数字信号论文范文

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1.2电源电路其中电源电路主要是给整机电路提供稳定的电压和电流的，能够让电路工作在抗干扰能力强的电源电路环境下；该工作电路的电压通常给单片机能够提供正常工作的+5V电压（TTL电路电平），并且能够提供18V（CMOS电路电平）电压，考虑到整机的用电电压、电流以及单片机的抗干扰要求，采用一般的三端稳压器组成电源电路，再外加滤波措施，这种电路更能保证电路稳定、长时间工作。

1.3输入选择电路输入电路选择和控制信号来自于工作参数设置开关和工作状态控制开关。输入信号为直流电平，幅度为5V。根据所需的选择控制方式和数量，拟采用独立式非编码的键盘电路实现输入信号的选择；具体选择和控制开关设计如下：（1）工作状态控制开关K0；（2）信号序列选择开关K1、K2；其中K1—代表穷举测试序列的选择开关。其中K2—代表走步测试序列的选择开关。（3）输出频率选择开关KF（在主机电路中）分别为100KHZ、10KHZ、1KHZ三个档位。（4）输出信号幅度选择开关Ku(在输出驱动电路中)分别为5V、18V两档。

1.4输出驱动电路输出驱动电路首先要把单片机给出的两个8位的信号组合成16位电路信号输出，再根据输出信号幅度选择开关的设置输出相应的信号电平。其中，根据输出信号的电平变化和驱动能力要求，输出的两个8位信号通过锁存器实现8到16的组合，用高压输出驱动器完成电平变化和驱动要求。

1.5主机部分主机电路根据信号序列和频率变化的要求，拟采用单片机AT89C51实现所需的控制处理功能，通过软件编程的方法实现电路所要达到的功能。

2电路的主要实现原理

多路数字信号发生器是一个能够输出16位的数字信号源，它能够产生满足数字电路检测用的多路数字序列信号。通过AT89C51单片机为核心部分，通过单片机控制电路输出的序列，本电路可以产生两种序列，一种是‘穷举’测试信号序列，这种序列即为216个16路信号；一种是‘走步’测试信号序列，即为每路逐个输出“0”,与每路逐个输出“1”组合。这些序列通过单片机I/O口输出，在经过地址锁存器将所输出的信号进行锁存输出，就得到想要的16位数字信号。如果我们需要模拟信号，可经过将正弦波，三角波波形数据做成波形表，用查表法来输出波形数据。经D/A（DAC0832）转换输出波形。AT89C51有4KB的程序内存可以用来存储运行程序,而128B的RAM则可用来保存波形参数及用户自定的外部波形的数据。由于是数字合成技术,因此该信号源可以产生多种波形。在频率的选择上多路数字信号发生器通过AT89C51单片机和电路，通过软件编程的方法控制频率的输出，输出的频率分别为1KHz、10KHz、100KHz三个档位。

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在实际设计时应根据具体的应用选择合适的DSP。不同的DSP有不同的特点，适用于不同的应用，在选择时可以遵循以下要点。

算法格式

DSP的算法有多种。绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：尾数×2指数。

浮点算法是一种较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围(这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示)。浮点DSP在应用中，设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。浮点DSP比定点DSP更容易编程，但是成本和功耗高。

由于成本和功耗的原因，一般批量产品选用定点DSP。编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。如果要求易于开发，而且动态范围很宽、精度很高，可以考虑采用浮点DSP。

也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算，但是这样的软件程序会占用大量处理器时间，因而很少使用。有效的办法是“块浮点”，利用该方法将具有相同指数，而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。“块浮点”处理通常用软件来实现。

数据宽度

所有浮点DSP的字宽为32位，而定点DSP的字宽一般为16位，也有24位和20位的DSP，如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系，所以字宽的长短直接影响到器件的成本。字宽越宽则尺寸越大，管脚越多，存储器要求也越大，成本相应地增大。在满足设计要求的条件下，要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。

在关于定点和浮点的选择时，可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。例如，通过将指令组合连用，一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法(当然双精度算法比单精度算法慢得多)。如果单精度能满足绝大多数的计算要求，而仅少量代码需要双精度，这种方法也可行，但如果大多数的计算要求精度很高，则需要选用较大字宽的处理器。

请注意，绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样，也有一些不一样，如ADI(模拟器件公司)的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。

DSP的速度

处理器是否符合设计要求,关键在于是否满足速度要求。测试处理器的速度有很多方法，最基本的是测量处理器的指令周期，即处理器执行最快指令所需要的时间。指令周期的倒数除以一百万，再乘以每个周期执行的指令数，结果即为处理器的最高速率，单位为每秒百万条指令MIPS。

但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样，单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。现在一些新的DSP采用超长指令字(VLIW)架构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比传统DSP少，因此相对VLIW和通用DSP器件而言，比较MIPS的大小时会产生误导作用。

即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位，而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位；有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理(在执行指令的同时加载操作数)，而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理；有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。

解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作(而不是指令)作为标准来比较处理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息，在绝大多数DSP中，MAC操作仅在单个指令周期内实现，其MAC时间等于指令周期时间，如上所述，某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能，而这种操作在所有的应用中都会用到。

最通用的办法是定义一套标准例程，比较在不同DSP上的执行速度。这种例程可能是一个算法的“核心”功能，如FIR或IIR滤波器等，也可以是整个或部分应用程序(如语音编码器)。图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。

在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS(百万次操作每秒)和MFLOPS(百万次浮点操作每秒)参数，因为不同的厂商对“操作”的理解不一样，指标的意义也不一样。例如，某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作，因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。

其次，在比较处理器时钟速率时，DSP的输入时钟可能与其指令速率一样，也可能是指令速率的两倍到四倍，不同的处理器可能不一样。另外，许多DSP具有时钟倍频器或锁相环，可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。

存储器管理

DSP的性能受其对存储器子系统的管理能力的影响。如前所述，MAC和其它一些信号处理功能是DSP器件信号处理的基本能力，快速MAC执行能力要求在每个指令周期从存储器读取一个指令字和两个数据字。有多种方法实现这种读取，包括多接口存储器(允许在每个指令周期内对存储器多次访问)、分离指令和数据存储器(“哈佛”结构及其派生类)以及指令缓存(允许从缓存读取指令而不是存储器，从而将存储器空闲出来用作数据读取)。图2和图3显示了哈佛存储器结构与很多微控制器采用的“冯·诺曼”结构的差别。

另外要注意所支持的存储器空间的大小。许多定点DSP的主要目标市场是嵌入式应用系统，在这种应用中存储器一般较小，所以这种DSP器件具有小到中等片上存储器(4K到64K字左右)，备有窄的外部数据总线。另外，绝大多数定点DSP的地址总线小于或等于16位，因而可外接的存储器空间受到限制。一些浮点DSP的片上存储器很小，甚至没有，但外部数据总线宽。例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存储器，外部总线为24位，13位外部地址总线。而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存储器，可以多种方式划分为程序存储器和数据存储器。

选择DSP时，需要根据具体应用对存储空间大小以及对外部总线的要求来选择。

开发的简便性

对不同的应用来说，对开发简便性的要求不一样。对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能便于开发。而如果公司在开发下一代手机产品，成本是最重要的因素，只要能降低最终产品的成本，一般他们愿意承受很烦琐的开发，采用复杂的开发工具(当然如果大大延迟了产品上市的时间则是另一回事)。

因此选择DSP时需要考虑的因素有软件开发工具(包括汇编、链接、仿真、调试、编译、代码库以及实时操作系统等部分)、硬件工具(开发板和仿真机)和高级工具(例如基于框图的代码生成环境)。利用这些工具的设计过程如图4所示。

选择DSP器件时常有如何实现编程的问题。一般设计工程师选择汇编语言或高级语言(如C或Ada)，或两者相结合的办法。现在大部分的DSP程序采用汇编语言，由于编译器产生的汇编代码一般未经最优化，需要手动进行程序优化，降低程序代码大小和使流程更合理，进一步加快程序的执行速度。这样的工作对于消费类电子产品很有意义，因为通过代码的优化能弥补DSP性能的不足。

使用高级语言编译器的设计工程师会发现，浮点DSP编译器的执行效果比定点DSP好，这有几个原因：首先，多数的高级语言本身并不支持小数算法；其次，浮点处理器一般比定点处理器具有更规则的指令，指令限制少，更适合编译器处理；第三，由于浮点处理器支持更大的存储器，能提供足够的空间。编译器产生的代码一般比手动生成的代码更大。

不管是用高级语言还是汇编语言实现编程，都必须注意调试和硬件仿真工具的使用，因为很大一部分的开发时间会花在这里。几乎所有的生产商都提供指令集仿真器，在硬件完成之前，采用指令集仿真器对软件调试很有帮助。如果所用的是高级语言，对高级语言调试器功能进行评估很重要，包括能否与模拟机和/或硬件仿真器一起运行等性能。

大多数DSP销售商提供硬件仿真工具，现在许多处理器具有片上调试/仿真功能，通过采用IEEE1149.1JTAG标准的串行接口访问。该串行接口允许基于扫描的仿真，即程序员通过该接口加载断点，然后通过扫描处理器内部寄存器来查看处理器到达断点后寄存器的内容并进行修改。

很多的生产商都可以提供现成的DSP开发系统板。在硬件没有开发完成之前可用开发板实现软件实时运行调试，这样可以提高最终产品的可制造性。对于一些小批量系统甚至可以用开发板作为最终产品电路板。

支持多处理器

在某些数据计算量很大的应用中，经常要求使用多个DSP处理器。在这种情况下，多处理器互连和互连性能(关于相互间通信流量、开销和时间延迟)成为重要的考虑因素。如ADI的ADSP-2106X系列提供了简化多处理器系统设计的专用硬件。

电源管理和功耗

DSP器件越来越多地应用在便携式产品中，在这些应用中功耗是一个重要的考虑因素，因而DSP生产商尽量在产品内部加入电源管理并降低工作电压以减小系统的功耗。在某些DSP器件中的电源管理功能包括：a.降低工作电压：许多生产商提供低电压DSP版本(3.3V,2.5V,或1.8V)，这种处理器在相同的时钟下功耗远远低于5V供电的同类产品。

b.“休眠”或“空闲”模式：绝大多数处理器具有关断处理器部分时钟的功能，降低功耗。在某些情况下，非屏蔽的中断信号可以将处理器从“休眠”模式下恢复，而在另外一些情况下，只有设定的几个外部中断才能唤醒处理器。有些处理器可以提供不同省电功能和时延的多个“休眠”模式。

c.可编程时钟分频器：某些DSP允许在软件控制下改变处理器时钟，以便在某个特定任务时使用最低时钟频率来降低功耗。

d.控制：一些DSP器件允许程序停止系统未用到的电路的工作。

不管电源管理特性怎么样，设计工程师要获得优秀的省电设计很困难，因为DSP的功耗随所执行的指令不同而不同。多数生产商所提供的功耗指标为典型值或最大值，而TI公司给出的指标是一个例外，该公司的应用实例中详细地说明了在执行不同指令和不同配置下的功耗。

成本因素

在满足设计要求条件下要尽量使用低成本DSP，即使这种DSP编程难度很大而且灵活性差。在处理器系列中，越便宜的处理器功能越少，片上存储器也越小，性能也比价格高的处理器差。

封装不同的DSP器件价格也存在差别。例如，PQFP和TQFP封装比PGA封装便宜得多。

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(2)网络中传输的虽然都是已调制的高频信号,但数字频道是多电平正交幅度调制(64QAM)的数字调制方式。模拟频道是残留边带幅度调制的模拟调制方式,二者共同点是都有“幅度调制”的特点,对传输网络的幅度线性失真都是非常敏感的。

(3)要全面理解数字频道和模拟频道在传输电平测量上的区别。1)不管是模拟频道还是数字频道,在网络中的传输功率都是相同的,但二者在频道内的能量分布不同,特别是峰值能量的数值差异很大。在测量上,二者的传输电平有不同的表述方式。数字频道是数字信号调制的高频载波,在频道内,能量是相对均匀分布的,各频率处“峰值”相等。测量时用“频道内平均功率”来表示。模拟频道是模拟信号调制的高频载波,频道内功率比较集中分布在“图像载波”和“伴音载波”附近,有明显的峰值,测量时,用峰值处的平均电平表示,所以尽管数字频道与模拟频道传输时功率大致相同,但在测试上数字频道电平要比模拟频道电平低10dB左右。二者差值太小数字频道容易进入非线性状态,除自身信号劣化外,还会干扰网络内模拟频道；二者差值太大,数字频道电平低,载噪比损失大,数字信号也会劣化。或者模拟频道电平的峰值超过网络设备的最大失真范围,信号变劣,还会产生副产物,干扰数字频道。2)每个环节电平控制。网络中传输电平是由光电收发设备、放大器、机顶盒等有源设备,器件的性能,网络拓扑结构、布置,传输节目套数,用户数量等共同决定的,在设计时作了详尽充分的考虑,并在系统图中标定了各关键点的传输电平。所以,按照设计要求,随时控制各关键点的传输电平是网络安全运行的关键,只有如此,才能稳定网络运行。在网络运行维护中,控制各个环节电平,以下几个原则问题应做到:①数字频道与模拟频道的电平是由前端决定的,特别是二者的差值是由前端保证的,所以前端调制器输出电平要严格控制好,随时检测,发现电平差异,立即纠正。②前端输入到光发射机的高频信号电平要认真按设计要求控制,不要因为同轴电缆分配网的某些变化随意提高或降低,同轴电缆分配网的电平调整服从光传输电平。③所有光接收机的输出电平也要按照设计调整,并留有电缆放大器自动控制的余量,用于温度变化补偿,机内各部位的衰减器也要按设计标定的数值安装,因为不同环节的衰减器分别影响非线性失真和载噪比。④原有的模拟同轴电缆分配网不需做大的变动,电平大体可维持正常。偏差太大的,就必须按设计要求重新配置干线放大器,调整电平也要象处理光接收机一样,按要求配置各环节衰减器。光接收机实质上是一台加了光接收模块的干线放大器。用户放大器以下的电缆分配网络调整时以用户获得足够电平、用户之间点评均衡为原则。总之,模拟数字混合传输网各个环节的电平控制至关重要。对于模拟信号,输出信号太高,会造成非线性失真‘出现网纹、交调等；输出信号太低,造成载噪比低,出现雪花、噪点等。而对于数字信号，电平输出过高或过低,都表现为停帧、马赛克或黑屏等。因此,各个环节的电平要控制得当。

2如何检测和处理数字电视故障

(1)初次安装时无法收到数字电视节目,一般由于两个原因:一是有线电视线路故障,维修人员应用数字场强仪测量数字信号电平是否在合理范围内,或者检查连接线接头是否松动,应使各种街头连接牢固。二是因为用户没有将视频线连到机顶盒与电视上,或没有把电视调到AV状态下,这种现象占报修率60%以上。

(2)安装后收台不全,很多频道显示加密状态,多数情况是用户没有弄清数字电视收费政策,只有已付费的频道才能收看,其他需要另外付费的节目虽然可以看到台标但都会是加密状态。

(3)收看时出现马赛克或卡碟的声音,基本是有线电视线路故障,多出在雨雪天或大风天之后,对有线线路进行维修后可以好转。还可能是用户室内有线接头接触不良,现行的方法都是手工完成的,这就要求工作人员在各器件与电缆的连接中不能有丝毫大意,否则将产生电弧及打火现象。当频率较低时阻抗大、信号衰减大,载噪比在25dB以下时,将出现个别频点播出的电视节目出现马赛克或卡碟的声音。

(4)前端机房节目播出频点改变后部分频道无信号,更改播出频点这种问题不会经常发生,但是改动后会给用户收看节目造成不便,如果不重新搜索,部分频道将显示无信号,这时应尽量教会用户如何重新设置新的频点并搜索。也有的机顶盒需要进行软件升级。

(5)如果单个或几个数字频道电平过低,比邻近数字频道低5dB以上,会引起该频道所有节目都无法观看,这时要检查该频道电平比其他频道信号过低的原因。其主要有以下几种故障:同轴电缆屏蔽网接触不良、折断；电缆或插接头的主芯生锈,接触不良；光接点输出故障；致使输出单个或几个数字频道电平过低等。

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1．1相关函数的定义互相关是统计学中用来表示两个随机矢量X和Y之间的协方差cov(X，Y)，与矢量X的“协方差”概念相区分，矢量X的“协方差”是X的各标量成分之间的协方差矩阵。自相关是对信号相关程度的一种度量，也就是说自相关可以看作是信号与自身的延迟信号相乘后的乘积进行积分运算，随机信号的自相关函数与其功率谱是傅氏变换对(随机信号无法得到具体的函数表达式，只有其统计信息)，通过对接受信号的自相关运算可以进行频谱分析。同时，自相关在信号检测中也有很重要的作用，是在误码最小原则下的最佳接收准则［6］。

1．2信号处理中矩阵的相关性分析一个自适应系统输入的有用信号可以是确定信号或随机信号，而输入信号中不可避免的混有噪声或干扰，在频域考虑可能是窄带的也可能是宽带的［7］。一个自适应系统的输入信号和信号特性，通常对该系统的结构和性能起重要作用，输入信号用向量的形式表示，隐去时间函数，则信号向量X可以表示为。矩阵分析作为一种重要的数学工具，在信号与信息处理领域起着不可替代的作用。由于在现代信号处理、图像处理，以及通信相关领域中的操作和运算中，为了满足性能需要，所以对数据的吞吐量有极高的要求，其中很多操作都必须实时完成，所以对相关算法的实现速度就有了很高的要求。在数字信号处理中，大部分处理信号和图像的算法具有局部化、计算数据密集以及海量的矩阵运算等特点，所以为了提高算法的实现速度，寻找一种高速矩阵运算和高速密集型数据运算的方法对很多在数字信号处理中应用的复杂算法是十分有意义的［8］。

2GPU上大型矩阵快速运算的具体实现

在GPU中实现矩阵的快速乘法时，不仅要保证运算的精度问题，同时，也要保证运算的效率，提高运算的速度。所以，根据GPU的硬件结构，应该设计一种矩阵分块和内存分配方法［9］，以便减少内存的访问次数。

2．1运算精度目前对于很多GPU来说，其只支持32b浮点数运算，所以在大量数据累加时，后面的数字位数一定被舍去过多，从而导致了运算结果的精度下降。而CUDA的浮点数运算是符合IEEE754运算精度标准的，因此，可以利用Kahan求和公式来提高运算的精度，具体流程伪代码如下。虽然Kahan求和公式在优化运算结果精度的同时增加了每个线程的运算量，但对于GPU来说，并没有内存存取的动作，所以对整体的运算效率影响很小，并且精度问题是整体运算结果的前提保证，所以这一步骤是十分必要的。

2．2矩阵分块由于CUDA平台一个线程块只同时支持512个线程并行工作，所以只有当内存控制器从某个固定倍数地址开始读取时，工作效率最高。解决这个问题最好的办法就是将大矩阵分解为16×16的小矩阵，这样每一个线程块就同时使用256个线程并行计算。所以小矩阵就可以完全加载到高速共享内存中，同时小矩阵自身乘法也不需要再存取外部内存。为了方便进行线程块的计算，对于两个矩阵A和B，可以分别为每个线程块分配16×16个线程，再建立(m/16)×(n/16)个线程块。但是，由于参加运算的矩阵阶不一定是16的倍数，所以对于最后一次分块，程序可以利用判断语句来控制。即:如果本线程的矩阵块没有超出A、B的阶数，就进行分块;如果超出，则只运算原始矩阵剩下的部分。

2．3内存分配为了使GPU高效率工作，在矩阵A和B的分块矩阵初始内存空间时，直接把内存大小配置成16的倍数，并在复制矩阵到显卡内存之前，将其清零。这种处理方法充分利用了GPU的硬件结构特点，满足GPU高效率读取内存的原则［10］。并且，CUDA提供的cudaMallocPitch()函数就可以满足该要求，它是一种节距分配，可以使分配的内存在硬件中的节距对齐，以提高共享内存的访问速度，并返回指向已分配内存的指针。

3实验结果与分析

在进行信号相关性分析的时候，往往计算量比较大，随着信号处理中矩阵的阶数不断增加，如果仅仅基于CPU的传统的串行算法，大大增加了计算所耗费的时间。在进行矩阵的相关性分析计算的过程中，实验环境配置见表1。分别对不同大小的一维矩阵进行相关性分析计算，矩阵的大小见表2。通过对矩阵A的列两两进行交叉相关性计算，产生一个一个大型矩阵输出，然后分别得出计算不同矩阵大小情况下相关性计算CPU和GPU所耗费的时间，分析计算出加速比。对不同大小的二维矩阵进行相关性分析计算，矩阵的大小见表3。对其中一个矩阵固定其大小，另外一个矩阵不断增大，对两个矩阵做二维的相关性计算，分别得出其基于CPU和GPU的相关性计算所耗费的时间，分析计算出加速比。由实验结果图3、图4可以得出，单一矩阵基于CPU和GPU进行相关性计算的的加速比最高达到了14.5倍，二维矩阵基于CPU和GPU进行相关性计算的加速比最高达到了5.3倍，二维矩阵的相关性计算涉及的数据量和计算量较大，通过计算时间可以看出基于GPU的相关性计算所耗费时间明显少于基于CPU下的相关性计算。通过实验对比可以得到随着矩阵的不断增大，进行相关性计算所用的时间不断增加，基于CPU的传统计算方式所耗费的时间增大幅度远远大于基于GPU的并行计算方式。因此基于GPU的并行加速数字信号处理中相关性算法效率明显高于传统的基于CPU的串行算法。

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1.2强调学生的团队协作性PBL教学模式以学生小组为单位进行，小组成员要积极配合，既有分工又有协作，通过调查和收集资料,疑难问题讨论和意见综合等协作学习,实现知识的共同建构。

1.3具有师生交互性PBL教学模式实施过程中，教师通过设计问题、并创造合适的学习环境，引导学生对问题开展学习活动，师生之间展开密切的交流、探讨，促进和指导学生有效地学习，寻求问题的解决。因此，对于以培养适应地方经济社会发展需要的应用型本科人才为目标的高校，为促进学生解决实际问题的实践能力和团队合作能力，非常适合在电子信息类实验教学中引进PBL教学模式。

2PBL模式在数字信号处理实验教学中的应用

2.1课程情况概述

笔者所在学院的电子信息工程专业所开设的《数字信号处理》课程，总课时为64学时，包含16学时的课内实验。传统的课内实验均为验证性实验，大部分学生只会简单地照搬实验讲义的详细步骤完成固定的实验内容，而对实验内容及结果所反映的原理并不理解。因此，结合教学改革要求，在新的课程实验设置中显著提高了综合性、设计性实验的比例，这些实验项目以问题为导向，教师主要给出实验的要求和技术指标，要求学生自主选择并综合利用学过的理论知识和实践技能去实现一个比较完整的数字信号处理系统，体现了典型的PBL教学法的应用优势。

2.2PBL模式实验教学的具体实施

2.2.1学生分组与基本培训在实验课之前，首先对学生进行PBL教学模式的基本培训，使学生明确PBL教学的目的、方法、要求及评价手段等。同时，在40人的班级中建立10个学习小组，每组4名学生。各组分别推选一名组织能力和责任心较强的同学担任组长，负责本小组成员的组织协调和分工。

2.2.2问题设置问题设置是PBL教学实施中的核心环节。在这一环节中，教师根据教学大纲和实验教学内容，对实验课题设置若干应用问题。围绕我校应用型人才培养的方针，所设置问题尽量贴近应用开发实际，以培养学生的工程应用开发能力为导向。具体来说，问题设置主要遵循的原则为：(1)问题具备真实的工程背景；(2)问题具备开放性和劣构性；(3)问题具有一定的层次性和复杂度。下面以本实验课程中的一个可选的综合设计性实验为例，介绍相关问题的设置。该实验的基本内容为，设计数字心电采集系统，实现含有噪声的心电信号的采集和滤波。实验前，由教师提供一个包含心电传感器和放大电路的实验板，以及一个包含单片机及A/D转换器的接口板。实验要求分为两个阶段：第一阶段为心电信号的采集，与学生正在同时学习的单片机课程相结合，要求学生通过单片机编程控制A/D转换器，将放大后的模拟心电信号转换为数字信号，并通过串口传送至pc机。在这一阶段，设置的主要问题包括：如何根据信号带宽确定合适的采样率等。通过这些问题，引导学生在实践中深入理解采样定理。第二阶段的工作，则是在PC机上通过Matlab对采集到的数据进行读取和滤波，去除工频干扰、高频肌电、基线漂移等。该阶段设置的主要问题包括：有效信号的主要频率范围、主要干扰源的频率范围、线性相位和非线性相位滤波对波形的影响、IIR和FIR滤波器的特点等。通过这些问题的设置，引导学生在实践中加深对IIR和FIR等滤波器各自特点的认识，并根据不同的工作目标选择合适的滤波器类型。

2.2.3分析问题与自主学习在实验项目相关的问题后，要求各学习小组的学生开展自主学习，认真阅读教材，复习已学过的相关知识，同时，利用图书馆、互联网等渠道查阅相关参考书籍和文献，并通过组内的不断交流和探讨以初步分析问题。

2.2.4集中讨论与问题解决在学生对实验所设置的问题进行初步分析的基础上，教师在实验课上组织学生开展问题的集中讨论，引导各学习小组进一步深入理解问题，研究问题的具体解决方法，并明确各人的任务分工。整个讨论过程以学生为主导,教师以共同讨论者的身份进行引导、启发。在自主学习和集中讨论的基础上，各小组最终形成具体的问题解决方案，并通过编程实现对问题的解决，进而完成相应的实验项目。

2.2.5总结与点评学习小组在编写程序实现问题解决的过程中，教师以实时巡视、检查进度、随机提问、验收成果等方式促进小组的工作。由于实验内容及对应问题的设置具有一定的开放性，学生解决问题的思路和方法也相应具有多样性，教师对各小组的问题解决方法进行归纳总结，并在下次实验课做出点评。

2.3PBL模式下的成绩评价

为了客观地评定学生的学习效果，需要采用多层次多角度的评价方法。最终成绩的评定并不仅仅由期末的实验考核所决定，而是突出过程表现，强调过程性评价。最终的实验成绩由以下几部分组成。

2.3.1自主学习表现该部分占总成绩的30%，主要衡量学生在PBL模式下的学习方法、学习态度和学习能力。具体评价点包括：学生是否阅读了相关教材、参考资料；能否有效利用所学的知识分析问题；在学习小组讨论中是否积极发言，发言内容是否与讨论的问题有关且具有一定的深度；小组成员间的互相评价。

2.3.2实验过程与实验报告该部分占总成绩的35%，主要衡量学生在实验中具体解决问题的能力和总结归纳水平。具体评价依据来自于教师巡视及提问的记录以及学生提交的实验报告。

2.3.3实验考试该部分占总成绩的35%。主要衡量经过一学期的PBL训练后学生个人的综合实验能力。具体评价依据来自于实验考试中对所给实验题的完成速度与质量。

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2数字电视信号质量监测过程中会发生的问题

2.1数字电视未能正常播放

在数字电视出现以来，我国的播放设施快速的进行了更新换代的工作。与原有的模拟信号相比较，在观看电视时，屏幕出现雪花和不能同步的问题得到了极大的改善。与传统模拟信号比较，数字电视信号在一般情况下对于电平值的接受要求下降，该情况的发生致使数字电视的抗干扰能力更强，在正常接收信号后电视即可出现清晰画面。但与此同时，数字信号的接收将会出现更多的信号信息，该过程中由于相关人员或者技术的不成熟，电视将无法正常播放。

2.2无法及时对数字电视信号进行处理

数字信号的传输和正常工作对于设备的要求更高，在运行过程当中，任何一个元部件或者是程序的错误都将导致无法接收正确信号。在设备劳损度达到一定程度后，想要在众多部件中找到损毁元件极为不易。该种情况导致工作人员和技术人员无法及时对数字电视信号进行正规的处理，在经过较长的时间后才能查出问题的关键所在。数字化电视更加复杂和多样化，在电视正常工作期间，数字信号会由远端接收器进行传送以及处理。该过程中，数字信号会经历更多的不确定因素，如果无法及时对该过程中的信号进行监测，可能导致信号传输无法预知的中断甚至消失。

3数字电视信号监测手段的建议

在监测数字电视信号过程当中，工作人员的管理应按照有效益性、选择性和相辅相成作为监测原则。由于数字电视信号具有自身特有的性质，在各种环境下的问题不尽相同，因此，面对数字电视信号发生故障时，应该综合多种因素，认真对待每一种可能出现的情况。而对于数字电视信号的质量监测方式通常可划分为三种形式：故障模式监测、故障树监测和部件模型监测。在三种方式运用过程当中，全方位的保持信号的稳定性是所有因素的大前提。

3.1故障模式监测

故障模式监测技术是维护和监测数字电视系统最为常见的一种方式，也被称为FMEA方式，该种模式对于处理系统本身的复杂信号具有明显效果。故障模式监测技术的应用在对数字电视信号监测过程中需要将数字信号的逻辑性重新理顺，将所有部件引起的信号失效状况全部找出，加以分析其失效后会发生的状况，进行归纳和推理，得出任一部件失效后所会产生的故障结果，以此确定由于元部件导致的电视信号受损原因，确定失效部件。并且及时给出相应的改善措施与修复手段。

3.2故障树监测

故障树的监测技术主要是针对于数字电视信号系统在发生错误后，通过发生错误的多种现象来对问题进行分析和总结，检测出整个系统运作是否可靠。在数字电视系统进行工作过程中，可以通过该种方法对系统进行监测和检查，用以协助更好的对系统进行维护。故障树监测技术需要利用图形来进行模拟工作，大体将数字电视信号的故障现象通过图像来进行直观的显示。通过找出信号故障时发生的种种现象，来对故障进行分级。该种分级将数字信号系统设置为第一级，在以下将会如树结构般分支出多种问题，直到问题不能再次进行分支为止。此时说明问题已经找到，利用图表方式来直观找出问题的根本原因。该类方式对于监控工作有着协助作用，能够完善工作内容。

3.3模拟部件监测

在数字电视工作出现问题时，由于其多变、复杂的特性很难从直观上发现其问题所在，且其元件数量极多，期间某个部件发生故障时可能会导致所有流程都失效。但是经过对这些组成元件的可靠性的逻辑关系分析，采用部件模拟的监测方式能够看出不同组成部件之间的模型处于何种关系。利用模型与其工作效果对比，快速找出问题所在，该类型为部件模型监测技术。

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目前，数字化电视可以为人们提供良好的电视节目。数字电视实现电视节目播放的原理是：利用数值信号，在演播现场到发射端再到传输的过程中，进行采样和量化，然后形成编码，最后以二进制数字在电视荧屏上完成电视节目的播放。数字电视系统可以很好的满足人们的切实需求，最主要的原因是其在实际应用过程中，能够快速、有效的实现网络互动以及软件下载等功能。要想数字电视在以后能够更大程度的满足人们的多种需求，就需要很好的掌握数字电视信号传输技术，并不断对该技术进行改进。

1数字电视传输技术的特点

（1）数字电视信号在传输过程中可靠度更高，原因是数字电视信号是通过多次采样、量化及编码后处理得到的。即便在传输过程中容易受到外界杂波的干扰，但仍可以用错误编码技术对在额定点评的可控范围内的干扰波进行及时纠正。（2）数字电视设备方便储存信号，而且对信号强度和时间没有要求。（3）信号传输的有效性较高。将来，单频网络技术将主要运用于数字电视信号的传播。

2安装和应用数字电视卫星传输技术

2.1安装卫星接收设备工序

在卫星接收设备安装前，有关技术工作人员需要对安装设备的说明书仔细阅读，熟悉了解每个部件的使用用途，如图1为卫星接收设备。一是，在接收天线、高频头安装过程中，应该固定住连接接收天线、底座，之后连接上所有高频头和接收机间的电缆。二是，安装接收机。在安装之前需要接通接收设备电源，之后将在电视机与接收机之间安装音视频线。三是，调试接收机，在调试过程中需要对调试说明书内容全面掌握，之后严格根据说明书的内容展开调试。

2.2应用卫星接收设备的可行性

在传输有线数字电视信号中，卫星接收设备发挥着积极的作用，卫星接收设备质量的高低影响着有线数字电视是否可以正常运作。在近些来信息技术的迅猛发展下，有线数字电视遍布在全国各地，以前的接收设备已经很难满足传输数字电视信号的要求，为了可以更好的满足人们需求，卫星接收设备应运而生，得到了各地区人们的普遍认可。卫星接收设备既可以在各个地区中发送已经接收的信号，也以发送速度极快被人们所肯定。

2.3维护卫星接收设备注意事项

（1）检查设备里的连接件。在安装卫星接收设备中，连接件发挥着尤为关键的作用，如果连接件出现松动或者变形情况，那么卫星设备就不能正常运作。所以，有关技术工作人员需要经常检查与维护连接件。同时，在螺丝表面上有锈蚀后，有关人员需要第一时间处理螺丝，进而确保卫星接收设备能够正常接收到信号。（2）检查馈线与高频头之间的连接。在这项工作进行过程中，有关人员需要适度的调整卫星接收设备，进而保证卫星接收设备能够及时接收到信号。在调整卫星天线之前，有关人员需要对如何安装天线进行了解，之后遵循相关标准实施调整。同时，在调整前，有关人员需要了解是什么原因造成天线出现故障，之后，采取可行的解决措施。

3安装和应用数字电视传输技术

3.1安装数字电视

安装对于后期的维护非常重要，所以，在安装有线数字电视中必须要高度重视。在连接有线数字电视信号中，机顶盒上的信号接入线必须要定期或者不定期检查，一旦发现有破损情况，应及时换一个新的电缆线。通过调查发现，若是信号接人线是旧的，则有线数字电视网络就难以保障正常运作。同时在实际操作中，必须要防止塑料式的插头线使用，进而避免脱落引发故障。在分接电视信号中，必须要做好分支器选型、分配器选型工作，进而提高有线数字电视网络运作效率。

3.2应用数字电视

传统模拟电视与有线数字电视对比而言，前者很难接收到数据信号，必须辅助机顶盒才可以，而机顶盒具有占据空间大、接线复杂等不足，已经逐渐被家电市场淘汰。而数字一体机自身内置中包括数字电视高频头，可以直接接收到数字信息，不需要使用机顶盒，之后将接收数据、解码数据、显示数据融合在一起，实现了“三模式、全数字”的电视播放模式，也正是因为这一使用优势，有线数字电视彻底淘汰了传统模拟电视，成为了各地区人们购买家电的首选。

3.3维护数字电视两种故障的方法

（1）零星用户故障的维护。这一故障会严重影响着有线数字电视网络的有效运作，所以，有关技术人员需要尽可能降低零星用户故障的发生率。大多数零星用户故障的产生都是因为接人电压值太低而造成的，通常会出现线路接触不良的状况。在进行这项工作中，需要检查好故障所在之处，在明确故障位置后，再展开相应的处理。如：可成立检查故障小组，并且为用户开设固定的咨询热线，全天二十四小时内为用户服务，一旦有用户反应有问题，故障检查小组就需要及时检测用户的有线电视，在找到引发故障的原因后，针对性的解决，保证用户可以在最短的时间继续正常使用有线数字电视。（2）局部点片出现故障。这一故障先要深入研究局部点片故障中的线路，在检查中对接触不良、导体霉断等方面进行排查，特别是要光发射机中存在的问题进行深入检查，在检查中，维修工作人员需要掌握导致局部点片故障发生的原因全面了解，并且还需要明确解决好这一故障的各种方法，进而保证完善解决这一故障。

4结语

从上面的分析中可见，在普遍推广和使用有线数字电视下，不但给人们带来了更多的欢乐，而且也将更多的信息传递给人们，在开阔人们知识视野的基础上，也帮助人们更好的享受了生活。在信息时代的今天，数字电视企业不能因为取得很好的成绩而沾沾自喜，还需要对数字电视深入研究，对数字电视技术不断改进与完善，以便可以为社会公众提供更多更好的服务。

作者:李晓光 单位:山西广播电视无线管理中心

参考文献

[1]谭志远.数字电视信号传输技术的研究与分析[J].西部广播电视,2016,(01):230.

[2]刘兆杉.浅谈实现移动数字电视信号传输的有效方式[J].数字技术与应用,2016,(02):256.

[3]杨睿.数字电视信号传输技术研究[J].通讯世界,2016(19):65-66.

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而关于DVB-T，是指利用开路地面传输媒介进行MPEG-2数字电视传输的标准，使用COFDM码分正交频分复用的信道调制技术，同时伴随着强大的纠错码，达到频谱利用效率与传输可靠性的平衡。COFDM信道调制编码技术提供两种子载波数量(2k和8k模式)、3种调制方式、4种保护间隔。DVB-T系统的信号以68个OFDM字符为一帧，每四帧构成一个超帧。每一个OFDM字符在8k模式下有6817个载波，在2k模式下有1705个载波，定义传输时间为TS，它由两部分构成，一部分为有用传输时间TU，另一部分为保护间隔Δ，每一帧中的字符由0〜67按序排列，每一帧中发送有用数字电视数据、导频（离散导频和连续导频）和传输参数信令（TPS）。表1列出了几种制式的OFDM符号的外部射频特征。

2基于OFDM符号特征的数字电视制式识别

在几种地面无线数字电视标准的帧结构中，OFDM符号作为最基本的单元承载着可以区别的一些外部特征。正交多载波调制技术把高速的数据流通过串/并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，分别调制一路独立的数据信息,调制之后将若干个子载波的信号相加同时发送。每个OFDM符号是多个经过相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)的子载波信号之和。根据表1列出的几种制式的外部特征，明显地在导频部分区别最大。对不同的数字电视制式，连续导频在OFDM符号中的子载波具有不同的位置，而离散导频则具有不同的子载波间隔特点。如DVB-T标准的OFDM符号中，离散导频等间隔为12，其功率为16/9,而传输数据的功率为1,而且离散导频数目很多,因此还可根据功率特性判断符号制式类型。与此类似，CMMB制式中离散导频间隔则为8等。

另外，由于CMMB标准中用于承载广播系统控制信息的控制逻辑信道采用BPSK进行调制，因此，若OFDM子载波中有BPSK信号，则可归类为CMMB标准。而DTMB标准和DVB-T标准可根据是否存在4QAM调制进行区分，因为在DTMB中信号帧的帧头采用的是4QAM调制，在DVB-T中不存在这种调制。OFDM复等效基带信号可以利用离散傅立叶逆变换（IDFT）的方法来实现。由于在数字调制信号中，星座图与调制类型有一一对应的关系，能同时反映PSK和QAM调制信号及其调制阶数的差别。得到OFDM子载波的调制信息后，可根据3种无线数字电视标准载波的调制特点，结合连续导频和离散导频的位置与幅度信息，对所测信号进行归类。基于OFDM符号的上述基本特征，我们在一个硬件实验平台上把相应的处理算法代码写入FPGA和DSP，成功地实现了对3种地面数字无线电视制式的识别。

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作者简介：蓝会立（1975-），男，壮族，广西马山人，广西工学院电子信息与控制工程系，讲师；廖凤依（1977-），女，广西融水人，广西工学院电子信息与控制工程系，讲师。（广西 柳州 545006）

中图分类号：G642     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）01-0050-02

“数字信号处理”课程是电气信息类专业本科生的一门重要专业基础课，它以信号与系统课程的理论为基础，直接面向实际应用，注重算法的研究，是继续学习其它信号处理课程、通信与电子系统课程的必不可少的基础。该课程的特点是使用数学语言对工程实践中的数据采集、分析与处理问题进行描述，内容比较抽象，理论性强，包含大量公式的推导和证明，课程阐述的理论与现代信息技术的发展前沿和应用密切相关。因此，有效提高该课程教学质量，对提高学生专业素质和综合分析解决问题的能力有着重要的意义。在广西工学院（以下简称“我校”），“数字信号处理”作为电子信息、自动化和测控专业的重要专业基础课，在初期教学采用传统教学方式，重视研究教师教法和理论教学，而忽视了实践教学及对学生潜力的挖掘和应用基本理论解决实际问题能力的培养，教学效果不明显。近几年来，课程组对课程教学目标进行重新定位，在积极探索课程课堂教学模式，优化教学内容，改进教学方法和手段，完善课程考核方式等方面进行了全面地改革和实践，取得了较好的成果。

一、调整优化教学内容

“数字信号处理”和“信号与系统”构成了我校电气类学科的信号处理基础理论平台，课程内容既具有明确的分工又紧密关联。“信号与系统”涉及信号分析与系统分析，信号分析是基础，突出信号与系统的时域分析和变换域分析的物理概念和工程概念，而三大变换只是实现时域分析到变换域分析的数学工具。“数字信号处理”课程涉及数字信号分析和数字滤波器设计。离散傅里叶变换DFT是实现信号数字化分析的核心技术，FFT是提高DFT运算效率的重要算法。信号分析是信号处理的基础，而数字滤波器设计则是信号处理的具体实现。其中离散信号与系统分析是信号分析和系统设计的理论基础，也是“信号与系统”和“数字信号处理”课程承上启下的内容，在两门课中都占有比较多的学时，造成教学重复和学生的厌学情绪，同时本门课程的重点内容因学时少而缩减。传统教学计划都强调每门课程内容的系统性和完整性，造成内容多学时少的矛盾，单门课程的教学改革很难收到理想效果，如何优化教学内容，避免重复教学是“数字信号处理”课程教学改革的一个核心。因此，建立了信号处理课程群，即将内在联系较为紧密的“数字信号处理”和“信号与系统”等课程组合起来构成一个课群，作为信号处理基础系列课程，其课程体系和教学内容被作为一个整体进行优化整合。课程群建设实行二级负责制，课程群组长负责各门课程之间的协调，课程负责人负责本课程内部的调整，以便能适应当前教学的改革与发展。根据“数字信号处理”课程在课程群中的任务和地位，以及学生就业应具备的能力，重新规划制定课程教学计划，通过对课程内容进行分解、整合，编写适应应用型人才培养和教学的教学大纲，在强调基本概念和原理的基础上，以突出应用性、实践性为原则，侧重于学生综合分析解决问题和动手实践能力的培养，做好“数字信号处理”课程与其他课程部分重复内容的衔接，避免造成课时浪费，使学生掌握课程的精髓部分，提高学生自主学习的能力。

其次，针对课程理论教学大多只讨论算法的理论及其推导，较少涉及实现方法及相关的软硬件技术，我们对实践性教学内容进行改革，开设了少学时的MATLAB信号处理课程和DSP硬件技术应用课程。通过课堂演示、基于MATLAB的算法仿真实验及分析、基于DSP的硬件算法综合实验等三个层次的实践活动，强化工程素质和实践能力的综合训练，帮助学生进一步领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作及滤波器设计方法。使学生逐步克服了对DSP的陌生和恐惧心理，激发了同学们强烈的好奇心和求知欲，培养学生的动手能力，分析解决问题的能力和创新精神。

二、教学方法改革

“数字信号处理”课程的特点是理论性、概念性比较强，涉及到大量的数学公式和理论推导，学生普遍感觉吃力，不易理解，缺乏兴趣。要提高教学效果，必须改进满堂灌的传统教学方法，采用多种教学方法相结合来丰富课程的教学过程。在教学过程中，结合学习的规律性，针对不同阶段、不同知识点灵活运用不同的教学方法，激发学生的兴趣，调动学生参与教学的主动性。

在教学过程的初期主要采用引导式教学法，即通过形象化的成果引导学生去了解理论知识在实践中的应用，激发学生学习兴趣。例如，通过课堂讲授与课外专题讲座形式介绍学科发展前沿，开拓学生视野，激发学习兴趣；或者在开始讲授新的内容体系之前，通过多媒体等形式有针对性地介绍相应技术在数字信号处理领域的工程应用，以调动他们学习的积极性和主动性，以致提高教学效果。

在教学的中间过程主要采用启发式、讨论式教学方法。这是一种以学生为主体、教师为主导的课堂讨论式教学方法，鼓励学生积极投入到课堂教学的过程中，由被动接受知识向主动学习转变，改变单向灌输的教学模式。在课堂上，重视讨论和交流，教师根据授课内容设计一些思考题，在课堂上以设问的方式，引导学生积极思考和讨论，积极引导学生参与到教学过程中来，教师根据学生的分析思路和结果进行点评、纠正和总结，积极鼓励学生形成问题意识、进行批判思维。这种方法可以活跃课堂气氛，重点突出，学生比较容易把握教学重点。

在教学的后期主要采用研究式教学方法。研究式教学就是将科学领域的研究方法引入课堂，通过教师的激励、引导和帮助使学生去主动发现问题、分析问题、解决问题，并在探究过程中获取知识、训练技能、培养创新能力。在教学过程中，组织多名学生为一组，围绕课程中一些主题，独立搜集研究方向，在课外依循一定的步骤开展研究性学习，最终提供一份包含有课题题目、问题提出、程序、调试波形和结果说明的完整研究报告，引导学生运用数字信号处理的知识分析、解决问题，注重学生思维及创新能力的培养，在研究中加深对数字信号处理基础知识的理解，提高利用理论知识解决实际问题的能力。

三、教学手段改革

本课程的特点是大量使用了数学的方法来表示物理的过程，公式较多，计算繁复，学生不容易掌握，因此采用单一的教学手段很难提高教学效果，必须针对授课内容采用多种教学手段相结合的授课方式。其一，采用多媒体课件教学手段，使教案多媒体化、教学过程互动化。多媒体教学信息量大，可以拓展学生的知识面，精简课堂授课学时，激发学生学习兴趣，提高教学效果。例如，在对概念、公式和定理的物理含义阐述和定性分析中，利用声音、图像、视频、动画等多媒体教学手段，使抽象的内容形象化和可视化，令学生理解其物理含义或包含的思想。但是多媒体教学存在不足是授课速度比较快，因此对于基本原理和基本方法的推导和证明，宜配合板书的授课方式，放慢讲课速度，让学生跟上教师的思路和有足够时间领会。其二，通过建设网络教学资源，使教学资源共享化、教学方式多样化和教师答疑实时化。针对课后的复习、相关背景知识的学习以及课堂内容的扩展部分，充分利用网络，建立课程主页，提供相关资源和讨论空间，实现网络辅导、网上课程研讨、网上交付作业与实验报告和优秀作业展示等。

四、完善课程考核方式

成绩评定既是一个重要的教学环节，也是检验教学效果的重要手段，教学模式的改革要求课程考核方式应灵活多样，评价方法由“一考定全局”的传统终结性评价转向形成性评价与终结性评价相结合、课内教学与课外自主学习相结合的全程评价，从而体现教学评价的全面性、导向性、实效性、过程性和发展性特点。完善课程考核方式，对素质教育的实施和学生自主学习能力和创新能力的培养非常有利，使学生考试成绩更加具有层次性，更加体现学生的综合素质。教师要加强学生平时学习情况考查，采用笔试、口试和论文答辩等多样化的考核方式，多方面地测量学生的综合素质和能力。课程综合评定成绩主要包括期末考试成绩（50％）、课程论文（20％）、实验（15％）和平时成绩（15％）。期末考试主要考查学生对基本概念的掌握和知识的灵活运用能力，避免过多公式推导与演算。课程论文主要考查评估学生知识掌握程度、文献查阅调研能力、动手实践能力、论文撰写和表达能力。实践表明，这种多模式相结合的考试方式更能检查学生的真实能力，避免了对学生的评价一刀切，有利于学生对考核的认同和接受，促进学生的学习主动性和自觉性，激发学生的潜能和个性的发展。

五、结束语

针对“数字信号处理”课程的特点，结合我校的人才培养目标和学生的总体水平层次，对课程的教学内容体系、教学方法和手段、教学评价方式进行了改革，以提高学生的学习兴趣，激发学生的潜能和个性发展，注重学生思维及创新能力的培养。通过学生的评教及后续课程的评价表明课程的教学改革取得了很好的教学效果，调动了学生学习的积极性和主动性，学生的实际动手能力和综合素质明显提高。

参考文献：

[1]武玉红,刘强.关于研究式教学方法的思考[J].长春理工大学学报,

2010,(6):168-169.

[2]赵洪.研究性教学中的难点与实施重点[J] .中国高等教育,2006,

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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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作者简介：李磊（1981-），男，河南南阳人，郑州大学物理工程学院，讲师；杨洁（1983-），女，河南商丘人，郑州大学物理工程学院，讲师。（河南 郑州 450001）

基金项目：本文系2012年度教育部大学生创新创业训练计划课题（项目编号：1210459084）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）23-0056-02

“数字信号处理”课程是电子信息、通信工程、自动化工程及相近专业必修的专业课，在电气工程、测控技术、计算机技术等领域得到了广泛应用。[1]当前国家越来越重视大学生的创新意识和实践能力的培养。通过实施教育部大学生创新创业训练计划和卓越工程师计划，促进高等学校转变教育思想观念，改革人才培养模式，强化创新创业能力训练，增强高校学生的创新能力和在创新基础上的工程实践能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。为了提高学生的创新意识和应用知识解决实际问题的工程实践能力，需要调整“数字信号处理”课程的教学内容，引入新的教学手段和教学方法来提高学生学习的积极性，这是专业基础课教师所面临的重要课题。笔者介绍了一种针对本科生教学的分层教学模式，突破单一的理论灌输的教学弊端，显著提高学生们学以致用的能力，并运用实例介绍了这种分层教学模式。

一、“数字信号处理”课程教学现状

数字信号处理是一门理论性很强的课程，内容抽象，公式繁多，课程内容涉及很多数学推导与计算。目前，传统的教学模式主要存在以下问题：[2，3]

1.教学内容过度重视理论推导，不注重理论和实践相结合

国内大学的很多任课老师往往注重讲授公式性质、定理的由来，注重理论的严谨与正确性，这势必大大占据有限的授课时间。这种教学思路使课程陷于数学推导和计算，而使学生感到枯燥乏味，抓不住重点，教学效果大打折扣。

2.课程实验内容单一，与工程实践还有距离

课程实验内容一般都以MATLAB软件作为仿真平台，对课程中的时域离散信号、系统的时频域理论和数字滤波器设计理论进行仿真实验。诚然，MATLAB仿真软件作为信号处理的实验手段，具有信息量大、形象直观的特点，在很大程度上补充了单一的理论教学模式。但是仿真手段毕竟是理论的数学编程，还是脱离了工程应用的实际背景。仿真不能完全取代本课程的实验和实践内容。算法仿真内容过于形式化、过于简单，只能作为工程实践的前期阶段设计内容。

二、分层教学法原则与内容

传统的数字信号处理课程大多只讨论算法的理论及其推导，较少涉及工程实现方法及相应的软硬件技术。大学的教学应是理论教学、实践教学和科学研究为一体的，实践教学作为理论和科学研究的桥梁，是现有理论的源头，也是未来科研开拓的基础。理论课程应实现教学形式的多样化，包括多种实验、课程设计、科技竞赛和创新活动等。数字信号处理课程可以分为理论学习，算法仿真，数字信号处理工程应用平台实验，课题为导向的数字信号处理课程工程实践拓展训练四个层次。[4]

1.第1层：理论学习

广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。目前本科生只是学习经典的数字信号处理理论，主要包括有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。因为教学时间有限，现代信号处理或者数字图像处理的内容只能根据项目需求有针对性进行学习和研究。教师可以鼓励学生去搜索相关文献，查找资料，激发他们的自学热情和能力。

2.第2层：算法仿真

算法仿真往往是电子信息工程实施以前必经的重要阶段。MATLAB语言具有强大的科学计算和可视化功能。它作为数字信号处理的有力助手，成为教学的重要部分。其以矩阵运算为基础，具有丰富的数值计算功能，强大的绘图功能，更重要的是具有完备的数字信号处理函数工具箱。比如FIR滤波器的设计，包含三种方法：程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法。其中FDATool（Filter Design & Analysis Tool）是MATLAB信号处理工具箱专用的滤波器设计分析工具，操作简单、灵活，可以采用多种方法设计FIR和IIR滤波器。在MATLAB命令窗口输入FDATool后回车就会弹出FDATool界面。SPTool是MATLAB信号处理工具箱中自带的交互式图形用户界面工具，它包含了信号处理工具箱中的大部分函数，可以方便快捷地对信号、滤波器及频谱进行分析、设计和浏览。学生可以采用MATLAB进行电子工程中算法的前期仿真，然后将MATLAB程序转换成C语言移植到硬件平台上。

3.第3层：数字信号处理工程应用平台实验

数字信号处理算法需要借助特有的硬件平台实现工程应用，采用的编程语言一般是C语言。目前数字信号处理系统的硬件实现方式一般有三种：（1）利用通用可编程DSP芯片进行开发的方式。由于是采用基于C语言进行编程，算法实现过程简单，但资源受到限制，并行度差。（2）采用专用集成电路ASIC方式进行开发。虽然效率高，但开发流程长，成本高，开发出来的系统不能更改。（3）采用FPGA芯片进行开发。可以提供高效率和高质量的数字系统。在实际硬件平台选型中，使学生能够对单片机、ARM、DSP、FPGA的应用领域加以区分，从而更加深刻认识到DSP和FPGA实现数字信号处理的巨大优势。

4.第4层：课题为导向的“数字信号处理”课程工程实践拓展训练

课题为导向的教学模式是提高学生实践能力的新型教学模式。它以大学生创新实验项目为平台，以基于案例为教学模式，以科学研究的方式组织和引导学生获取和运用知识，培养学生创新性思维和分析解决问题的能力。这种方式克服了教学和实验中单纯模仿的弊端，发挥学生的主观能动性，拓展学生的眼界，引导学生解决开放性问题，促使学生不断提出新问题、发现新问题和解决新问题。

以上这四个层次并不是单一的顺序递进关系，而是不断交互的关系。比如工程实际问题的解决过程往往促使学生回归理论学习层次去深入研究，反过来能够更好地去解决工程实践中遇到的技术难题。算法仿真采用的MATLAB语言需要转换成数字信号处理工程应用平台实验使用的C语言进行移植，这也需要第二层和第三层内容的不断交互。

三、教学实例

为了实现对学生实践能力的综合培养、潜力开发和工程创新精神的激励，学校积极为学生们搭建工程实验平台，为学生参加“全国电子设计竞赛”、全国挑战杯、大学生创新实验计划项目等活动奠定基础。下面基于教育部大学生创新实验课题“基于麦克风阵列声源定位的动态视频跟踪系统”来例证“数字信号处理”课程的分层教学模式。[5]

首先，学生们经过调研确定项目需求，选取合适的算法模型进行研究。基于课题驱动的教学模式促使学生从需求这个工程项目源头进行考虑。经过广泛的调研，学生们发现在日常生活中，常规的摄像头监控系统的摄像头安装是固定的，监控方位是静态的，只能监控有限的方位区间。这样的监控系统监控方位区间狭窄，难免存在很大的监控盲区，无法很好地实现监控功能。由人类的耳朵和眼睛协调工作的仿生原理得到启发，人类的耳朵相当于一个二元声音传感器阵列，捕捉到声源信息，通过大脑判断，得到声源的方位信息。然后驱动我们的脖子扭转到声源方向，我们的眼睛就可以实时看到声源目标，做出视觉的判断。为此，学生们用微型麦克风阵列来代替人耳，用一个步进电机来代替脖子，用摄像头代替眼睛，用DSP处理器来代替人脑实现信号的运算处理和控制功能，从而实现一个基于麦克风阵列声源定位的动态视频跟踪系统，如图1所示。这样，该视频监控系统通过麦克风阵列进行多传感器联合信号处理，可以首先根据声源的声音有无来判断是否启动监控，再通过声源的方位可以驱动步进电机，自动转动摄像头跟踪实时运动的目标，实现无盲区、全角度实时自动监控。

算法模型的确定促使学生广泛阅读文献，最终找到了阵列信号处理理论作为麦克风阵列数学建模的理论基础。通过MATLAB仿真分别分析了仿真的宽带音频信号和实验采集的音频信号，验证理论模型和实验结果能够很好地匹配。该本科生研发团队把宽频声音信号的特点和传统的远场声源方位估计算法相结合，依据到达时间差的声源定位原理，提出了一种频域波束形成算法，系统框图如图2所示。系统上电后，多路麦克风分别接收音频信号，并进行采样缓存，送入DSP处理器中进行端点检测，如当前信号为噪声或无用信号，则丢掉已采集的信号帧数据；如检测到有用信号，则对其进行频域波束形成和进一步处理，最后采用基于能量值的谱搜索算法计算出声源的方位，从而控制步进电机驱动摄像头转向声源所在方位，使声源出现在摄像头视野范围内。该课题针对当前智能视频监控存在的监控盲区的问题，提出并实现了一种基于麦克风阵列的宽频声源定位系统。通过采用频域波束形成和基于能量值的谱搜索算法，实现了二维空间声源的快速准确定位。经验证该系统在室内及室外对各种声源的实时响应表现良好，在现代视频监控中具有一定的工程实用意义。通过该课题学生们申请了实用新型专利和发明专利各一项，学术期刊论文2篇，了解了电子信息工程设计的步骤和培养了科学研究的基本素养。

四、结语

按照上述的分层次递进教学模式，使学生按照基础理论实验、仿真实验和DSP工程实现理论和实践的交互学习。这一体系从简单到复杂，从理论到实践，循序渐进，逐步提高。经过工程实践的训练，激发了学生们学习“数字信号处理”课程的热情，巩固了课本上的知识，拓展了工程实践的视野。同时，大大提高了学生们独立解决问题的能力和工程实践创新能力。学生在专利申请和论文撰写的训练中，实践了科学研究的方法，为将来的科学研究奠定基础。通过上述的教学实践，取得了良好的教学效果，得到了广大师生的认可。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]王典.数字信号处理课程分类和分层教学模式探索[J].实验技术与管理，2013，（2）：31-32.

篇12

1.引言

数字调制解调技术的发展不断更新，如今在现实中应用的数字调制系统大部分都是经过改进的，性能较好的系统，但是，作为理论发展最成熟的调制解调方式，对ASK，FSK，PSK的研究仍然具有非常大的意义，而且这样可以更容易将其仿真结果与成熟的理论进行比较，从而验证仿真的合理性。PSK系统干扰性能优于ASK和FSK，而且频带利用率较高，故在中、高带数字通信中应用广泛。

因此，本论文主要研究二进制相移键控（2PSK）调制解调系统的实现，仿真完成对数字信号的调制及解调。

2.二进制相移键控（2PSK）原理

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息。在2PSK中通常用初始相位0和π分别表示二进制“0”和“1”。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。

因此，2PSK信号的时域表达式为：

（1）

是表示第n个符号的绝对相位。因此，式子（1）可以改写为：

（2）

2PSK信号的调制原理框图如图1所示。在2ASK中f（t）是单极性的，而在2PSK中f（t）是双极性的基带信号。2PSK信号的解调通常采用相干解调法。

图1 2PSK信号的调制原理图

3.2PSK调制解调的仿真分析

（1）2PSK信号的调制解调仿真

产生十个随机数作为信号源，如图2所示;将信号源与载波相乘，实现对信号源的2PSK调制;模拟加入一个高斯白噪声，得到通过高斯白噪声信道后的调制信号;然后对调制信号进行解调，经过相乘器、低通滤波器、抽样判决器，得到接收信号。

图2 二进制序列

图3 2PSK的解调过程

图4 误码率曲线

2PSK的解调过程如图3所示。

分析：通过调制信号的时域波形图，可知原信号经过2PSK调制，再经过解调后的信号与原信号大体一致，这与理论相符合。

（2）误码率仿真分析

我们假设同一幅度的信号，分别经过2ASK相干解调、2ASK非相干解调、2FSK相干解调、2FSK非相干解调、2PSK解调后，比较信噪比和误码率的关系，如图4所示。

分析：随着信噪比的增大，各种方式的误码率都会减少。在误码率相同的情况下，所需要的信噪比2ASK最高，2FSK其次，2PSK最小;反过来，若信噪比一定时，2PSK系统的误码率比2FSK的小，2FSK系统误码率比2PSK的小。

4.结束语

信号调制解调的仿真可以实现对现实中信号进行调制解调，本论文设计运用了MATLAB实现了2PSK调制解调过程的仿真，在调制解调过程中观察了各个环节时域和频域的波形，并对比了2ASK、2FSK、2PSK三种误码率情况。由于误码率与信道信噪比之间的关系可以反映出调制系统的调制性能，根据误码率的分析，可以很好的反映出调制系统的调制性能。仿真结果的分析说明该2PSK仿真模型是成功的、符合理论的。

参考文献