項目驅(qū)動教學(xué)法在《數(shù)字信號處理技術(shù)》課程中的應(yīng)用

丁文飛 孫會楠 趙建新

摘 要：針對《數(shù)字信號處理技術(shù)》課程內(nèi)容復(fù)雜，公式和性質(zhì)較多，與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密等原因?qū)е聜鹘y(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)效果較差的問題，提出將項目驅(qū)動式教學(xué)法應(yīng)用于課程教學(xué)。通過對語音信號進行數(shù)字化、時域頻域分析、加噪及除噪作為項目任務(wù)，完成離散序列時域頻域分析、序列運算及濾波器設(shè)計等相關(guān)章節(jié)授課。語音信號取自個人的錄音，形象、生動，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進行實施過程中發(fā)現(xiàn)缺課率明顯下降，教學(xué)效果明顯提高，有待進一步推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；語音信號；項目驅(qū)動教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）17-0095-03

Abstract： Because the course content of digital signal processing technology is complex， the formula and character are considerable， and this course is closely related to mathematics， the teaching effect of traditional teaching mode is poor. Then this paper puts forward that the project-driven teaching method be applied to the course teaching. The teaching of discrete sequence time domain frequency， sequence operation and filter design and other related sections are completed through the digitization of voice signals， analysis of time domain frequency， taking noise and noise reduction as a project task. Speech signal taken from the individual recording is vivid and simulate students' learning interest. In the implementation process， the absenteeism rate is found to decline markedly， teaching result is improved， and it is worthwhile applying and spreading.

Keywords： digital Signal Processing（DSP）； voice signal； project driven teaching

一、概述

數(shù)字信號處理技術(shù)從60年代后期誕生到現(xiàn)在，從最初應(yīng)用于語音信號處理到應(yīng)用于現(xiàn)代的軍用及民用技術(shù)工程領(lǐng)域，例如航空航天工程、生物醫(yī)學(xué)工程、地球物理工程、通信工程、雷達工程、圖形圖象識別工程等[1]。教師在《數(shù)字信號處理技術(shù)》的講授過程中，通過MATLAB軟件進行輔助教學(xué)，但仍有70%的學(xué)生認(rèn)為該門課程概念抽象太多、難度偏大、內(nèi)容較為繁雜，尤其是涉及到大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，感覺很枯燥，即使配套做一些仿真實驗，也由于與實際生產(chǎn)應(yīng)用相距甚遠，看不到該課程的應(yīng)用前景而產(chǎn)生厭學(xué)情緒，教學(xué)效果一般。

結(jié)合實際教學(xué)經(jīng)驗，借助已有MATLAB軟件的一些研究背景，本文探討采用項目驅(qū)動式教學(xué)法，設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)、與實際生活貼切的實際項目，學(xué)生在項目所涉及到基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，通過自主完成項目實現(xiàn)由被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，改善課堂教學(xué)枯燥，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與求知欲，實踐證明教學(xué)效果大幅度提高。

二、教學(xué)實施過程——以語音信號為例

項目驅(qū)動式教學(xué)將教學(xué)任務(wù)分為制定計劃、實施計劃及教學(xué)效果評價三部分組成，其教學(xué)實施過程思路如圖1所示[2，3]。制定計劃主要由教師確定與該課程相關(guān)的工程應(yīng)用實例，將課程知識點細化成任務(wù)，并將任務(wù)與學(xué)生進行多次溝通，下達項目任務(wù)。實施計劃主要是學(xué)生收到任務(wù)后，帶著任務(wù)跟著教師學(xué)習(xí)相關(guān)理論內(nèi)容，同時查閱資料分析任務(wù)，最終在教師的指導(dǎo)下，提出任務(wù)的解決方案。最后根據(jù)任務(wù)的完成情況評價總結(jié)教學(xué)效果，反饋不足以進一步提出整改措施。

（一）制定計劃

首先確定項目選題，所選課題以結(jié)合教學(xué)大綱要求，學(xué)生所熟悉的應(yīng)用作為背景，滿足化虛為實、貼近生活、生產(chǎn)實踐、難度適中及覆蓋面廣為依據(jù)，選取作為數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用中的一個重要分支的語音信號定為該課程項目驅(qū)動教學(xué)應(yīng)用實例，既具有明確的時域頻域物理意義，又易于獲取，且應(yīng)用也較為廣泛，例如模式識別、智能手表、智能銀行等。

（二）實施計劃

采用的聲音文件為Windows操作系統(tǒng)自帶的錄音機軟件錄入的wav格式，男聲文件或女聲文件不限，進行數(shù)字信號處理技術(shù)課程中的模擬信號數(shù)字化及序列運算、離散信號傅里葉變換、數(shù)字濾波器的設(shè)計等三章內(nèi)容的學(xué)習(xí)[3]。

1. 語音信號時域及頻域分析

通過聲卡進行語音錄音，利用MATLAB軟件讀取語音文件，利用函數(shù)[y，fs，nbits]=wavread（'C：＼yuyin.wav'）對語音信號進行采樣，并返回采樣頻率及采樣點數(shù)。接著以采樣頻率和采樣點數(shù)的概念作為引導(dǎo)，通過《連續(xù)時間信號的抽樣》的內(nèi)容理論講解及MATLAB仿真驗證，得到采樣定理（即奈奎斯特定理），一般實際應(yīng)用中采樣頻率是最高頻率的5-10倍[4]。

圖2是一段語音信號在采樣頻率為44.1kHz的時域波形圖，從圖中可以看出，語音信號具有“短時性”的特點，且在一段較短的時間間隔內(nèi)，語音信號保持平穩(wěn)。接著對語音信號進行頻譜分析，在MATLAB中可以利用fy=fft（y，N+1）函數(shù)對語音信號進行快速傅里葉變換，得到離散語音信號的頻域圖如圖3所示。從頻譜圖中可以看出，這段語音信號的頻率主要集中在2.5kHz左右，當(dāng)采樣頻率為44.1kHz 時，由于采樣頻率比較大，采樣點數(shù)越密，故所得離散信號就越逼近于原信號頻譜，也沒有發(fā)生混疊。

通過語音信號頻譜分析，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么進行頻譜分析，以及FFT變換的基本原理是什么？即引出DFT及FFT等章節(jié)內(nèi)容，可以完成以下知識點的教學(xué)：

（1）DFT變換的基本原理及性質(zhì)。

（2）FFT是DFT變換的快速算法。

（3）FFT變換的基本原理及算法蝶形圖。

2. 帶有噪聲的語音信號分析

在原始語音信號的基礎(chǔ)上人為混入隨機噪聲，可引導(dǎo)學(xué)生思考如何完成語音信號添加噪聲過程，即引入離散序列運算的教學(xué)內(nèi)容。即教學(xué)任務(wù)為：在MATLAB中人為設(shè)計一固定頻率2kHz的噪聲干擾信號，該干擾信號用余弦序列代替，加入到離散語音信號中去，觀察時域及頻域變化情況。

噪聲信號函數(shù)為d（n）=[10*cos（2*pi*2000*n）]，語音信號函數(shù)為y（n），則語音信號與噪聲信號的算術(shù)運算主要有加、減、乘等，其運算法則相同，即同序號的序列值逐項對應(yīng)相加、減、乘而構(gòu)成一個新序列。這里主要討論加法運算，即y1（n）=y（n）+d（n）。圖4為噪聲信號頻域波形圖，圖5為加噪聲前后語音信號的頻譜圖。

由圖3可以看出引入噪聲的最高幅值較小，故圖5中加噪聲前后頻譜圖的對比變化不大，但通過音頻回放，可以明顯聽出有尖銳的單頻嘯叫聲混雜在語音信號中。通過上述教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生比較直觀理解序列的加法運算，并還可以進一步完成以下知識點的教學(xué)：

（1）序列的乘法運算。

（2）序列的移位、反折、尺度變換等自變量運算。

（3）強化FFT的應(yīng)用。

3. 數(shù)字濾波器的設(shè)計

上述在原始語音信號的基礎(chǔ)上混入隨機噪聲，接著引入下一個教學(xué)任務(wù)，即設(shè)計合適的數(shù)字濾波器，濾除隨機噪聲，從而引出“數(shù)字濾波器設(shè)計”章節(jié)內(nèi)容。即本次設(shè)計任務(wù)：通過雙線性變換法設(shè)計合適的巴特沃斯低通濾波器，將語音信號中的噪聲濾除，要求學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)教材第6章、第7章的教學(xué)內(nèi)容，具體完成以下知識點的教學(xué)：

（1）濾波器的概念、種類、步驟。

（2）模擬巴特沃斯、切貝雪夫、橢圓型IIR濾波器設(shè)計方法。

（3）通過沖激響應(yīng)不變法及雙線性變換法如何實現(xiàn)模擬濾波器向數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換。

（4）窗函數(shù)法FIR濾波器的設(shè)計方法。

（5）數(shù)字低通濾波器在語音信號處理中的應(yīng)用。

依托理論學(xué)習(xí)，學(xué)生分組獨立完成設(shè)計任務(wù)，為將2kHz高頻噪聲信號濾除，設(shè)計濾波器的參數(shù)如下：通帶截止頻率wp=0.25*pi，通帶最大衰減Rp=1，阻帶截止頻率ws=0.3*pi，阻帶最小衰減Rs=15。具體設(shè)計過程由MATLAB實現(xiàn)[5]。

該濾波器的頻率響應(yīng)圖如圖6所示，從圖中可以看出，該濾波器將大于等于2kHz的高頻信號將濾除，通過低通濾波器（圖6）后，再通過MATLAB中語音回放函數(shù)將濾波前后的信號進行播放，明顯發(fā)現(xiàn)濾波器濾波后語音信號質(zhì)量提升很多，但仍存在雜聲。

4. 擴展任務(wù)

由圖6及語音回放可得，通過低通濾波器濾除2kHz高頻干擾，并不是理想的解決方案，原因在于在濾除噪聲的同時，也濾除了語音信號2kHz以上的高頻分量，造成信號畸變。針對該問題，可引導(dǎo)學(xué)生提出以下三種解決方案：

（1）設(shè)計僅濾除2kHz附近頻率分量的帶通濾波器，以避免丟失語音信號高頻分量。

（2）從圖4可以看出除了在2kHz以外，在2kHz成倍數(shù)關(guān)系的頻率處，也有可能出現(xiàn)諧波干擾，因此需考慮設(shè)計同時濾除單頻干擾的基波分量與各諧波分量的數(shù)字陷波器。

（3）關(guān)于系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致頻率出現(xiàn)波動（±3%），此時考慮設(shè)計自適應(yīng)濾波來解決。

對于以上三點解決方案，可以作為學(xué)生擴展任務(wù)，留給學(xué)生討論，以提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

（三）教學(xué)成果評價

對于項目驅(qū)動式教學(xué)，考查注重的是過程而不是結(jié)果，將總成績分為試卷考試成績、項目教學(xué)部分和平時成績?nèi)糠?。試卷成績主要體現(xiàn)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況，占總成績的30%，項目教學(xué)部分主要考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識靈活運用情況及自身實踐動手能力，占總成績的50%，平時成績主要考查平時出勤、課堂表現(xiàn)和作業(yè)等，占總成績的20%。

在三部分考查內(nèi)容中，其中項目教學(xué)部分占比例比較大，引起學(xué)生的足夠重視。為了做到公平，這部分評價采取教師評價、組內(nèi)評價和自我評價相結(jié)合的方式，按照其在項目完成過程中的貢獻并在小組整體評價的基礎(chǔ)上酌情增減。另外，評價結(jié)果也為下一次的項目教學(xué)整改提供依據(jù)，形成一個閉環(huán)教學(xué)體系。

三、實施效果

在通過一輪語音信號處理為實例進行驅(qū)動式教學(xué)過程中，取得了很好的教學(xué)效果，現(xiàn)總結(jié)如下：

1. 實現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)觀念的轉(zhuǎn)變。由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變到“我要學(xué)”，激起學(xué)生求知欲望，不斷地獲得成就感，從而提高獨立探索和勇于開拓進取的自學(xué)能力。

2. 真正體現(xiàn)課堂與實際應(yīng)用銜接。學(xué)生深切體會到了理論的實際應(yīng)用，及其迫切解決實際應(yīng)用的需求，促進了學(xué)生課堂聽講的積極性，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3. 學(xué)生最終評價更加合理準(zhǔn)確。采用“自評互評師評”方式，既能體現(xiàn)每位同學(xué)的貢獻，又能突出實際動手能力的重要性，還對交流能力、表達能力、團隊協(xié)作精神的培養(yǎng)有著良好的促進效果。

4. 教師的教學(xué)科研能力得到提升。教師從選題背景、項目設(shè)計、知識點的蘊含與組織，到項目指導(dǎo)、學(xué)生評價等各方面都需大量的知識準(zhǔn)備，另外，在指導(dǎo)學(xué)生完成項目任務(wù)的同時，教師自身的工程實踐能力和科研開發(fā)能力也得到鍛煉和提高。

四、結(jié)束語

本文以語音信號分析為工程應(yīng)用實例，探討了項目驅(qū)動式教學(xué)在數(shù)字信號處理技術(shù)課程教學(xué)過程的應(yīng)用，使學(xué)生在項目任務(wù)引導(dǎo)下，由被動變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)所需知識點，按照設(shè)計要求不斷提出問題、分析問題，確定設(shè)想及思路解決問題，為學(xué)生提供自由的發(fā)揮空間，提高學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識的能力，最后每位學(xué)生通過綜合評價體系獲得公平、合理的評價結(jié)果。此教學(xué)方法在我校通信工程專業(yè)已開展一輪，教學(xué)效果明顯提高，在其他理論課程，尤其是實踐類課程的教學(xué)改革中具有一定的推廣借鑒價值。

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