“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革的幾點(diǎn)體會(huì)

吳 瑛,張 莉,陳迎春

(信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院,河南鄭州 450002)

我們結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況,對“數(shù)字信號處理”課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索,提出了“課堂教學(xué)夯實(shí)基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)課程注重創(chuàng)新,網(wǎng)絡(luò)教學(xué)鞏固知識,科研實(shí)習(xí)提升能力”的教學(xué)改革思路。經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐和課程建設(shè),取得了較好的教學(xué)效果。

“數(shù)字信號處理”課程公式多、概念抽象與難以掌握[1],學(xué)生普遍有畏難情緒。我們充分利用多媒體教學(xué)手段和各種仿真工具,用形象直觀的具體應(yīng)用實(shí)例來提高教學(xué)效果。同時(shí),課堂中引入科研的應(yīng)用成果,淡化公式的推導(dǎo),強(qiáng)化所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 利用仿真工具改善教學(xué)

在課堂上將理論教學(xué)與Matlab圖形演示結(jié)合起來,可以使課堂教學(xué)更加直觀生動(dòng)[2]。

例如,離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)函數(shù)的零極點(diǎn)對系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響是“數(shù)字信號處理”課程中的一個(gè)重要知識點(diǎn),也是學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。我們利用Matlab工具,精心設(shè)計(jì)零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置,直觀地展示了零極點(diǎn)對系統(tǒng)幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的影響。

我們利用圖1,向?qū)W生說明系統(tǒng)的極點(diǎn)影響幅頻特性的峰值,零點(diǎn)影響幅頻特性的谷值,且極點(diǎn)越靠近單位圓,幅頻特性對應(yīng)的峰值越低,零點(diǎn)越靠近單位圓,幅頻特性對應(yīng)的谷值越小。設(shè)計(jì)如圖2所示的系統(tǒng)零極點(diǎn)分布,可向?qū)W生說明如何通過調(diào)整系統(tǒng)零極點(diǎn)的位置來改變?yōu)V波器的通帶和過渡帶。比較圖1和圖2,可以清晰地看到當(dāng)系統(tǒng)的零點(diǎn)移動(dòng)至極點(diǎn)附近時(shí)系統(tǒng)的過渡帶變窄。

圖1 系統(tǒng)零極點(diǎn)對幅頻特性的影響

圖2 將零點(diǎn)位置移動(dòng),減小系統(tǒng)的過渡帶

在講解系統(tǒng)的零極點(diǎn)位置對系統(tǒng)相頻響應(yīng)的影響時(shí),設(shè)計(jì)如圖3所示的零極點(diǎn)分布情況,可從圖4中領(lǐng)會(huì)最大相位系統(tǒng)和最小相位系統(tǒng)的含義。若圖3(a)所示系統(tǒng)的零點(diǎn)全部在單位圓內(nèi),此時(shí)系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng),即信號過系統(tǒng)的相位延遲最小如圖4(a)所示。反之,當(dāng)系統(tǒng)的零點(diǎn)全部在單位圓外時(shí),系統(tǒng)的相位延遲最大,稱為最大相位系統(tǒng)。系統(tǒng)輸出如圖3(b)和圖 4(b)所示。

2 引入科研成果充實(shí)教學(xué)內(nèi)容

我們在“數(shù)字信號處理”教學(xué)中,既要注重基本理論知識的傳授[3],還應(yīng)及時(shí)將科研最新成果及本領(lǐng)域中的新理論和新方法引進(jìn)到教學(xué)中。

圖3 零極點(diǎn)位置比較

圖4 系統(tǒng)的輸出比較

例如,在講解窗函數(shù)的原理及應(yīng)用時(shí),過去只介紹其在FIR濾波器設(shè)計(jì)中具有降低帶外衰減的功能。近年來,隨著低截獲概率信號(如跳頻、突發(fā)、擴(kuò)頻)的大量應(yīng)用,帶來了寬帶信號分析技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)以寬帶信號分析中的瀑布圖為例。為了提高瀑布圖的顯示動(dòng)態(tài)范圍,一般要對原信號進(jìn)行加窗處理。圖5(a)是信號加矩形窗時(shí)的瀑布圖,其中橫坐標(biāo)為頻率,縱坐標(biāo)為時(shí)間。從圖5(a)中可以看出10kHz處的調(diào)幅信號和20kHz處的單載波信號,但是由于頻譜泄露較嚴(yán)重,單載波附近的短時(shí)小信號被淹沒在泄露的頻譜中很難被發(fā)現(xiàn)。圖5(b)是信號加漢明窗時(shí)的瀑布圖,由于加窗降低了信號的頻譜泄露,不僅單載波附近的短時(shí)小信號清晰可見,調(diào)幅信號的頻譜也清晰了許多。

圖5 寬帶信號瀑布圖

3 實(shí)踐教學(xué)的改革

傳統(tǒng)的“數(shù)字信號處理”課程,大多只討論算法的理論及其推導(dǎo),較少涉及實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)的軟硬件技術(shù)。因此,我們采取了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相結(jié)合,觀察性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,課內(nèi)教學(xué)與課外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。我們建立了由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和科研訓(xùn)練三個(gè)模塊組成的實(shí)踐教學(xué)體系,注重培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,設(shè)計(jì)了“利用線性卷積求信號過離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出”、“用FFT對信號進(jìn)行頻譜分析”和“給定某一IIR和FIR濾波器,求其輸出”等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),以便幫助學(xué)生理解掌握“數(shù)字信號處理”的基本方法和基本理論,提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能和掌握實(shí)驗(yàn)的手段。

在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中,力圖使實(shí)踐教學(xué)由單純驗(yàn)證問題向綜合設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化,由模仿操作向自主設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化。例如,在“數(shù)字上、下變頻”的課題中,給出某一DDC芯片的實(shí)現(xiàn)框圖和需要實(shí)現(xiàn)的指標(biāo),由學(xué)生實(shí)現(xiàn)框圖中每一步的參數(shù)選擇并畫出輸出結(jié)果;在對“信號進(jìn)行譜分析”課題中,給定頻譜分辨率的指標(biāo),由學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)不同的采樣頻率的要求,設(shè)計(jì)譜分析算法并給出輸出結(jié)果。

在科研訓(xùn)練教學(xué)中,我們將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)科研設(shè)備,搭建了優(yōu)秀學(xué)生科研訓(xùn)練平臺。即在“數(shù)字信號處理”課程實(shí)施階段,選拔一部分優(yōu)秀學(xué)生參與到最新的科研項(xiàng)目中,承擔(dān)與課程相關(guān)的科研任務(wù)。

4 結(jié)語

“數(shù)字信號處理”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,理論性強(qiáng),涉及知識面廣。我們從師資隊(duì)伍的培養(yǎng)、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)、教材編寫和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等多方面進(jìn)行了改革,取得了一定的成果。

[1] 聶小燕,魯才.數(shù)字信號處理教學(xué)改革的探索[J].成都:實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2008,6(6):125-126

[2] 徐欣,張玲華.Matlab在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用[J].北京:中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2008,6:175-176

[3] 趙全明,王霞.數(shù)字信號處理教學(xué)方法探析[J].秦皇島:教學(xué)研究,2008,31(5):444-445