數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐型教學(xué)方法研究

楊智明， 彭喜元， 俞 洋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

目前，隨著計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理理論和方法已成為眾多領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容[1]，并被廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)字通信、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域[2-3]。而工科大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程作為電類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，上承高等數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)等基礎(chǔ)課程，下啟數(shù)字電路設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理器等專業(yè)課程，對(duì)于學(xué)生整個(gè)課程體系的建立起著重要作用。然而由于該課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)[4]，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍較為吃力。具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：①該課程理論性很強(qiáng)，要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此學(xué)生普遍感到概念抽象，公式繁多，對(duì)理論的理解難以透徹；②相對(duì)于信號(hào)與系統(tǒng)等前期課程，該門課程雖然具有一定的實(shí)踐性，但是由于學(xué)生知識(shí)體系不足，學(xué)生難以把本課程的理論應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，無(wú)法應(yīng)用理論知識(shí)去解決實(shí)際工程中存在的問(wèn)題[5-6]。因此學(xué)生普遍將該門課程當(dāng)作高等數(shù)學(xué)的延續(xù)，無(wú)法提高對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為課堂授課的一個(gè)有益補(bǔ)充，可以在一定程度上緩解以上問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要實(shí)現(xiàn)兩方面作用:①幫助學(xué)生更好的理解和掌握理論知識(shí)以及設(shè)計(jì)方法，②在對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)有所把握的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。目前，由于條件的限制，大多數(shù)高校在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中難以建立軟硬件聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，因此采用的基本是Matlab，LabView等仿真軟件[7-8]，該方法在一定程度上幫助學(xué)生驗(yàn)證課堂所學(xué)理論知識(shí)，但其缺點(diǎn)是直觀性不強(qiáng)，無(wú)法幫助學(xué)生建立完整的應(yīng)用設(shè)計(jì)思路和概念。作者近5年來(lái)除進(jìn)行課堂授課外，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的分析發(fā)現(xiàn)，由于受到實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置單一，與工程實(shí)踐脫節(jié)較為嚴(yán)重，缺乏軟硬件綜合性實(shí)驗(yàn)條件和硬件設(shè)計(jì)理念等因素的影響，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣依然不大，難以取得良好的效果。

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合作者多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出基于綜合性實(shí)驗(yàn)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐型教學(xué)方法。以日常生活中最常見(jiàn)，學(xué)生最容易理解的語(yǔ)音信號(hào)為處理目標(biāo)，設(shè)計(jì)語(yǔ)音信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的獲取、分析和處理，將數(shù)字信號(hào)處理課程中的信號(hào)采集、信號(hào)頻譜分析以及信號(hào)處理三個(gè)部分有機(jī)地融為一體。通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生理解數(shù)字信號(hào)處理的過(guò)程細(xì)節(jié)，同時(shí)積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握硬件設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)和研究生學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

1 數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)內(nèi)容整合

工科大學(xué)電類專業(yè)數(shù)字信號(hào)處理課程涉及眾多理論和方法，因此在綜合性實(shí)驗(yàn)中完全覆蓋所有的內(nèi)容具有一定的難度。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，本文將數(shù)字信號(hào)處理課程劃分為以下3個(gè)重要的部分：

(1) 信號(hào)采集部分。即如何將日常生活中存在的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

(2) 信號(hào)分析部分。利用離散傅里葉變換等工具對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行分析；

(3) 信號(hào)處理部分。設(shè)計(jì)各種類型的數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

因此，本文提出的綜合性實(shí)驗(yàn)針對(duì)以上內(nèi)容展開設(shè)計(jì)。

如圖1所示為數(shù)字信號(hào)處理的基本過(guò)程。本科數(shù)字信號(hào)處理課程要求學(xué)生掌握的基本知識(shí)包括以下3個(gè)部分：采樣、分析和處理。為實(shí)現(xiàn)以上過(guò)程，并使學(xué)生理解工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程，本文選擇日常生活中最常見(jiàn)、最易獲取的語(yǔ)音信號(hào)作為處理對(duì)象，設(shè)計(jì)語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)，作為綜合性實(shí)驗(yàn)的載體。

圖1 數(shù)字信號(hào)處理基本過(guò)程

2 語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的綜合性實(shí)踐教學(xué)需要借助于語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)、音頻編解碼器為核心，并附加必要的外圍電路。由于DSP具有數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)牟⑿行?，因此能夠極大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率；此外，DSP具有高速、實(shí)時(shí)、靈活的特點(diǎn)，可以用有限的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)較多的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，完成多種語(yǔ)音處理功能[9]。以此為基礎(chǔ)，利用C語(yǔ)言完成語(yǔ)音信號(hào)處理程序，實(shí)現(xiàn)多通道語(yǔ)音信號(hào)的采集、濾波、壓縮和回放等功能。

2.1 語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)首先利用語(yǔ)音輸入電路配合編碼芯片將將需要處理的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣；然后，將數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)傳至DSP進(jìn)行處理；最后，利用語(yǔ)音解碼芯片將處理后的數(shù)字樣值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并經(jīng)由語(yǔ)音輸出電路還原成語(yǔ)音信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，本文選用TI公司TMS320VC5509系列DSP作為系統(tǒng)的核心處理器[10]，完成系統(tǒng)的控制、運(yùn)算處理等功能，并選用TLV320AIC23實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音接口電路[11，12]。在硬件接口方面，TMS320VC5509多通道緩沖串口時(shí)序和音頻模塊AIC數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時(shí)序可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，便于進(jìn)行控制[13]。此外，為完成與主控計(jì)算機(jī)的交互，選擇USB接口芯片CY68013實(shí)現(xiàn)程控命令與信號(hào)處理結(jié)果的傳輸[14]。

2.2 語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)完成后，需要編寫相應(yīng)的DSP軟件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)處理功能[15]。軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和信號(hào)處理軟件兩部分。其中系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)輸入/輸出管理等功能。而信號(hào)處理軟件主要完成特定的語(yǔ)音處理功能。圖3為本文的軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 軟件流程圖

如圖所示，本文在TI公司專用開發(fā)環(huán)境CCS下開發(fā)軟件應(yīng)用程序[16]。其組成包括主程序框架、初始化程序以及相應(yīng)的中斷處理程序。DSP初始化程序的主要功能是設(shè)置DSP系統(tǒng)的工作狀態(tài)；而外圍接口芯片初始化程序主要完成USB接口芯片以及語(yǔ)音接口芯片TLV320AIC23的初始化功能，包括設(shè)置其工作模式等。同時(shí)DSP系統(tǒng)采用中斷方式處理外圍芯片提出的服務(wù)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的采集、分析、處理、回放等功能，并實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)及處理結(jié)果的實(shí)時(shí)傳輸與存儲(chǔ)功能。

本文開發(fā)的語(yǔ)音處理系統(tǒng)功能明確、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，摒棄了現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理課程硬件實(shí)驗(yàn)箱功能繁雜、體積龐大的缺點(diǎn)，所需硬件基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)都比較少，非常便于學(xué)生理解和掌握，特別是其具有較好的便攜性，可以在任何地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。另外，語(yǔ)音信號(hào)也是日常生活中的常見(jiàn)信號(hào)形式，便于獲取和理解，因此本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)可以很好地完成面向工程實(shí)踐數(shù)字信號(hào)處理課程硬件實(shí)驗(yàn)功能，作為課堂教學(xué)和Matlab仿真實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，幫助學(xué)生感受工程實(shí)踐項(xiàng)目所帶來(lái)的成就感，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)及實(shí)施方法

3.1 數(shù)字信號(hào)處理綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

借助于本課題設(shè)計(jì)的語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)，可以進(jìn)行面向工程實(shí)踐的綜合性課程設(shè)計(jì)工作，在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要是按照以下原則進(jìn)行：

(1) 為避免學(xué)生課程設(shè)計(jì)內(nèi)容出現(xiàn)重復(fù)性較大問(wèn)題，本文將課程設(shè)計(jì)題目按照信號(hào)處理流程進(jìn)行分解，即多設(shè)計(jì)一些題目供同學(xué)們選擇；

(2) 考慮到學(xué)生能力上的差異，無(wú)法要求每一位同學(xué)都獨(dú)立完成相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，因此課程設(shè)計(jì)采用小組方式進(jìn)行，但小組成員必須要分工明確；

基于以上兩方面原則，在實(shí)踐教學(xué)中采用的課程設(shè)計(jì)題目包括以下幾個(gè)部分：

3.1.1信號(hào)采集部分

(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?yàn)證采樣定理,采樣頻率大于信號(hào)最高頻率2倍，為獲得良好效果，采樣頻率為信號(hào)最高頻率的3～5倍。

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程。利用語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)采集語(yǔ)音信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)包括正常的語(yǔ)音信號(hào)(頻率范圍小于3 kHz)，音樂(lè)信號(hào)(頻率范圍小于20 kHz)等，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)設(shè)置不同的采樣頻率，觀察信號(hào)采樣過(guò)程中損耗，從而驗(yàn)證采樣定理說(shuō)明的內(nèi)容。

3.1.2信號(hào)分析部分

(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。利用離散傅里葉變換及其快速算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程。對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，語(yǔ)音信號(hào)包括正常的語(yǔ)音信號(hào)，音樂(lè)信號(hào)，以及混疊有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)和音樂(lè)信號(hào)，觀察信號(hào)頻譜，指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)，觀察調(diào)整前后的分析結(jié)果，分析頻譜分析范圍、頻率分辨率等頻域分析指標(biāo)與采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)等時(shí)域控制指標(biāo)之間的關(guān)系，從而幫助學(xué)生明確實(shí)際工程項(xiàng)目中采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的選擇方法。

3.1.3信號(hào)處理部分

(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹ＴO(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，對(duì)混雜噪聲的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程。利用TMS320VC5509處理器提供的算法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器及FIR數(shù)字濾波器，指導(dǎo)學(xué)生選擇濾波器類型和參數(shù)，獲得濾波器傳遞函數(shù)。對(duì)于以上部分實(shí)驗(yàn)獲取的混雜有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，比較處理前后語(yǔ)音信號(hào)的播放效果，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)濾波器的有效性。

以上3部分實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有機(jī)的整體，包括了數(shù)字信號(hào)處理3個(gè)最關(guān)鍵的內(nèi)容：信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理，同時(shí)還鼓勵(lì)學(xué)生自行擬定課題，充分發(fā)揮其自主性和能動(dòng)性。

3.2 綜合性實(shí)踐教學(xué)方法實(shí)施步驟

在實(shí)踐教學(xué)具體實(shí)施過(guò)程中，采用以下步驟進(jìn)行：

(1) 前期調(diào)研。學(xué)生在教師指導(dǎo)下選定題目，并擬定項(xiàng)目實(shí)施的大致方案；

(2) 學(xué)生自學(xué)。學(xué)習(xí)DSP硬件知識(shí)及其編程方法；

(3) 工程實(shí)踐。以實(shí)驗(yàn)室和課后實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行具體的工程實(shí)踐；

(4) 課堂討論。在每學(xué)期期末，安排每個(gè)小組的學(xué)生以5～10 min時(shí)間，進(jìn)行課堂報(bào)告，對(duì)本學(xué)期實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)由教師組織進(jìn)行課堂討論。

以上方法可以總結(jié)為ISED方法，即前期調(diào)研(Investigation)，自學(xué)(Self-learning)，工程實(shí)踐(Engineering practice)以及課堂討論(Discussion in class)4個(gè)部分。通過(guò)以上綜合性實(shí)驗(yàn)步驟，不僅可以幫助學(xué)生更好的理解課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用；還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、表達(dá)能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理課程是工科大學(xué)電類專業(yè)重要基礎(chǔ)課程，本文針對(duì)其理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)的特點(diǎn)，提出了一種面向綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)方法，并設(shè)計(jì)語(yǔ)音信號(hào)采集系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)載體。該平臺(tái)結(jié)構(gòu)功能明確、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，適合工科大學(xué)高年級(jí)本科生知識(shí)基礎(chǔ)，可以方便的幫助學(xué)生展開綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)工程實(shí)踐激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。作者所在課程組于2010～2013年4個(gè)學(xué)年度，按照以上實(shí)踐教學(xué)方法，并借助于語(yǔ)音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的嘗試工作。實(shí)際教學(xué)情況以及學(xué)生課后反饋意見(jiàn)表明，通過(guò)以上方法，充分的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生做到帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，并體會(huì)到學(xué)以致用的樂(lè)趣。同時(shí)，課堂報(bào)告及討論，幫助學(xué)生鍛煉組織材料及表達(dá)的能力，為其后續(xù)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)及研究生工作奠定基礎(chǔ)。

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