片不断更新。而新的算法和芯片主要来自国外，这要求本领域的教育、科研、开发人员能够熟练地用英文检索、阅读、理解有关算法以及芯片使用手册，并能用英文撰写学术论文、技术报告和文档。[3]同时，“数字信号处理”也是电子信息类专业的基础课程，在本校一直为专业限选课。因此，“数字信号处理”的双语教学具有十分重要的意义：双语教学可以提高教师的教学水平，特别是青年教师的教学水平，同时可以提高教师的科研能力；双语教学不仅能够提高学生的自学能力，而且能够提高学生的学习兴趣，提高他们的英语水平及专业水平，为将来工作打下一定的基础；“数字信号处理”双语教学是教育和课程改革的需要，也是与国际接轨的必然趋势。其最终目标就是学习和掌握世界前沿技术，培养有创新精神、有综合能力、符合社会和经济发展需要的复合型人才。[4]

二、双语教学过程中所遇到的问题

目前，在“数字信号处理”双语教学过程中也遇到了一些问题，主要表现在几个方面。

1.学生英语听力的能力问题

由于本校学生固有的整体自身素质问题以及在开设“数字信号处理”双语课时大部分学生还没有通过大学英语四级考试，他们的英语听力水平不高，决定了实行双语教学并非每个学生都能轻松接受。

2.学生的专业知识学习能力问题

由于“数字信号处理”涉及的数学较难，公式较多，理论推导较多，要求先学习信号与系统、MATLAB等课程。由于多种原因，学生并没有掌握好这两门课的基本知识。另外，学生也没有掌握好高等数学的相关内容。这些都给双语教学带来了麻烦。

3.课程教材选择问题

目前比较普遍的做法是使用国外原版英文教材。但是在选择原版英文教材的过程中出现了很多问题。例如：原版英文教材的章节内容与大纲的章节内容相差甚远，所以要求教师必须按照大纲的要求重新编排教学内容，重新做电子课件等等。当然，现在国内根据国外原版教材改编的英文教材也不少，但也存在一些问题。例如：教材为了适合各个层次的学生，教材的内容较广，深度较浅，不能与考研学生同步。如果考虑考研的学生，必须增加一些较深的内容，势必增加上课的内容，增加语速，增加难度，大部分学生无法接受。

三、双语教学的改革方法

下面在双语教学过程中根据遇到的问题提出一些改革方法。

1.对教师与学生进行英语培训

双语教学的教师一般专业知识水平较高，但是英语水平不一定很高，所以首先应该让本课程教师到国内重点大学进行定期培训或学习，也可以让教师出国进修学习，通过此方法可以强化教师的双语教学基本技能及英语水平。

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（School of Electrical Engineering Northwest University for Nationality Lanzhou， 730030 ，China）

Abstract： According to digital signal processing course has the features of the deduction of many formula was very difficult and it was not easy to control. We fasten on Fourier Transform which is the main line of this course， integrated teaching material，optimized curriculum system. We also highlight the physical meaning and application of the concept ，still further pay attention on developing students’hands on ability and problem solving capability.The teaching reform turns out to achieve good results in practice.

Keywords： digital signal processing； teaching reform； main line

0引言

数字信号处理是高校电子信息类专业的一门重要课程。该课程在理论上涉及微积分、高等数学、随机过程、线性代数、复变函数等先修课程，具有概念多、难度大、灵活度高、在有限的教学时间内不容易被学生熟练掌握等特点[1]，客观上造成了学生对此课程的畏惧心理，甚至有些学生因此还产生了厌学情绪。那么如何做到让学生有兴趣学习，并且能学好这门课，就是老师需要解决的首要问题。笔者经过多年的教学经验，进行了一些尝试，收到了良好的效果。现在归纳如下，以飨读者。

1 紧抓主线

数字信号处理课程的一条线主线就是Z变换-离散傅里叶变换（对于连续信号，则是S变换-傅里叶变换），Z变换的公式是

X（z）=∑n∞=-∞x（n） z-n （1）

其收敛域是Rx-

再看看周期信号的傅里叶变换为什么不存在。因为z变换存在的条件是

|X（z）|=|∑n∞=-∞x（n） z-n

显然周期信号是不满足式（2）的，学生自然就知道了周期信号的傅里叶变换只能用傅里叶级数表示了。

而对于用模拟滤波器间接设计数字滤波器，更是应用了这条主线。Z变换与s变换的关系是[2]：z=esT，设s=σ+jΩ，z=rejω，则

σ=0，r=1σ1 （3）

由式（3）看出，单位圆上的z变换对应的是虚轴上的s变换，单位圆内的z变换对应的是左半平面的s变换，单位圆外的z变换对应的是右半平面的s变换。一目了然，简单明了。

因此，只要一开始给学生说明，整本书就是讲一个公式，则学生就会以比较轻松的心态去学习了。

2优化授课内容，减少数学推导

首先，选择难度适中的教材，难度过大的教材一开始就降低了学生学习的积极性。所以在教材和教学内容上要做到优选内容、侧重兼顾，本教学团队选择的是由高西全和丁玉美编著，西安电子科技大学出版社出版的《数字信号处理》，本书内容难度相对较小，但不失系统性，由连续信号经过采样得到离散信号及离散系统，从而讲清楚了采样定理，在此基础上讲授离散傅里叶变换及z变换，以及二者的关系，通过z变换的收敛域讲清楚了只有当单位圆上的z变换存在时，其离散傅里叶变换才存在，从而让学生知道了周期信号的傅里叶变换不存在的道理。

其次，要注意前后教学内容的衔接和优化。将信号与系统的基础概念、连续与离散系统的时域分析与频域分析（傅里叶分析、拉氏分析、z变换分析等），以及系统的状态变量分析等内容在“信号与系统”课程讲。而将数据采集、量化、A/D、D/A转换、离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、IIR和FIR数字滤波器的设计及有限字长效应等内容作为“数字信号处理”课程的主要内容。这样，就不至于出现重复讲授，既节约了时间，又不至于使得学生生厌。

“数字信号处理”是建立在数学基础上的学科[2]，课程的特点是理论性强、抽象概念多、起点高、难度大、数学推导严密[3]。但大量的数学推导会让学生感到枯燥乏味，产生畏惧心理甚至厌学情绪。因此，在教学过程中教师应强调基础理论知识，减少数学推导，更加注重强调应用背景和实际意义，尽量将学生的注意力放在概念意义的理解和技术应用，从而加深学生理解。例如在讲解离散傅立叶变换时，假如单单讲解离散傅立叶变换的定义和特性再进行数学推导，学生会很难理解，而且会感到枯燥乏味。但是通过对离散傅立叶变换和反变换在语音信号处理、生态系统处理以及数值分析等各个领域应用的讲解，可以使学生深刻的理解和掌握其概念。

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1.引言

“数字信号处理”课程是信息、电子、信号处理等专业的必修课，是在学生学完了“信号与系统”、“数字电子技术基础”等课程后，进一步学习信号处理专业知识的核心课程。“数字信号处理”课程不但是学生未来从事工程设计非常必要的理论基础课，而且对学生的综合素质和创新能力培养有着重要影响，历来受到人们的普遍关注[1]。然而，无论是从课程特点还是教学对象来说，传统以“教”为主、“课堂知识灌输+习题”的教学模式已经不能适应新形势下学生创新能力培养的需求。

从课程特点看，“数字信号处理”课程具有理论性强、概念抽象、涉及数学知识多等特点，以教师板书或PPT进行公式推导为主的教学形式，易使学生感觉内容抽象枯燥，难以理解，丧失学习兴趣。其次，“课堂知识灌输+习题”的教学模式往往忽视概念和公式所代表的物理意义，不能理论联系实际，导致学生不知道所学知识有什么用、怎么用，学习主动性、积极性不足。

从授课对象看，对于“数字信号处理”这类理论性强、公式较多的课程，学生普遍存在畏难情绪。其次，传统应试教育的影响使学生习惯于死记硬背、应付考试，以教师为主的课堂知识点灌输加上大量课后习题，可以满足学生从书本到试卷的“知识”搬移。然而，这种被动的“接受性学习”和机械训练既扼杀了学生的学习兴趣，又限制了学生主动猎取知识、发现问题、分析并解决问题的创新能力的发展。

那么就“数字信号处理”这门课程而言，如何激发学生的求知与求学的欲望，提高学生的学习兴趣，培养学生的创新能力呢？美国当代教育理论家杜威认为：“学生听过的知识，会容易忘掉，看过的知识，能够记住，而亲自做过的，则能够理解。”[2]另外，建构主义理论认为：“单纯的知识讲授对于学生能力的建构没有任何好处，而应是学生在学习动机被激发的前提下，主动进行的建构。”[3]因此，通过教师的教学方式从“灌输型”向“启发探究型”转化，学生的学习方式从“接受性学习”向“研究性学习”转化，让学生主动参与知识的发现和获取过程，真正成为知识探究的主角，提高学习兴趣，提高分析问题和解决问题的能力，发展创新精神。

本文讨论的合作性探究学习模式正是秉承了以学生为主体、教师为主导的教育理念，结合“数字信号处理”课程特点，优化课堂教学模式，促使学生从“被动”学习向“自主探究、合作学习”转变，有助于培养学生主动学习、积极探究的意识和能力。

2.对合作性探究学习模式的认识

合作学习模式强调的是学习者的自主性，是指促进学生在异质小组中彼此互动、共同完成学习任务，并以小组总体表现作为评价依据的教学组织模式[2]。

探究式教学模式是指学生在教师的指导下，根据自身先前认知结构中的相关经验，通过体验、发现、探索、协作等方式主动获取知识、解决问题的一种教学模式[2]。

本文所讨论的合作性探究学习模式是将自主探究和合作学习有机结合的学习方式[3]，是在教师的指导下，以学生为主体，充分发挥学生个体的能动作用和小组学习、全班学习的群体作用，在合作中学习，将课程所学知识与自然、社会和自身生活中实际应用相结合进行专题研究，并在研究过程中主动猎取知识，达到培养学生的创新能力、实践能力和团结协作精神的目的。这种“自主探究、合作学习”模式能够充分激发学生的学习兴趣，为学生提供实践的机会和探究的时间，体现以学生为主体、教师主导的教育理念。

合作性探究学习模式通过教学环节的合理设计，强调学生的自主学习、协作学习、任务体验、自主诊断评价，同时要求教师摆脱传统的以“教”为中心的被动式教学模式的束缚，从课前教学决策，课上任务解释、监督和干预、课程总结和评价等诸多方面积极地引导学生“自主探究、合作学习”。因此，这种学习模式的构建是学生学习方式从“接受性学习”向“研究性学习”转化，教师课堂教育思想和观念从“灌输型”向“启发探究型”转化的一种有益尝试。

3.合作性探究学习模式的实践

数字信号处理本质上是利用数字系统实现对信号的处理[4]，授课内容紧密围绕“两个定理、三个变换、两个系统”展开，即“时域抽样定理和频域抽样定理，Z变换（ZT）、离散时间傅里叶变换（DTFT）、离散傅里叶变换（DFT），有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器”。课程知识结构清楚，前后知识点之间联系紧密，这就为学生利用已学知识探究发现新知识，从分析问题、解决问题的过程中猎取知识创造了条件。其次，数字信号处理广泛应用于通信、雷达、声呐、工业控制与自动化、医疗监控与健康检查、消费类电子、仪器仪表、音视频压缩等许多领域，与学生日常生活密切相关，完全可以根据学生专业或感兴趣的领域设计许多问题和任务。这为学生以小组为单位，通过团队合作，在回答问题和完成任务中探究知识，培养创新能力，奠定坚实的基础。

结合“数字信号处理”课程本身和学员的基本特点，笔者以教师的视角，构建一种涉及学习小组分配、学习任务设计、启发式问题设计、拓展提高和交流讨论五个环节的合作性探究式学习模式，并在近两年所教授班次中初步实践和探索，取得一定的教学效果。

（1）建立高绩效的合作性学习小组是实施合作性探究学习模式的基础，是教师教学前决策的重要内容。我们在熟悉全班同学的基础上，根据学生的意愿并结合学生的先修课程成绩，如“通信原理”、“电路分析”等，将全班30名学生分成3～5人的学习小组，使每个小组中学生在学习成绩、个性需求、兴趣爱好等方面差异最大化。不同类型的学生归入一组，有利于在以后的学习中互相帮助，共同进步。

（2）良好的任务场景设计不但能营造真实体验的氛围，而且有助于学生完成新旧知识的联系和转化，从而激发学生进行学习和探索的兴趣。结合课程内容和授课进度，设计多个密切联系学生日常生活、所学专业或感兴趣领域的相关学习任务。通过层层递进的学习任务设计，将基本理论、基本原理、基本技能与工程实际应用紧密联系起来。比如，在紧密联系教材内容的基础任务“对比总结ZT、DTFT和DFT的性质”之后，针对信息与通信工程专业的学生设计实际通信应用类任务“深入研究线性卷积和DFT的循环卷积性质，探讨OFDM、单载波频域均衡等最新传输技术为什么要用‘分块+循环前缀’的传输结构”。布置学习研究任务后，组织学生进行共同学习。通过运用课程所学的基本知识解决日常生活中、工作实践中的实际问题，既打消学生“为什么学，学了有什么用”的顾虑，激发学习兴趣，又培养和享受学习成就感，促进学生不断学习、终身学习习惯的养成。

（4）在合作学习的基础上，进行拓展提高，培养学员自主探究的兴趣与能力。通过课前和课上的合作学习，针对数字信号处理的实际应用场景，在掌握基础理论的前提下，设计一些拓展提高性任务，给出相关参考资料和文献，强调学员课后自主探索。比如，在学习了利用DFT进行频谱分析的基础上，设计了“高速公路上雷达测速的基本工作原理”这一任务。这种任务密切联系实际生活，又是教学内容的典型应用，在相关提示和文献的帮助下通过合作学习和小组讨论完成。

（5）为了促进有效交流，要求学员针对任务的完成情况制作Word或PPT课件，在课上或课外辅导时间进行全班交流。为了避免出现学习小组内个别学员不愿参与学习和讨论，进行Word或PPT汇报时，事先不指定汇报人，而是在汇报时随机抽取，汇报人的成绩代表全组学员的成绩，促使基础较好的学员在自己学懂的基础上帮助后进学员。此外，对于一些取得创新性成果的研究结果，鼓励学员撰写论文，在教员的帮助下修改完善，尝试投稿发表。

近两年的教学实践表明，这种教学模式能够很好地激发学生的学习兴趣，引导学生充分参与自主学习、讨论和思考，活跃课堂气氛，促使学生在探索、交互、发现过程中主动构建知识，获得思考、交流、自我认同的乐趣，取得良好的授课效果。

4.进一步的思考

合作性探究学习模式的构建和实施，提高了学员的“数字信号处理”课程兴趣，尤其是课堂上的参与度更强，在兴趣的驱动下，求知欲更旺盛，强化教学效果。但任何一种教学模式都不是一成不变的，在教学实施过程中，笔者发现了一些问题。合作性探究学习并不是形式上简单地让学生凑在一起漫无目的地自学与讨论，否则就失去“自主探究、合作学习”的意义，流于形式。因此，对教师来说，构建注重创新能力培养的合作性学习模式的重难点在于：针对转型下的教学目标、教学内容和教学对象进行学习小组合理分组和教学内容设计，避免合作目的不明确、合作问题过于简单或过难。教师要在认真备课的基础上，充分发挥主导作用，精心设计教学步骤，启发学生思维，避免不注重学习过程一味放手让学生合作，不注重教师的“导”与“控”。这就需要教师根据学生的已学知识引导、启发学生思考，形成完成任务的思路，得出需要学习哪些新知识才能完成任务，引出教学内容，进而有目的、有针对性地学习；学生掌握新知识后完成任务，通过完成任务既复习旧知识，又练习并巩固新知识。

参考文献：

[1]王艳芬，王刚，张晓光，刘卫东，李剑.《数字信号处理》研究性课程建设与探索[J].实验科学与技术，2008，6，（2）.

[2]高禹斌.走向合作性教学[M].太原：山西教育出版社，2005.

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中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）31-7541-03

随着微电子和计算机等学科的日新月异，与其息息相关的数字信号处理的理论、算法和实现技术也飞速发展。学习和掌握数字信号处理技术已成为当今信息时代必不可少的一项重要内容，《数字信号处理》课程教学也越来越多的在国内外各大高校的本科阶段作为必修课开设。在此背景下，有关提高数字信号处理教学效果的方法和改革也广泛的被从事该课程教学的老师们关注和参与[1-2]。我校从事电子专业本科生数字信号处理课程教学十余年，经历了最初的聘请中国科技大学的教授来我校上课言传身教，到专门的“数字信号处理”课程组组建、探索、发展过程。在此过程中，课程组对教学中遇到的多方面问题作了很多的研究和尝试，特将一些教学过程中的改革和实践总结出来与老师们商讨。

1　教材的选择与教学内容的改革

1.1　根据课程体系结构确定教材的选择

选择一本适合的教材对教学效果非常关键，教材难度要求适中，既要适合学生学，又要适合教师教，难度过于大的教材会增加学生学习的难度，降低学生学习效果，同时加大老师的讲解难度。所以在教材和教学内容上要做到优选内容、侧重兼顾，透彻生动。目前国内外的数字信号处理方面的基础理论教材不少，但大多都参考了奥本海姆的经典教材-离散时间信号处理这本书。很多书籍体系结构基本相同。在具体的教材确定中，我们结合电子信息类本科生教学课程体系结构特点，从注重信号与系统、随机信号分析、数字信号处理、及后续专业课程的的教学内容衔接入手，既要避免各课程教学衔接上的重复内容过多，又要突出本课程的关键理论知识特点（如DFT及其应用讲细讲透是关键）。我们的教材选定经历了清华大学出版社出版、程佩青编著《数字信号处理教程》（第一版），到西安电子科技大学出版社出版、丁玉美编著的《数字信号处理》（第二版），再到程佩青老师的（第二版、第三版）的过程。程佩青老师的教材总体上对数字信号处理的基础理论和基本算法进行了充分阐述与分析，深入浅出，条理清楚，有利于学生更牢固地掌握数字信号处理的基本概念及基本理论。而丁玉美老师的教材特点是简练易懂，便于掌握基础知识能力一般的同学课后自学。此外对学习能力较强的同学推荐参考清华大学出版社出版、胡广书编著《数字信号处理理论、算法与实现》（第二版），此书更加全面的介绍了经典的、现代的数字信号处理的基本知识。当然人无完人，书无完书，在实际的教学中，我们的电子课件制作，可以广泛吸取百书之长，力求把知识点全面、清晰、透彻的展现给同学们。

1.2　根据具体情况确定教学内容

随着教学课程体系结构的调整，我校的数字信号处理课程学时数，从最初的64学时（56学时理论，8学生实验）调整为56学时（48学时理论，8学时实验）。如何在这么短的时间内将本课程最本质最核心的理论知识讲授给同学就是一个关键问题。本课程组和信号与系统课程组及DSP课程组的老师们一起讨论，针对学生学习能力基础不一致的实际情况（同时有一本，二本专业），对三门课程教学内容统一讨论，解决各教材中的知识点重复问题，分工明确，制定符合各专业、各层次学习能力要求的即统一又有针对性的教学大纲。例如：在信号与系统和数字信号处理的教材中都会涉及Z变换方面的内容，讲多了会和信号与系统的教学内容重复过多，相应会压缩数字信号处理48学时的宝贵时间，讲少了又起不到向核心知识DFT过渡的桥梁作用，影响学生后续知识的理解和掌握。经过协商，信号与系统课程组的老师主要负责：Z变换及收敛域，Z反变换，Z变换性质，Z域分析LTI离散系统等方面的知识。而本课程组的老师则只需一个学时内回顾上述知识点，重点放在Z变换与DTFT的关系，Z变换与拉普拉斯变换的关系，时域离散信号的傅立叶变换与模拟信号傅立叶变换的关系等过渡知识点上。整个Z变换章节的学习也只需3个学时左右。同时根据学生学习能力和课堂互动反映，适当压缩或增加这部分内容的学时数。力求为核心知识的有效讲解做好铺垫。

2　教学方式的多样化

数字信号处理课程具有理论性强、抽象概念多、内容枯燥，起点高，难度大等特点，前几年一直被同学们冠以“四大名补”美誉。学生对该课程普遍有畏难情绪。鉴于数字信号处理在电子类学科中的重要地位，如何调动学生的学习激情，提高教学质量，在过去、现在、将来都会是从事本课程教学的同行们讨论的热点。

2.1　学习兴趣的培养

随着高校的扩招，学生良莠不齐，学生学习一门课程目的也很多，有的为考试而学，有的为兴趣爱好而学，有的一遇困难干脆不学。有研究证明：对某一知识有兴趣，其学习效果是最佳的。怎样培养更多学生的学习兴趣，怎样调动更多学生的学习积极性，对于这门理论性强，概念抽象的课程来说十分重要，应贯穿整个教学过程。在教学大纲的安排上，绪论课我们就安排了2-3个学时，这对于只有48学时理论学习，教学内容多，节奏紧凑的该课程是十分不易的，也是十分必要的。例如：在DSP的科普介绍中强调现在是数字的时代，拿同学们日常生活中比较熟悉的电子设备举例，小到MP3、手机大到数字电视都和数字信号处理有关，几乎任何信号方面的处理都是“算”出来的，怎么“算”挑起同学们的求知欲，同时请同学们举一反三，看谁能说出更多的DSP相关的应用，调动同学们的积极性，熟练掌握DSP相关技术等于一份好工作，刺激同学们的学习热情。通过首次课的一系列互动安排，一开始就营造一个轻松，活跃的课题氛围，强调互动教学是本课程的教学风格，同学们一定要习惯“不耻下问”，大家是来一起探讨新技术的。一开始就避免单纯的填鸭式教学，只要多坚持几次这种互动式教学方式，同学们就会习惯，后期遇到理论性较强的内容时，也不要急于求进度，及时运用多种教学手段，尽量减少理论和公式推导，注重应用的现象和趋势，多给同学们演示一些知识的应用，将抽象的知识形象化，尽可能将学生的学习兴趣和注意点引向概念的理解和技术的应用，避免进入枯燥乏味，越学越不想学的恶性循环怪圈。

2.2　教学方法探讨

数字信号处理是一门建立在数学基础上的学科，纵观整本书，几乎一半以上的内容都是抽象的数学公式和符号，大量的定理、性质、理论和算法都是通过严密的数学一步一步推导而得，对于这种理论性较强，又贴近先进技术的课程，要获得较好的教学效果，必须采用一些技巧和方法。近年这方面的教改论文也较多，宋雪桦[3]和刘会衡[4]老师建议以板书的传统教学手段为主，多媒体为辅；胡学友[5]老师则以多媒体的现代教学手段为主。板书为主？还是多媒体为主？

传统板书，多媒体课件教学，Matlab理论验证仿真，DSP开发技术演示，多样化课后作业一样都不能少。板书授课节奏容易控制，有利于互动，不易给学生照本宣科的感觉，容易使学生跟随老师的思路，学生学起来也相对轻松，同时有利于学生做笔记；但对于一些复杂的图、表无法用板书表达，单纯的板书表达也会浪费较多的课堂时间。因此板书主要是针对一些课程中的基本原理和方法推导证明，以及一些需要讲深、讲透逻辑较强的知识点上。多媒体课件教学具有信息量大、形象化效果强的特点，可以大大提高单位时间内学生掌握知识的数量等优点，但多媒体课件又有其片断性特点，PPT的不断倒换，非常容易打断学生的视觉感知，从而造成思维对知识点的认识也出现片断性，不容易将形象化的认知形成完整的抽象思维，一旦某一页的知识没有快速消化理解，很容易产生堆积效应，造成学习进度跟不上，增加厌学情绪，所以在多媒体课件讲解过程中，节奏控制尤为重要。引入Matlab仿真和DSP技术演示，可以加深学生对基本概念、理论的理解，可以使抽象的内容生动、直观，从而提高学生的学习兴趣，事半功倍。

2.3　我们的教学方法安排

以程佩青老师的教材第三版为例，对教学大纲制定的知识点类型做仔细分析讨论后，以兼顾效率，追求效果为目的，课程组老师对每章节的主要知识讲解方式做大致规划，各主讲老师根据自己教学风格做适当调整。在第一章离散时间信号与系统讲解中，以课件为主板书为辅。由于几类基本的离散信号和离散系统基础概念在信号与系统中已经做了较详细的讲解，可以使用PPT做纲要性的复习讲解，但对序列的周期化，连续时间信号的抽样和信号的重建等几个关键的知识点做详细步骤推导的板书讲解，再利用Matlab演示连续信号经理想采样前后的频谱变化关系，加深对时域采样定理的理解，利用序列的傅里叶变换对连续信号、离散信号及系统响应进行频域分析，这种计算机实现方法可以将学生的抽象认识转化为一种直观的、形象的认识。在第二章Z变换与DTFT讲解中，以课件为主板书为辅。Z变换的基本概念在信号与系统中也做了详细的讲解，可以利用PPT对Z变换定义、性质、Z反变换等知识做纲要性复习，而对Z变换与拉普拉斯变换、DTFT之间的关系做板书推导，同时用PPT演示其之间的图像关系。前两章的内容都是温故而知新的知识，以课件为主可以提高讲解效率，将时间留给后面的核心知识讲解。第三章DFT属于本门课程的核心理论知识，应该以板书为主课件为辅，首先从牛顿发现白光和七彩光的关系说起，比喻傅立叶级数或变换就好比三棱镜，可以对信号进行分解组合，给同学们一种物理上直观的认识，再板书从傅立叶级数推导起，一直推导到DFT，从几百年前的时域连续周期信号分析推导到信号的时域频域都离散是为了适应计算机技术。将几种傅立叶变换的演绎过程讲深，讲透，给同学们感觉这些知识有血有肉，也在茁壮成长，就此我们进入了数字的时代，而不仅仅是一堆枯燥的数学公式，再利用多媒体课件图例讲解圆周卷积以及DFT计算连续时间信号时可能出现的一些问题，避开单纯的数学公式，让同学们记住这些物理现象即可，同时要求同学们课后查阅一些DFT在现代电子技术中应用方面的文章，作为平时成绩考核，这样让学生互动起来，进一步加深DFT在时间序列处理算法和离散时间系统分析、设计和实现核心作用的认识。第四章FFT是第三章DFT的延续，本章主要讲解DFT怎样“快速计算”的问题，利用DFT的性质板书推导出基二的蝶形流图以及分裂基的L型蝶形运算图，再利用PPT举例讲解FFT（8点）流程图，此时学生同步学习了微机原理课程，可以结合DSP技术，讲解位倒读命令、原位运算的原理，将原理和技术结合起来，学生印象深刻，本章板书和PPT课件各一半时间。第五章为数字滤波器的基本结构，各类滤波器的信号流图结构可以全部使用PPT课件图例讲解，在讲解IIR滤波器的三种基本结构中，对直接I型II型做优缺点总结，根据其缺点启发式引导同学们做改进，从而推导出级联型，再对级联型做优缺点总结，从而引导同学们推导出并联结构，这种带启发的循序渐进教学方式，利用同学们开放式学习。第六章IIR数字滤波器的设计也属于本章的核心内容，设计步骤多且复杂，学时数安排较多，需要同学们掌握滤波器的详细设计步骤，因此绝大部分时间以板书讲解，在具体讲解时，根据IIR设计步骤的逻辑性，我们将书中的讲解顺序做了适当调整，将常用模拟低通滤波器的设计提到冲激响应不变法和双线性变换法前面讲解，符合数字-模拟-数字的设计过程，这样学生学习思路更加清晰，在讲解原型模拟低通滤波器经模拟频带变换成各型模拟滤波器时，建议使用清华大学胡广书老师的教材第六章的相应内容，图表并用的公式推导方式，有利于公式原理的讲解，让学生知其然也知其所以然，避免死记硬背公式，而对于非常有用的IIR设计最优化方法，做导入式教学，布置课外作业查阅相关资料，以自学为主。第七章FIR数字滤波器的设计步骤相对简单，很多内容适合图表讲解，除两类线性相位条件以板书形式讲解外，其余部分基本以PPT课件讲解，在讲解FIR滤波器设计时，让学生知道对系统单位冲激响应对称性的选择和窗函数的选择应和具体设计要求相关，今后的学习和工作中，遇到相关知识知道在那本书查阅就行，无须死记硬背，这种抓住重点，深入浅出的讲解方式，可以使学生在学习过程中不觉得枯燥、繁杂、要记的东西太多，提高了学习效率。第八章多抽样率数字信号处理，课题上只做提纲式介绍，由于这时学生已经具有一定数字信号处理理论方面的基础，可以让学生课后上网查阅相关资料并做书面报告，作为平时成绩记分，这样学生不拘泥于课题教学，充分发挥自己的主观能动性。如果时间充裕，第四、六、七章都适合用Matlab进行实例化讲解，并成立专门的数字信号处理兴趣小组，对于动手能力较强的同学，可以要求其用C语言实现IIR数字滤波器的结构或FFT算法，并将计算结果与Matlab计算结果进行比较，安排专门的老师课外单独进行指导，抓住大部分学生基础教育的同时，也加强对一些基础较好的学生进行精英教育。

这种多种形式的教学方式，通过几个学期的实践，大部分学生反映教学方式灵活生动，重点突出，不枯燥，从中得到了锻炼，有一定收获。

3　学生成绩统计与分析

本课程的课程组成立于2009年上半学年，成立后即进行了一些教学改革尝试，学生成绩分析应以教改前和教改后对照为好，由于2008.5.12地震影响，不宜分析当年成绩，因此以本课程教改前2006下半学年、2007上半学年，以及教改后2010下半学年、2011上半学年四轮教学的学生卷面成绩入手，进行分析和总结。试卷为本课程题库中抽取，采用统一流水阅卷。2007上半学年、2011上半学年为二本专业学生，2006下半学年、2010下半学年为一本专业学生。2006下半学年、2007上半学年学习学生为同批次入学，2010下半学年、2011上半学年学习为同批次入学。各学年学生成绩统计见表1。

本统计表显示的是学生的期末卷面考试成绩，因此总体成绩偏低，教改前本课程最终成绩构成比例为：卷面成绩75分，平时成绩（作用、出勤）10分，实验成绩15分，教改后最终成绩比例为：卷面成绩70平时成绩15分（主要是增加课后阅读报告考核），实验成绩15分。从统计表中看出：四轮考试的成绩都属于正态分布，教改后的卷面成绩普遍比教改后的卷面成绩有所提高，同批次学生中一本专业学生成绩普遍比二本专业学生成绩好，但教改后二本专业的学生成绩也比教改前一本专业的学生成绩稍好。说明课程组成立后，老师们集思广益，共同探索多样性教学方式取得了一定的效果。

4　结束语

经过两年多的本课程教学改革，虽然取得一定成绩，特别是在期末对学生进行教学质量问卷调查中，对于师生间的灵活互动有良好的反馈，越来越多的学生觉得学习本门课程后有一定的收获，对新技术的认识能力、动手能力等有了加强。但同时也能感觉到课程建设与改革中很多的地方需要我们去完善，例如：如何逐步尝试双语教学，如何更加有效的利用好多媒体技术手段，制作出更加生动形象的课件，如何进行研究性教学等等。罗马不是一夜建成的，我们的教学改革探索之路要一直走下去。

参考文献：

[1]　彭启琮.“数字信号处理”课程双语教学的初步实践与探讨[J].电气电子教学学报，2003（4）.

[2]　陈华，覃玉荣，陈海强.“数字信号处理”课程及教学改革的发展与现状[J].广西大学学报：自然科学版，2007（32）.

篇11

一、前言

早期的信号处理主要采用模拟的处理方法，包括运算放大电路、声表面波（SAW）器件以及电荷耦合器件（CCD）。运算放大电路通过不同的电阻组配可以实现算数运算，通过电阻、电容的组配可以实现滤波处理等等。模拟处理最大的问题是不灵活、不稳定。解决以上问题的最好办法就是采用数字信号处理技术。数字信号处理主要通过软件实现，可以很方便的修改参数，具有很大灵活性。并且数字电路采用逻辑值进行处理，也相当可靠。当今数字信号处理的理论和方法已经得到长足的发展，成为数字化时代的重要支撑，已经渗透到我们生活和工作的各个方面。[1]高速实时信号处理是信号处理中的一个特殊分支。它的主要特点是高速处理和实时处理，被广泛应用在工业和军事的关键领域，如对雷达信号的处理、对通信基站信号的处理等。高速实时信号处理技术除了核心的高速DSP技术外，还包括很多技术，如ADC、DAC等器件技术、系统总线技术等。

二、高速数字信号处理硬件体系设计

DSP（数字信号处理器）是专门为了数字信号处理应用而设计的高速芯片，由用户通过编程实现处理算法，其编程语言多为C语言。DSP具有开发周期短、处理速度快、实时处理能力强的特点，目前，已经成为了数字信号处理系统中最为重要的处理器件之一。 FPGA（现场可编程门阵列）近年来发展迅速，因为它的灵活性、可重构性、广泛的适应性，在一些信息量较大的场合，如雷达信号处理、海洋气候数据、农业生产信息处理等应用领域，现场可编程门阵列（FPGA）可以跟DSP等芯片配合使用，增加系统的可用性和效率，是嵌入式系统中不可或缺的芯片[2]。本文设计的数字信号处理系统主要以DSP为核心，FPGA为协处理器，再搭配ADC和DAC及接口电路，为可重构电路，是目前比较常用的并行处理系统解决方案，主要完成数字信号的检测、处理和传输。该系统最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率，同时其开发周期短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。[3]

2.1 DSP和FPGA器件的选型

DSP芯片选择了TI公司的TMS320C6416，其最高工作频率可以达到1GHz，器件本身拥有1MB的内部存储空间，1280MB的外部存储空间，可以通过HPI、PCI、EMIF等接口与其它器件连接，能够胜任数据的高速处理要求。[4]

FPGA芯片选择了Xilinx公司的XC5VSX95T，其拥有14720个Slices、1520KbRAM、640个DSP48E Slices和640个User I/O。可以依靠片内的大量RAM资源和乘法器完成各种逻辑运算和处理算法。

2.2系统功能与总体结构设计

本系统对前端输出的模拟信号进行ADC采样，然后经过滤波、变频、抽取和处理，得到处理数据，再通过接口送往显控设备显示，同时，可以通过DAC输出基带信号，系统的总体设计结构如图1所示。

其中，FPGA主要实现ADC和DAC控制，ADC采样信号的滤波、变频、解调等预处理，系统接口电路的逻辑控制，离散的信号控制和状态监测，以及和DSP的接口逻辑等；DSP属于信号处理硬件的核心部分，实现数据处理的核心算法等功能，处理得到的数据通过UART口送往显控设备；FPGA和DSP之间通过EMIF口连接，并使用DSP的外部中断作为读取数据的触发；具体的电路结构如图2所示。

三、系统性能优化

3.1 FPGA与DSP的接口优化

本信号处理硬件中FPGA作为数据输入/输出的控制及预处理芯片，必须要与核心处理器DSP交换数据，因此，FPGA和DSP之间需要建立高速数据接口。

FPGA作为一个外设，挂在DSP的EMIFA口，因为EMIF口工作时钟可能和FPGA内部工作时钟不一致，为了控制FPGA内部电路的时序，在FPGA内部，设计了两个FIFO，来实现EMIF口对FPGA的数据访问。当DSP响应其外部中断信号时，从FIFO_R中读取FPGA预处理的数据，当要给FPGA下发工作参数时，将数据写入FIFO_W。

3.2接口驱动优化

为了实现信号的高质量传输，需要在DSP的EMIF口和外部存储器之间增加双电源三态缓冲器，这里选择的是性能稳定的SN74LVC16T245。本设计中，在FPGA与DSP的EMIF之间使用该芯片构成数据缓冲。

3.3 软件优化

随着电子技术和大数据时代的激发，多个领域对更大的数字信号数据量的存储和处理需求提出了更高的诉求。特别是雷达、高清视频实时转播等系统采用的高采样率设备，数据率可以达到Gbps，这就需要除了对硬件采集信号的质量加以控制之外，还要对软件算法不断加以优化[5]。尤其是在FPGA程序设计中，需要特别注意信号采集和发送的时序，不仅要在原理图设计初期根据厂家的芯片Datasheet进行合理的配置，也要在编写程序时合理处理多时钟域问题。在一个设计中，一般应该只有一个全局时钟网络可以驱动全部触发器，这样可以极大的简化时序分析，去除掉大量与多时钟域相关的问题，但是在实际的设计时，由于FPGA对外接口较多，每个接口的约束条件都不同，只利用一个时钟是不可能的，这时候就要处理多个时钟问题。可以通过以下几个技巧进行处理。

1）使用全局时钟buffer。对于全局时钟信号，尽量使用全局时钟buffer（BUFGP）驱动，FPGA内部需要低时钟偏差的信号，也尽量使用二级全局buffer（BUFGS）驱动。

2）分频信号的处理。对于设计中需要采用“分频信号”作为时钟的电路，在不要求占空比时，可以将分频信号设计成和主时钟一样宽度的信号，然后在实际处理中，仍然以主时钟为触发条件，把分频信号作为控制信号处理。如图3所示，假设主时钟为100MHz，产生一个10MHz的分频信号。

3）合理选择语法。在VHDL中，if语句指定了一个具有优先级的编码逻辑，而case语句则是并行逻辑，不具有优先级。通常，if-else结构速度较慢，但需要的电路面积较少；case结构执行速度较快，但占用电路面积较大。在具体编程时，要综合考虑速度和面积的关系，如果对速度有特殊要求，而对资源没有较高要求，则应使用case结构。在必须使用if-else结构时，不正确的嵌套使用if语句会增加延时，因此，对于延时要求苛刻的路径，应该放在较高的优先级。[6]

四、结术语

本文主要研究了高速数字信号处理中使用FPGA+DSP的方案结构，分析了其中重要的接口设计和软件优化，基本解决了通用高速数字信号的采集和处理问题。但是目前看来，提出的基于FPGA+DSP的数据采集和处理的硬件实现，对多路信号的并行计算速度还不够。下一步的目标将是，通过对FPGA中的算法模块和控制逻辑模块、接口协议的调整优化以满足更高的要求。[7]

参 考 文 献

[1]石星. 高速数字信号处理设计评述[A]. 中国电子学会.中国电子学会第七届学术年会论文集[C].中国电子学会：，2001：6.

[2]郑文明. 基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现[D].哈尔滨工程大学，2009.

[3]孙进平，王俊，李伟，张有光等.DSP/FPGA嵌入式实时处理技术及应用[M].北京航空航天大学出版社.2011.

[4]卞红雨，纪祥春 等.TMS320C6000系列DSP的CPU与外设[M].清华大学出版社.2007.

篇12

关键词: 数字信号处理;虚拟实验室

Key words: digital signal processing;virtual lab

中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)19-0153-02

1建设背景

数字信号处理(DSP)技术在近30年来得到飞速发展,它在语音、雷达、声纳、图像、通信、遥感遥测、航空航天等众多领域都获得极其广泛的应用。为适应这一发展对人才的需求,许多高校都开设了数字信号处理课程,并且已由过去的面向电子信息类专业逐渐扩展到面向电气工程、仪器仪表、机械制造及生物医学等更多的专业领域。数字信号处理是一门涉及众多学科又应用于众多领域的学科,它既有较为完整的理论体系,又具有实际的应用价值,因此要建设好数字信号处理课程,不仅要有完善的课堂教学,还要强调课外的实验支持。

在我们开设的数字信号处理课程中,除了包含信号与系统的基本知识、DSP构建、计算机算法、有限字长和定点处理器、快速傅里叶变换的应用以及实时多媒体和通讯应用等教学内容,还建立了一个有力的硬件实验支撑。在课程的最后,学生们需要利用DSP开发平台实现对语音信号的采样、滤波、频谱分析及D/A转换,通过对语音信号进行较为完整的处理来加深对课内教学内容的理解。此外,通过使用DSP内部并行的执行单元、硬件循环、以寻址为模,多重DMA和片内存储器,学生将对DSP处理器有深刻的认识,加深对DSP算法的理解,探索DSP处理器相比通用处理器在构建应用系统上的优势。

数字信号处理实验包括八套实验设备,每套实验设备包含两种不同的TI公司DSP开发系统、信号发生器及示波器。DSP开发系统不仅包含DSP处理器,还包括A/D、D/A、SDRAM、FLASH、扬声器等设备,可以开展数据采集、滤波、频谱分析等实验。学生以小组的方式开展工作,每个小组三名成员,要在两周内完成每一个实验所要求完成的任务。为了使学生灵活安排实验时间、充分利用实验资源,我们构建了一个小型的“虚拟实验室”,使学生能够通过网络直接使用硬件设备和软件,方便地学习研究DSP的应用。我们采取开放的实验室使用政策,学生们可以24小时以他们方便的途径随意使用实验室,对于在线的学生,采用了类似的“提问-回答”的会议方式,在这个会议上助教回答学生的提问,提供实验指导。此外所有的讲稿笔记、家庭作业和其他分配任务,包括实验室考试都会在网上发送而且也可以在网上上交和批改。

2虚拟实验室构建

实验室共有12套实验设备,每套设备包括一台Tektronix AFG310函数发生器,一台Tektronix TDS3012B示波器,一个TI的DSK5510的工具包和一个DSK6713工具包。此外,软件工具包括由项目管理人,用户图形界面,编译器,连接器,调试器,源编码浏览器和编辑工具(如TI的Codecomposer)组成的IDE。NI Labview是一个用模块代替代码行来创造应用的图形语言。它用于远程访问来同时和AFG310函数发生器和TDS3012数字滤波器进行通信。此外,执行实验还需要一些附件如扬声器,耳机和网络摄影。虚拟实验室的目标是创造一个和实物实验室尽可能接近的环境,它必须能远程控制,所有的软件硬件工具都能够实时使用,这样在线的学生就可以实现远程连接到实验室并且方便地使用工具和设备。图1(a)展示了虚拟实验室的安装连接。在实验室内,主控计算机通过各种接口和协议与硬件设备的控制端口相连,实现对各种设备的操作,如通过HTTP接口控制TDS3012B示波器,通过GPIB接口控制AFG310函数发生器,通过USB接口控制DSK5510及DSK6713开发平台。这些设备的输入或输出通道通过一个称作“开关矩阵”的设备连接在一起,开关矩阵由主控计算机控制,可以灵活组合成不同的实验平台,其结构如图1(b)所示。学生终端经校园网连接到实验室主控计算机,通过LabviewTM图形用户语言来实现对实验设备的远程操控。

实验设备及开关矩阵的电源都由可远程控制的电源管理单元来供电,在线用户能够独立启动函数发生器、示波器、主控计算机、TDSK5510工具包和DSK6713工具包。实验室使用的是来自Synaccess的NP08,它拥有八个电源控制端口,一个独立的电源控制单元就可以使用八个实验设备。NP08提供三个用户权限级别:

管理员级别:管理系统配置和无限制有权使用所有电源引口和所有串行端口。

用户级别:允许每个用户保留和管理他自己的端口,以及改变大多数系统配置。

匿名级别(客人):用户可以观看所有设置和操作没有限制的电源引口和串行控制台端口。

标记不同级别的权限是非常有用的,例如实验室助教会授予管理员权限以便于控制所有可用的实验台,在线学生会被授予一个用户名/口令和指定的权限访问他自己的实验台。用户可以利用telnet命令发送指令到控制单元,用来重启用户设备、永久打开/关闭用户电源等。此外,系统会周期性地利用Ping指令查询用户的设备,如果用户设备停止应答Ping的请求,该设备将会重启。为了确保电源管理单元的正常工作,用户可以通过网络摄影看见实验台来确保设备正常工作。要注意的是视频只是作为反馈而不是展示工具。视频不是用来读仪器的显示,用户可以使用LabviewTM图形用户界面来显示和控制仪器。

3在线实验

数字信号处理课程虚拟实验室目前开设了两个实验,一个是语音信号的采集与滤波,另一个是双音多频(DTMF)信号的生成。这两个实验分别基于DSK6713开发平台与DSK5510开发平台进行,实验设备连接如图2所示。

在语音信号处理实验中,主控计算机中保存的语音或音乐信号(已叠加噪声)经扬声器输出端(LINE OUT)进入DSK6713开发板的A/D模块,经采集后得到的数字信号传给TMS320C6713处理器,在那进行低通滤波,之后经DSK6713的D/A模块转变为模拟信号,经主控计算机的麦克风输入端(LINE IN)传入主控计算机。学生可在远程终端上选择源信号,并且可以在远程终端上播放源信号及处理后的结果以进行对比。在第二个实验中,由DSK5510开发板的TMS320C5510处理器根据主控计算机设定的参数生成DTMF信号(多个单频信号的叠加),经开发板的D/A模块转变为模拟信号后送至TDS32012B示波器进行信号时域波形显示及FFT频谱显示。学生可以通过LabviewTM界面操控示波器并看到处理结果。这两个实验都使用TI公司的Code Compser软件进行开发。对虚拟实验室进行测评,结果表明实验步骤简洁清晰,实验所得结果和在实验室中实际进行操作的结果相同。音频流的声音质量也得到所有实验者的满意,远程软件工具Code Composer Studio运行也十分流畅。

4结论

我们采用了一个简单有效的方法来远程访问硬件和软件,并构建了一个数字信号处理课程虚拟实验室。在线的学生可以通过虚拟实验室开展实时硬件实验,并得到和在实际实验室相同的准确的结果。由此可以采取开放的实验室管理与使用政策,方便学生学习研究DSP的应用。

参考文献:

[1]缪晓芸,吴正明.虚拟实验室的研究与探讨[J].福建电脑,2009,(11):33-35.