基于課程群融合的“數(shù)字信號處理”教學(xué)研究
——以湖北文理學(xué)院為例

張靜（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽441000）

基于課程群融合的“數(shù)字信號處理”教學(xué)研究
——以湖北文理學(xué)院為例

張靜
（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽441000）

摘要：根據(jù)電子專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，研究了“數(shù)字信號處理”課程群課程融合，針對理論和應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容實施多種教學(xué)模式.根據(jù)工程項目開發(fā)，通過“數(shù)字信號處理”為設(shè)計的理論，MATLAB進行設(shè)計仿真、FPGA和DSP硬件實現(xiàn)的結(jié)合，解決了理論聯(lián)系實踐的問題，有益于電子專業(yè)學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)、應(yīng)用能力提高.

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；課程群融合；多種教學(xué)模式

湖北文理學(xué)院是襄陽市唯一一所地方本科院校，電子專業(yè)建設(shè)要服務(wù)襄陽市電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展.根據(jù)襄陽市的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，電子專業(yè)培養(yǎng)具有工程意識、工程實踐能力的電子工程師，為襄陽市電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供人才支撐.因此必須探索新的教學(xué)方法，貼近工程實際，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力.

數(shù)字信號處理課程主要講解信號及系統(tǒng)譜分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法、有限長和無限長數(shù)字的濾波器設(shè)計方法，是電子專業(yè)的核心課程，涉及的內(nèi)容理論性極強，相對枯燥，自學(xué)困難；同時該課程又具有廣泛的工程應(yīng)用，利用MATLAB、FPGA、DSP技術(shù)等可以實現(xiàn)其算法的仿真與硬件實現(xiàn).按照工程項目的需求，建立課程群，以工業(yè)應(yīng)用項目引導(dǎo)、理論聯(lián)系實際、提升電子專業(yè)理論水平和技能.具體做法是：在電子專業(yè)三年級組建 “數(shù)字信號處理”課程群：以“數(shù)字信號處理”課程為中心；引入工程項目，分解為案例.利用案例講述理論、以及MATLAB、FPGA和DSP技術(shù)，解決工程實際問題.

1　　課程群融合過程中多種教學(xué)模式應(yīng)用

“數(shù)字信號處理”理論性很強，時域信號采樣、傅里葉變換、離散傅立葉變換概念是重點也是難點，必須讓學(xué)生深入理解概念；FFT、FIR、IIR是工程應(yīng)用熱點課題，必須讓學(xué)生在理解概念的基礎(chǔ)上學(xué)會初步前沿的工程開發(fā)，為課程群中實踐性課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).實施以下教學(xué)方式，對理論知識點采用課堂研究性教學(xué)方法、對應(yīng)用性知識采用理論聯(lián)系實際的項目式教學(xué)方法.

1.1課堂研究性教學(xué)方法

研究性教學(xué)方法應(yīng)用到《數(shù)字信號處理》中可有效改善課堂上沉悶枯燥的教學(xué)氣氛.

案例1：時域信號采樣理解.數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，時域采樣定理給出了AD芯片的選擇原則.但若x(t)的采樣頻率為Fs，則x(3t)的采樣頻率是什么？

利用MATLAB編程［1-2］，得信號頻譜如圖1所示.

案例2：離散傅立葉變換（DFT）的理解.DFT概念是知識要點，又是講解難點.講解之前提問：

（1）為什么信號在時域、頻域幅度都需要“離散化”？

（2）離散化結(jié)果對利用計算機的數(shù)值計算方法，分析信號的作用？

（3）在實際處理信號時我們獲得的信號往往是長度為T的連續(xù)信號，它既不是周期信號也非離散信號，DFT能否分析實際連續(xù)信號的頻譜呢？

（4）若能又該如何實現(xiàn)呢？

為了能幫助學(xué)生們更透徹地理解DFT定義，課程組老師們查閱參考書［3］，補充了DFT的圖形推導(dǎo)原理圖，結(jié)合提出的問題改善講課效果.

圖1　x(t)和x(3t)的時域波形、幅頻特性

顯然：時域信號x(t)→x(3t)，在時域t軸上壓縮，在頻域f軸上擴展.因此需要重新選擇AD芯片，采樣頻率應(yīng)當(dāng)為3Fs.

1.2根據(jù)項目開發(fā)，講解數(shù)字濾波器設(shè)計及其硬件實現(xiàn)

MATLAB可以實現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)計與仿真，F(xiàn)PGA(VHDL、DSP Builder)、DSP（CCS）能夠用硬件實現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法［3-5］.

FPGA(DSP Builder)：實現(xiàn)時，DSP Builder為MATLAB的Simulink工具箱，調(diào)用其相關(guān)模塊即可完成設(shè)計，下載到FPGA即可完成FPGA硬件實現(xiàn).

DSP（CCS）：使用MATLAB圖形工具，設(shè)計濾波器系數(shù)，再連接 MATLAB的三個模塊模型：Embedded Coder，Simulink/Stateflow與DSP System Toolbox.MATLAB自動生成代碼，由于MATLAB與CCS無縫連接，代碼可以直接加載給CCS，進行調(diào)試.

案例3：用FPGA和DSP，實現(xiàn)低通FIR.

濾波器參數(shù)指標(biāo)：通帶截止頻率2 kHz，通帶衰減小于2 db；阻帶衰減大于60 db，采樣頻率8 kHz，Kaiser窗.

Step1:使用MATLAB設(shè)計濾波器

FIR低通濾波器設(shè)計：利用MATLAB濾波器函數(shù)編程，或在命令窗口輸入：FDATOOL，輸入?yún)?shù)，得到最小階數(shù)為16階的濾波器系數(shù)h(n).也可自己設(shè)置大于16的階數(shù)［4］，得到h(n).

Step2：FPGA(VHDL)實現(xiàn)FIR低通濾波器

把h(n)轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)，VHDL語言編程來實現(xiàn)FIR低通濾波器，編譯仿真，由圖2仿真結(jié)果可知設(shè)計符合要求.

圖2　FIR低通濾波器VHDL仿真結(jié)果

Step3：利用DSP Builder實現(xiàn)

在MATLAB的Simulink中建立MDL模型文件，調(diào)用ALTERA DSP Builder工具箱中的Delay模塊和Product模塊以及Parallel Adder Subtractor模塊，完成16階FIR低通濾波器模型設(shè)計，在Simulink中對模型進行仿真.

輸入信號：采用正弦信號源，2個頻率混疊.300 Hz，3 000 Hz.Simulink仿真：信號經(jīng)過低通FIR之后，300 Hz的不變，3 000 Hz的被濾除，說明設(shè)計符合要求.將上述滿足設(shè)計要求的濾波器轉(zhuǎn)換成VHDL語言，下載到FPGA器件中，即可用硬件FPGA實現(xiàn).

Step4:DSP技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字濾波器

使用TI公司開發(fā)DSP的軟件CCS，設(shè)置為軟件仿真環(huán)境，將前面MATLAB設(shè)計的h(n)，作為已知的FIR濾波器系數(shù)得到差分方程，C語言編程實現(xiàn).運行過程如圖3、4、5所示.

圖3　　輸入信號的時域波形、幅頻特性曲線

濾波器的輸入信號為混疊波形，其時域和頻域的波形如圖3所示，可以看出混疊波形有一個高頻信號和一個低頻信號組成，低頻信號幅度為90，高頻信號幅度為25.濾波器的時域波形、幅頻特性曲線的波形如圖4所示.

圖4　DSP濾波器的時域波形、幅頻特性曲線

輸入信號經(jīng)過低通有限長濾波器后，得到輸出信號.輸出信號的時域和頻域的波形如圖5所示.可知輸入信號由一個高頻信號和一個低頻信號組成，經(jīng)過低通濾波器后，高頻信號被衰減，幅度為5；低頻信號保留，幅度為107.

圖5　DSP濾波器的輸出信號時域波形、幅頻特性曲線

2.3工業(yè)實際案例

案例4：IIR和FIR兩種數(shù)字濾波器設(shè)計學(xué)完后，針對工程實踐中常遇到的情況，引導(dǎo)學(xué)生提出了如下問題：在白噪聲環(huán)境下，若有強電產(chǎn)生的工頻干擾噪聲，以50 Hz、100 Hz、150 Hz作為工頻干擾頻率，假設(shè)有用信號頻率為75 Hz、120 Hz的單頻信號，在這種情況下如何有效提取有用信號？要求計算卷積時，要用前面章節(jié)中學(xué)過的以圓周卷積代替線性卷積的方法進行編程，達到對以前知識點的融會貫通.該問題的解決重點是讓學(xué)生能夠自己開動腦筋，利用MATLAB設(shè)計一個多通帶多阻帶的FIR濾波器，并采用FFT內(nèi)容實現(xiàn)快速卷積.該問題不僅鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維，還激發(fā)他們解決實際問題的信心和興趣.

針對工業(yè)中常見的工頻干擾問題，開展的設(shè)計性實驗典型數(shù)據(jù)如圖6所示，其中含較強的白噪聲.利用梳狀濾波器，濾除工頻干擾.具體設(shè)計、濾波如圖7、8所示.

圖6　　含工頻及白噪聲的75、120 Hz信號及頻譜

圖7　　梳狀濾波器幅頻特性　

圖8　過濾后75、120 Hz信號頻譜

討論：50 Hz、100 Hz、150 Hz工頻干擾被過濾，但是可以看到：濾波器由直接Ⅰ結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，性能指標(biāo)有較大誤差.進一步思考：①為了降低誤差，如何采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)？②定量討論參數(shù)字長對性能指標(biāo)的影響.③心電監(jiān)護系統(tǒng)中，信號頻率0.5~100 Hz，存在工頻干擾，如何處理？

2　　結(jié)語

根據(jù)電子專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，研究了“數(shù)字信號處理”課程群課程融合，針對理論和應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容實施多種教學(xué)模式.教學(xué)過程中,根據(jù)工程項目開發(fā)，“數(shù)字信號處理”為設(shè)計的理論，MATLAB進行設(shè)計仿真、FPGA和DSP硬件實現(xiàn)，解決學(xué)生理論聯(lián)系實踐問題，有益于電子專業(yè)學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)、應(yīng)用能力提高.

參考文獻：

［1］劉順蘭，吳杰.數(shù)字信號處理［M］.2版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

［2］張磊，畢靖，郭蓮英.MATLAB實用教程［M］.北京:人民郵電出版社,2008.

［3］廉玉欣，李琰，王猛，等.“高級電子技術(shù)綜合實驗”課程的建設(shè)與實踐［J］.中國電力教育.2012(21):20-23.

［4］吳杰.卓越工程師“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學(xué)探索［J］.中國電力教育.2014(8):78-79.

［5］蔣小燕.MATLAB/FPGA/DSP Builder在《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.軟件導(dǎo)論,2013,12(4):197-199.

（責(zé)任編輯：李婉）

中圖分類號：G434

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）08-0091-04

［收稿日期］2015-05-16

［基金項目］2012年湖北省教研項目（2012362）；2015年湖北省普通高校戰(zhàn)略性新興（支柱）產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃項目（鄂教高函（2014）28號）.

［作者簡介］張靜（1967-），女，湖北襄陽人，湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院教授，碩士；研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計和信息處理.

Research of Digital Signal Processing Teaching Based on Merging Curriculum Group——A Case Study of HuBei University of Arts and Science

ZHANG Jing
（School of Physics Electioneering,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,Hubei,China）

Abstract:In accordance with the requirements of electronic professional applied talents training,the merging of digital signal processing course curriculum integration was researched,to implement a variety of teaching mode for the theory and application of teaching content.According to the engineering project development,Digital Signal Processing for the theoretical design,MATLAB design simulation,FPGA and DSP hardware implementation, solved the problem of integrating theory with practice,which were good for electronics engineering students quality training with proficiency improved.

Key words:digital signal processing;curriculum group of fusion;a variety of teaching mode