《數(shù)字信號(hào)處理》的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

陳　嘉

摘要：《數(shù)字信號(hào)處理》課程實(shí)用性強(qiáng)、理論內(nèi)容豐富但概念抽象，因此作為學(xué)生，學(xué)習(xí)起來勢必會(huì)力不從心。從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度，闡述了《數(shù)字信號(hào)處理》的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討了數(shù)字信號(hào)處理》的課程的改革優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；課程優(yōu)化；方案

中圖分類號(hào)：TN911.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

Optimal Design of "Digital Signal Processing"

CHEN Jia

（Cai Family Commissioner of Guizhou University of Electrical Engineering College Campus,Zhouyang 550003, China）

Abstract: "digital signal processing" courses practical and theoretical abstract concept but rich in content, as a student, learning together is bound to Impossible. From the perspective of student learning, described the "digital signal processing," the optimal design, digital signal processing of the "optimization of the curriculum reform programme.

Keywords: Digital signal processing; Optimization of courses; Programme

《數(shù)字信號(hào)處理》作為電子與信息工程學(xué)科的主干課程，其主要任務(wù)是以通信和控制系統(tǒng)的應(yīng)用為背景來研究信號(hào)傳輸與處理的基本理論和基本分析方法。盡管其內(nèi)容都已相對(duì)穩(wěn)定，所涉及的理論和分析方法也都比較成熟和經(jīng)典，但是，信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，作為面臨著和社會(huì)直接接軌的學(xué)生來說，實(shí)現(xiàn)《數(shù)字信號(hào)處理》課程的優(yōu)化設(shè)計(jì)事在必行。

1 數(shù)字信號(hào)處理課程優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

“數(shù)字信號(hào)處理”是信息工程專業(yè)信號(hào)類課程的一門主干課，前導(dǎo)課是“信號(hào)與系統(tǒng)”?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程理論性較強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生普遍反映抽象、難學(xué)。對(duì)此，1999年以來，一方面引進(jìn)課件（清華大學(xué)出版的“數(shù)字信號(hào)處理多媒體CAI教程”）進(jìn)行課內(nèi)外的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，另一方面加強(qiáng)了與前導(dǎo)課“信號(hào)系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容的銜接與協(xié)調(diào)，去掉不必要的重疊。從2003年起，將線性離散系統(tǒng)和z變換部分的教學(xué)內(nèi)容放在了“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中去進(jìn)行，讓學(xué)生提前在較早的時(shí)間就接觸離散系統(tǒng)部分的教學(xué)內(nèi)容，既分散了難點(diǎn)，又為“數(shù)字信號(hào)處理”課程中的消化不良現(xiàn)象騰出了時(shí)間，為深入改革課堂理論教學(xué)提供了新的機(jī)會(huì)。

但是，“數(shù)字信號(hào)處理”畢竟是一門概念性較強(qiáng)的課程，多年來，我們?nèi)匀灰恢逼毡楦械匠橄箅y學(xué)。通過最佳一致逼近的瑞米茲（Remez）交換算法優(yōu)化設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)教學(xué)工作為例可以看出，課程改革的成功，需要多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)改革的協(xié)調(diào)配合，包括課堂理論的CAI教學(xué)改革、教學(xué)法研究、習(xí)題課及課程設(shè)計(jì)改革等。課程改革成功與否，還可以在相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，最佳一致逼近的瑞米茲交換算法最為重要，它是FIR（有限沖激響應(yīng)）數(shù)字濾波器的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，F(xiàn)IR濾波器在具有任意的幅度特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相位，F(xiàn)IR經(jīng)過一定的延時(shí)后可以將非因果有限長序列變成因果的有限長序列，所以在數(shù)字信號(hào)處理中得到廣泛應(yīng)用。

2 數(shù)字信號(hào)處理課程優(yōu)化方案

2.1 學(xué)習(xí)方法優(yōu)化

在學(xué)習(xí)上采取重點(diǎn)和難點(diǎn)突破，簡單的或應(yīng)用場合不多的可以少學(xué)或自學(xué)；對(duì)于復(fù)雜問題進(jìn)行歸納和簡化，以使自己易于理解。如在學(xué)習(xí)如何根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)位置來判斷系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性時(shí)，闡明了問題的實(shí)質(zhì)，即“某一頻率處的幅度響應(yīng)與單位圓上該頻率點(diǎn)到所有零點(diǎn)和極點(diǎn)的距離有關(guān)，零點(diǎn)附近的幅度響應(yīng)是極小值，極點(diǎn)附近是極大值”。抓住這一基本概念后就可以自己去理解教材上的例題。同時(shí)結(jié)合這一概念，理解在設(shè)計(jì)FIR濾波器時(shí)，必須根據(jù)具體要求，對(duì)系統(tǒng)單位取樣響應(yīng)的對(duì)稱性作出正確的選擇，這樣該概念就由抽象復(fù)雜變得簡單明了。另外根據(jù)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容采取靈活多樣的學(xué)習(xí)方法如：設(shè)問誘思法，換位思考法，逆向思維法，比喻法，例舉法，分類對(duì)比法，模型構(gòu)建思維法等。通過對(duì)學(xué)習(xí)方法的優(yōu)化可以激活學(xué)生的思維，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2.2 應(yīng)用與實(shí)踐課程的并進(jìn)

眾所周知，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)已在極其廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。我們認(rèn)為，如仍按以往的內(nèi)容實(shí)施數(shù)字信號(hào)處理課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，已不能適應(yīng)DSP技術(shù)高速發(fā)展的需要。

首先，以往開設(shè)的數(shù)字信號(hào)處理課程以理論為主，涉及到實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容基本上局限在數(shù)字濾渡器的設(shè)計(jì)等方面，且由于本課程的課時(shí)限制，能安排為實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)一般較少，因此，學(xué)生所能掌握的DSP技術(shù)是很有限的。

其次，DSP技術(shù)本身在飛速發(fā)展，尤其是高速DSP芯片的廣泛應(yīng)用，對(duì)這一領(lǐng)域?qū)I(yè)人才需求已日趨緊迫。而這方面的技術(shù)和有關(guān)課程 往我們是在碩士研究生階段開設(shè)的，本科生對(duì)高速DSP技術(shù)了解甚少，應(yīng)該樸上這一課。因種種原因，學(xué)生的硬件實(shí)踐環(huán)節(jié)不是加強(qiáng)，相反有削弱的趨勢，特別是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

所以我們應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)?shù)拇胧┮蕴岣咦陨淼膭?dòng)手能力。

本課程雖然是理論課，但它與實(shí)踐關(guān)系密切，如果僅僅講授理論知識(shí)，我們對(duì)理論知識(shí)的理解往往是膚淺的、表面的。因此我們必須加大了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，利用一些信號(hào)處理軟件如Matlab、Systemview等，改變已有的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。以此激發(fā)我們學(xué)習(xí)參與實(shí)驗(yàn)的積極性，使在學(xué)習(xí)課程基本概念、基本理論和基本方法的同時(shí)，也培養(yǎng)自身獨(dú)立分析、解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)中，遵循驗(yàn)證和設(shè)計(jì)相結(jié)合的原則，采取舉例為輔，設(shè)計(jì)為主的方法，達(dá)到拋磚引玉的效果。通過實(shí)驗(yàn)，我們既學(xué)會(huì)了利用軟件分析解決問題的

方法，同時(shí)也加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。例如在IIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，教師給出利用沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)濾波器的范例，要求我們?cè)O(shè)計(jì)雙線性變換法濾波器程序，并在頻譜分析的基礎(chǔ)上，用此濾波器對(duì)帶噪信號(hào)進(jìn)行濾波。通過實(shí)驗(yàn)，我們既驗(yàn)證了所學(xué)理論，又利用Matlab語言作為工具編程實(shí)現(xiàn)了理論和概念的仿真，鍛煉了設(shè)計(jì)分析能力。

2.3 強(qiáng)調(diào)概念的物理意義和應(yīng)用

就“數(shù)字信號(hào)處理”的概念抽象難懂、涉及數(shù)學(xué)知識(shí)較多、公式推導(dǎo)繁瑣等問題，我們改革并豐富傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)手段，開發(fā)并完善適合學(xué)習(xí)的多媒體輔助系統(tǒng)，充分發(fā)揮現(xiàn)代手段的優(yōu)勢。例如，可以利用Authorware、Flash等工具制作動(dòng)畫，將抽象的概念感性化，以形象生動(dòng)的圖像、動(dòng)畫來展示理論內(nèi)涵。這樣可以啟發(fā)自身的思維，培養(yǎng)自身的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)施形象學(xué)習(xí)。例如，對(duì)于信號(hào)采樣及恢復(fù)問題，在介紹時(shí)采用了動(dòng)態(tài)演示的方法 將采樣及恢復(fù)過程用Flash動(dòng)畫形象的表現(xiàn)出來。這樣一來，一方面使抽象的過程生動(dòng)起來，使自身加深理解，另一方面也激發(fā)了自身的學(xué)習(xí)興趣。

由于“數(shù)字信號(hào)處理”課程中大量的理論和結(jié)論都是通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式得到，所以我們往往過于注重公式推導(dǎo)或證明，而不能理解其實(shí)質(zhì)和用途。針對(duì)這種情況，在學(xué)習(xí)中特別要強(qiáng)調(diào)結(jié)論的物理意義和應(yīng)用，尤其是結(jié)合科研實(shí)踐給出理論在圖像處理、語音信號(hào)處理方面的具體應(yīng)用以此加深自身理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

例如，離散付里葉變換DFT是頻域分析的有效工具，信號(hào)的頻譜分析在通信、圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域都占有非常重要的地位，因此在該章的學(xué)習(xí)中，除了對(duì)其概念及性質(zhì)的介紹，還對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了舉例說明。例如，一個(gè)信號(hào)由10Hz、20Hz和30Hz的三個(gè)正弦信號(hào)構(gòu)成，即

X(t)=sin(2π×10t)+sin(2π×20t)+2sin(2π×30t)

且該信號(hào)被隨機(jī)噪聲污染，在時(shí)域中很難確定其組成成分，我們可以利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)離散付里葉變換，分析出該信號(hào)的成分。設(shè)采樣頻率為500Hz，如圖1所示：

圖1 信號(hào)頻譜分析

圖1(a)為純凈時(shí)域信號(hào)；圖1(b)為受到噪聲干擾的時(shí)域信號(hào)，從圖中可以看出噪聲較大，已經(jīng)看不出信號(hào)的周期性；圖1(c)為該信號(hào)的頻譜，可見信號(hào)集中在10Hz、20Hz和30Hz三個(gè)頻率上。通過這樣的直觀結(jié)果可以增強(qiáng)自身的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)DFT概念的理解。

3 結(jié)語

《數(shù)字信號(hào)處理》是一門非常重要的課程，因此在適應(yīng)素質(zhì)教育對(duì)電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)的要求下，我們結(jié)合自身實(shí)際情況對(duì)該課程進(jìn)行優(yōu)化改革。

實(shí)踐證明，隨著通信技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高課時(shí)效率，有利于拓寬專業(yè)知識(shí)面，有利于培養(yǎng)和加強(qiáng)自身系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力，有利于加強(qiáng)自身素質(zhì)教育的課程改革，諸如課程內(nèi)容的劃分與銜接、學(xué)習(xí)內(nèi)容的主次安排及增刪、實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置和實(shí)踐環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌。

但是，如何在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮自身的主動(dòng)性，將多更多方案應(yīng)用于學(xué)習(xí)，使自身學(xué)習(xí)效果達(dá)到最優(yōu)，有待我們進(jìn)一步探索和實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳鎮(zhèn)揚(yáng).數(shù)字信號(hào)處理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 程佩清.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

[3] 陳曉天,陳長纓,戴青云,文元美.MATLAB 6.5在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2003(增刊):117—119.

收稿日期：2008-04-05

作者簡介：陳嘉（1984-），男，學(xué)歷本科，單位：貴州大學(xué)蔡家關(guān)校區(qū)電氣工程學(xué)院。