“數(shù)字信號處理”實踐課題與考評方法

遲 楠，燕 方，李潔慧

(復(fù)旦大學信息科學與工程學院，上海200433)

“數(shù)字信號處理”課程涉及多種復(fù)雜變換，學生接受起來相對困難。為了提高學生的學習興趣，更好地傳授知識，配合我校教學團隊建設(shè)，我們進行了該課程的教學改革探索［1-3]。

1 實踐研究課題的設(shè)置

“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)容較多，涉及Z變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換和多種濾波器設(shè)計等，而課時只有54學時。因此，課堂授課仍然以基本原理和基本概念為主。

我們采取的教改措施是給學生開設(shè)短期的研究課題，并專設(shè)一名指導教師。研究課題針對課程內(nèi)容，給出幾篇關(guān)鍵文獻，讓學生自主做一些基本研究，既可以基于通用的程序設(shè)計語言，也可以基于現(xiàn)有的仿真軟件完成。在歐洲的大學稱之為“special course”或者“short-term project”，為時短則1個月，長則3個月。課題結(jié)束時需要提交一份研究報告，有時候還需要組織小規(guī)模答辯。我們在參考丹麥技術(shù)大學和英國布里斯托爾大學教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)立實踐研究課題的方案。由于我院主要關(guān)注光通信和無線通信方面的教研工作，研究課題的選擇有意識地強化通信背景，希望能夠通過課題的開展，使學生對科研工作有初步的了解，為學生大四學年的畢業(yè)設(shè)計做鋪墊。該教學實踐已分別在2010年秋季學期和2012年秋季學期試點了兩年。

2010年研究課題的題目有:高階MSK-OFDM、發(fā)射機段頻域均衡FDE、接收機電色散補償、相干接收機載波恢復(fù)、相位分集OFDM系統(tǒng)、各種調(diào)制碼型傳輸性能分析、基于FIR的IQ不平衡補償、多邊帶產(chǎn)生及其在ROF中應(yīng)用、基于Matlab的GMSK調(diào)制、DSP在OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用和微波光子學時頻變換。

2010年課題中有些研究項目較為專業(yè)，學生需要花較多時間了解專業(yè)背景知識。因此，在2012年我們設(shè)立課題時更傾向于較為寬泛的背景，強調(diào)具體的關(guān)鍵技術(shù)。2012年課題的題目有:基于編碼技術(shù)降低OFDM峰均比的分析和實現(xiàn)、低通濾波器的時、頻域設(shè)計、準循環(huán)LDPC編碼及譯碼、QPSKOFDM信號的生成、FIR濾波器在可見光通信中的應(yīng)用、三角波驅(qū)動的多波長技術(shù)研究、預(yù)均衡技術(shù)的研究與仿真、MIMO信號恢復(fù)研究和16QAM信號的生成。

我們每學期授課人數(shù)一般在50人左右。學生按照自愿的原則被分成若干小組，每組4-5人。學生自由選擇課題，我們?yōu)槊總€課題提供預(yù)期目標和參考文獻(不少于3篇)。課題一般在第一堂課布置到12-14周驗收。

2 研究環(huán)節(jié)的掌控

學生的研究環(huán)節(jié)直接關(guān)系到最終課題驗收的效果，該環(huán)節(jié)分為三個階段。第一階段為1-2周，學生主要的任務(wù)是課題調(diào)研，閱讀布置的文獻并將所有文獻翻譯成中文。值得指出的是，翻譯是非常關(guān)鍵的入門功課。很多學生讀文獻走馬觀花，似是而非。實際上文獻翻譯過程需要逐字逐句的挖掘內(nèi)涵，可以鍛煉學生的綜合理解能力，也會暴露知識點的問題和混淆偏差。第二階段是2-11周，學生進入理論分析和數(shù)值建模工作，根據(jù)課題要求建立理論模型，基于通用語言形成源代碼，針對數(shù)據(jù)進行數(shù)值仿真，并將得出的結(jié)果繪制成各種曲線或表格。第三階段安排在最后一周進行撰寫報告。

我?！皵?shù)字信號處理”課程一般設(shè)置在大學三年級。此時由于學生獨立進行科研尚有困難。這門課的每個研究小組均需配備一名指導教師。由于一名教師很難在短時間內(nèi)同時指導10個組左右的課題，我們讓本系高年級碩士生或博士生來擔任輔導教師。他們每周會給學生留出答疑時間，在課題完成過程中學生遇到問題，也可以通過電子郵件的方式與輔導教師聯(lián)系進行討論。

實踐表明，由于輔導教師是本系的研究生學長，非常熟悉情況，對大三學生各方面都起到表率作用。一部分學生對科研產(chǎn)生了濃厚的興趣，從而提前進入各個實驗室，有些學生本科階段便已經(jīng)發(fā)表了學術(shù)論文。

3 課題報告的把關(guān)

課題報告主要應(yīng)分為以下幾個部分。

(1)背景介紹—系統(tǒng)介紹研究的領(lǐng)域方向和國際國內(nèi)研究動態(tài)，也可以說明在整個通信系統(tǒng)中處于哪個位置。

(2)原理部分—這部分主要是公式推導、理論建模和程序?qū)崿F(xiàn)。學生對課題的研究內(nèi)容有基礎(chǔ)的理論推導，得到部分定性的結(jié)論，然后通過數(shù)值建模，建立仿真模型，詳細描述仿真模型的結(jié)構(gòu)和各個參量的含義設(shè)置，對于程序源代碼給出代碼流程圖，也節(jié)選關(guān)鍵源代碼，分步驟描述具體實現(xiàn)功能。

(3)仿真結(jié)果部分—根據(jù)仿真模型和源代碼，研究參量變化對系統(tǒng)的影響，給出工作區(qū)域和最佳工作點。驗證系統(tǒng)的完整性和可行性。

(4)結(jié)論部分—整個研究工作總結(jié)、體會和討論，給出不足之處和今后的改進之處。

現(xiàn)以“DSP在OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用”這一課題為例進行介紹。學生首先描述OFDM的由來，引述最早的文獻及后續(xù)的一些發(fā)展，說明在3G無線通信以及光通信中的應(yīng)用。學生在原理部分，推導了OFDM時域頻域表示式，畫出OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，重點闡述FFT和IFFT變換。學生在仿真結(jié)果部分，研究了不同點數(shù)的FFT對OFDM的峰均比的影響，研究了不同階數(shù)高階調(diào)制OFDM信號的調(diào)制與解調(diào)，畫出了星座圖。在加性高斯白噪聲的情況下，基于OFDM的通信系統(tǒng)的傳輸損傷。學生在結(jié)論與展望部分說明峰均比是OFDM的關(guān)鍵問題，可以通過引入附加變換，乘概率矩陣或者編碼等方式提高系統(tǒng)性能。

4 課題答辯的考評

我們通常安排一次大課(共3節(jié)課)進行課題答辯。學生需要準備PPT做匯報，匯報一般每組15分鐘，其中講12分鐘，提問3分鐘。每組學生共同參與，選出1位代表來做匯報，也可分工介紹，互相配合，在講臺上介紹可以活躍氣氛，效果很好［4]。

答辯結(jié)束后，發(fā)給每組學生一個打分表，根據(jù)每組學生的答辯結(jié)果，組與組之間交叉打分。為了體現(xiàn)分數(shù)的排序分布，規(guī)定獲分最高的組可以達100分，最低的組必須低于70分。然后將所有打分結(jié)果取平均，作為學生期中考試的成績。這種交叉打分方法可以增強學生主人翁態(tài)度，也體現(xiàn)了公平公正的原則。兩個學期的教學改革試點表明，學生的學習積極性得到了普遍提高。2012年度學生的“數(shù)字信號處理”成績最低分由61分提高到73分，平均分比2010年提高了2個百分點。

［1] http://ocw.mit.edu/resources/res-6-008-digital-signal-processing-spring-2011/introduction/

［2] 汪源源，郭翌，吳曉峰.信號類課程的教學團隊建設(shè)［J] .南京:電氣電子教學學報，2013(1)

［3] 周小林.信息論課程教學方法改革研究［J] .南京:電氣電子教學學報，2013(2)

［4] http://www.englishclub.com/speaking/presentations－pres.htm