數(shù)字信號處理課程的實驗教學(xué)研究

彭 靳，杜瀟君

（1.滁州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽滁州 239000；2.可林大學(xué)第一醫(yī)院二部，吉林長春 130031）

數(shù)字信號處理課程的實驗教學(xué)研究

彭 靳1，杜瀟君2

（1.滁州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽滁州 239000；2.可林大學(xué)第一醫(yī)院二部，吉林長春 130031）

數(shù)字信號處理課程具有理論性強、內(nèi)容多、學(xué)習(xí)枯燥乏味等公認特點，針對本校學(xué)生學(xué)習(xí)特點，在教學(xué)過程中充分發(fā)揮課程實驗的作用，將數(shù)字信號處理理論與實踐相結(jié)合，既遵循高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)的方針，又提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性及實踐能力，取得較好教學(xué)效果。

數(shù)字信號處理；實驗；教學(xué)效果

數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing）是從20世紀60年代以來，隨著信息學(xué)科和計算機學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科［1］。它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。然而，由于《數(shù)字信號處理》涉及的內(nèi)容多、概念抽象、設(shè)計復(fù)雜等特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時，常常會覺得枯燥乏味，感到該課程的概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握［2］。為了幫助學(xué)生系統(tǒng)理解和掌握課程中的基本概念、基本原理和基本分析方法，充分鍛煉他們綜合應(yīng)用所學(xué)知識獨立解決實際問題的能力和工程實踐創(chuàng)新能力，遵循高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)的方針和本校的發(fā)展定位，滁州學(xué)院電子系電子信息工程教研室對《數(shù)字信號處理》課程的教學(xué)采用理論與實踐相結(jié)合的方法，即理論課教學(xué)同時開展數(shù)字信號處理實驗教學(xué)，二者相輔相成，效果顯著。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

《數(shù)字信號處理》課程的理論教學(xué)及實驗在本科第六學(xué)期進行，主要對象是電子信息工程專業(yè)和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，理論課每周3個課時，實驗課每周2個課時。實驗課安排在數(shù)字信號處理實驗室進行，采用的是以TMS320VC5402為核心的實驗系統(tǒng)。與理論教學(xué)相對應(yīng)，適時安排A／D采樣、D／A轉(zhuǎn)換、快速傅立葉變換（FFT）、有限沖擊響應(yīng)濾波器算法（FIR）等實驗，讓學(xué)生從實踐的角度，更深層次的理解有關(guān)概念，并會應(yīng)用到實際當(dāng)中。

2 數(shù)字信號處理實驗教學(xué)的改革與思考

2.1 實驗大綱的修訂

隨著學(xué)校實施應(yīng)用型人才培養(yǎng)的方針，我們對原有的實驗大綱進行修訂。舊的大綱中，實驗教學(xué)所占的課時要明顯少于理論教學(xué)，而且安排的實驗多以驗證性的為主。新的大綱中，理論和實驗教學(xué)所占比例幾乎持平，而且根據(jù)專業(yè)不同，安排不同的實驗組合。比如電子信息工程專業(yè)學(xué)生，多安排一些信號處理方面實驗，而自動化專業(yè)多安排控制類實驗。在這些實驗當(dāng)中，驗證性實驗少于50%，其他都是設(shè)計性和綜合性實驗。

實驗內(nèi)容上，我們按照由淺入深的原則，將實驗分為三個模塊。第一模塊，是針對初學(xué)者的基礎(chǔ)性實驗，這部分主要以驗證性實驗為主，目的是讓初到實驗室的學(xué)生熟悉實驗儀器和裝置，掌握一些基本的操作方法以及實驗中需要注意的事項等。第二模塊，是針對有一定理論基礎(chǔ)和實驗技能的學(xué)生，這部分主要以設(shè)計性實驗為主，實驗提供設(shè)計要求、簡要的設(shè)計方案及設(shè)計過程中所必須的元件等，由學(xué)生自己完成實驗。這部分是實驗教學(xué)的主體，通過這部分，學(xué)生對數(shù)字信號處理理論有了很大的提高和鞏固，對實驗中碰到的現(xiàn)象及問題都能按照理論指導(dǎo)找到合適的解釋和解決方法。第三模塊，是為學(xué)有余力的學(xué)生準備的，在這部分實驗中，只提出設(shè)計要求，由學(xué)生自己查閱文獻、制定實驗方案、選擇實驗儀器和元件、組裝調(diào)試、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果討論。這部分實驗可以提高學(xué)生的綜合能力，也能為參加電子設(shè)計大賽做準備。

2.2 實驗教材的編寫

國內(nèi)的數(shù)字信號處理實驗教材不多，而且差異很大，多是根據(jù)本學(xué)校的課程開設(shè)情況編寫的。因此我們根據(jù)本系課程開設(shè)情況及學(xué)生學(xué)習(xí)情況，編寫了《數(shù)字信號處理實驗指導(dǎo)書》。教材安排18個實驗，包括6個驗證性實驗、6個設(shè)計性實驗和6個綜合性實驗，教師可以根據(jù)具體教學(xué)情況選擇其中的一部分進行實驗。每個實驗都有明確的實驗?zāi)康模⒔o出一定的預(yù)習(xí)提示和注意事項。設(shè)計性和綜合性實驗，不提供具體的實驗步驟、電路、源程序。該教材2006級學(xué)生使用至今，反應(yīng)良好，基本滿足了本校學(xué)生對數(shù)字信號處理課程的學(xué)習(xí)要求。

2.3 實驗教學(xué)手段的改革

過去的實驗教學(xué)，基本以教師為主，老師講解實驗原理并演示實驗步驟，然后由學(xué)生復(fù)制老師的動作，這種教學(xué)手段，把學(xué)生禁錮在模仿的空間里，失去了思考和創(chuàng)新的機會。在新的教學(xué)手段中，我們以學(xué)生為中心，隨著實驗的進行，逐步縮短教師講授的時間，留更多的時間讓學(xué)生去思考和實踐，老師由主導(dǎo)變?yōu)橹笇?dǎo)。剛開始進行的基礎(chǔ)性實驗，講授時間安排多一些，主要讓學(xué)生熟悉和了解實驗系統(tǒng)，最好一邊講解一邊演示。隨著實驗的進行和學(xué)生對實驗系統(tǒng)的熟悉，逐步壓縮講解時間，每次實驗只要闡明實驗?zāi)康?，強調(diào)實驗注意事項就可以了，教師隨時采用啟發(fā)引導(dǎo)的方式解決學(xué)生在實驗過程中遇到的問題。

另外，我們正在嘗試開放式的實驗教學(xué)。在完成一些必做實驗之后，再安排一些實驗，讓有興趣的學(xué)生選做，但學(xué)生要提前進行預(yù)約。這種實驗方式，充分調(diào)動了學(xué)生主動性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生把興趣作為學(xué)習(xí)的動力，取得良好的教學(xué)效果。

2.4 考核制度的改革

該實驗課程采用綜合性考核方式，其中包括學(xué)生平時的預(yù)習(xí)報告（10%）、實驗表現(xiàn)（30%）、實驗報告（10%）、考試成績（50%）。實驗分組進行，每次不超過15人，避免“大鍋飯”現(xiàn)象。教師認真記錄每個學(xué)生在實驗過程中的表現(xiàn)以及遇到問題的思考能力，這個是考核的重點?？荚嚥扇〕楹灧绞?，讓學(xué)生抽取題目進行實驗，考察實驗過程及結(jié)果作為最終考試成績。對于特別優(yōu)秀的學(xué)生，可以不參加考試，讓其選做感興趣的設(shè)計性或綜合性實驗。

3 數(shù)字信號處理實驗教學(xué)實例

我們選用的數(shù)字信號處理實驗系統(tǒng)是以TMS320VC5402為核心的，該芯片是目前普遍使用的定點數(shù)字信號處理芯片。它的特點是功耗很低（在最大運算速度100MIPS時為60mW），可用于數(shù)字蜂窩通信、個人通信系統(tǒng)、尋呼機、個人數(shù)字助理（PDA）、ATM（異步傳輸模式）交換機、數(shù)字無線通信、調(diào)制解調(diào)器等領(lǐng)域。TMS320VC5402和一些外圍接口、外擴存儲器等一起構(gòu)成CPU板，可提供2MB的FLASH，256KB的程序存儲器，64KB的數(shù)據(jù)存儲器，以及在線可編程CPLD、標準RS232接口、JTAG接口、總線電平隔離芯片、系統(tǒng)資源擴展接口等［3］。

實驗系統(tǒng)還配備了語音處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、信號源單元、鍵盤單元、數(shù)碼顯示單元、液晶單元、開關(guān)量輸入輸出單元、電源單元、單脈沖產(chǎn)生單元、電平轉(zhuǎn)換單元、CPLD下載單元、信號擴展單元，這些擴展單元配合CPU板，可以進行30多項指定實驗，充分滿足了課程教學(xué)需要。另外學(xué)生還可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)掌握情況，自主開發(fā)新的工程項目。

3.1 實例1——快速傅立葉變換（FFT）算法實驗

3.1.1 快速傅立葉變換并不是一種新的變換，而是離散

傅立葉變換（DFT）的一種快速算法。將時域的采樣變換成頻域的周期性離散函數(shù)，頻域的采樣也可以變換成時域的周期性離散函數(shù)，這樣的變換稱為DFT。FFT將DFT的N2步運算減少為（N／2）log2N步，極大的提高了運算的速度［4］。FFT算法又可以分為時間抽選法（DIT）和頻率抽選法（DIF）兩種，教學(xué)大綱要求學(xué)生重點掌握DIT中的基－2FFT算法。這里還涉及到旋轉(zhuǎn)因子的變化規(guī)律、蝶形運算規(guī)律及基－2FFT算法等知識，內(nèi)容非常多，難度比較大，學(xué)生在上完理論課后，基本處于一種混沌狀態(tài)。這時候安排學(xué)生FFT算法實驗，在實驗的過程當(dāng)中把理論的東西自然而然的貫穿其中，更加深入理解FFT算法的原理和實現(xiàn)。

3.1.2 基－2FFT算法原理是將原序列進行奇偶分組，然后將分組后的序列進行蝶形運算，如果分組后的序列可以繼續(xù)分，則再進行一次分組和蝶形運算，直至不能分為止。按照這種原理，畫出程序流程圖（如圖1所示），編寫程序。在該實驗中，采用語音單元提供的語音信號作為傅立葉變換的源信號。用音頻連接線將語音單元輸出端接入CPU板，系統(tǒng)上電，開始實驗。

圖1 基－2FFT算法流程圖

實驗過程當(dāng)中，用Frequency打開一個圖形窗口，采用雙蹤觀察在啟動地址分別為0x3000 H和0x3080H、長度為128的單元中的數(shù)值的變化，可以觀察到經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的語音信號和對該信號進行FFT變換的結(jié)果（如圖2所示）。

圖2 FFT圖形觀察窗口顯示內(nèi)容

3.2 實例2－有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器算法實驗

3.2.1 FIR濾波器是數(shù)字濾波器的一種。數(shù)字濾波器的功能就是通過一定的運算將輸入序列變換成輸出序列。根據(jù)系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h（n）是有限長序列還是無限長序列，將數(shù)字濾波器分為有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器［5］。FIR濾波器有以下幾個特點：系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h（n）在有限個n值處不為零；系統(tǒng)函數(shù)H（z）在｜z｜＞0處收斂，在｜z｜＞0處只有零點，即有限z平面只有零點，而全部極點都在z＝0處（因果系統(tǒng)）；結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，但有些結(jié)構(gòu)中也包含有反饋的遞歸部分。

3.2.2 實現(xiàn)數(shù)字濾波可以有兩種方法：一種就是把濾波器所要完成的運算編成程序并讓計算機執(zhí)行，也就是采用計算機軟件來實現(xiàn)；另一種方法是設(shè)計專用的數(shù)字硬件、專用的數(shù)字信號處理器或采用通用的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。我們采用的是第二種方法中的通用DSP芯片。實驗中，根據(jù)流程圖（如圖3所示）編寫程序，采用兩路正弦波信號的混疊作為輸入信號（其中低頻正弦波信號峰峰值11V，頻率＜4KHz；高頻正弦波信號峰峰值5V，頻率＞40KHz）。

圖3 FIR濾波器執(zhí)行流程圖

程序運行后，用Frequency打開一個圖形窗口，采用雙蹤觀察在啟動地址分別為0x3000H和0x3100H、長度為256的單元中的數(shù)值的變化，可以觀察到經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的輸入混疊信號和對該信號進行FIR濾波的結(jié)果（如圖4所示）。

圖4 FIR濾波器圖形觀察窗口顯示內(nèi)容

4 總結(jié)

《數(shù)字信號處理》作為電子信息工程等信息學(xué)科必不可少的專業(yè)課，對電子類學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)的完善有著重要的實際意義，其教學(xué)的效果與教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到學(xué)生對整個學(xué)科體系的掌握［6］。通過采用這種理論和實驗相結(jié)合的方式對一屆學(xué)生進行試點教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的掌握情況明顯好于前幾屆。但教學(xué)改革是一個多方面長期的不斷探索、逐步完善的過程，今后在教學(xué)過程中，我們會繼續(xù)進行教學(xué)改革研究，不斷完善教學(xué)過程，提高教學(xué)效果。

［1］程佩青.數(shù)字信號處理教程（第3版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］楊述斌.《數(shù)字信號處理》教學(xué)方法改革初探［J］.中國電力教育，2008，（19）.

［3］顏允圣.數(shù)字信號處理器：體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［4］徐定策.數(shù)字信號處理的基本方法［M］.成都：成都科技大學(xué)出版社，2008.

［5］閆勝利.FIR濾波器原理及設(shè)計方法［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報，2003，4（1）：63－65.

［6］聶小燕.數(shù)字信號處理教學(xué)改革的探索［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）：125－126.

G420

A

1673－1794（2011）05－0105－03

彭 靳（1981－），男，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)。

滁州學(xué)院教研基金（2009jyy034）

2011－04－11