大學(xué)生融合EDA提升數(shù)字信號處理課程學(xué)習(xí)質(zhì)量的研究

李定樣，殷世民，方成，梁永波，陳真誠

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林)

一 引言

生物醫(yī)學(xué)工程是一門相對于其他專業(yè)來說交叉性、綜合性較強(qiáng)的新興工科學(xué)科[1,2]，融合了多學(xué)科的理論、專業(yè)知識，從各方面對人體的病理和生理情況進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了對人類疾病從預(yù)防到診斷再到治療和康復(fù)這一過程的監(jiān)測，培養(yǎng)具有扎實(shí)的電子技術(shù)、計算機(jī)知識、醫(yī)學(xué)知識的能夠在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域從事科研、教學(xué)、管理工作的高文化、高素質(zhì)、高水平的復(fù)合型人才。

數(shù)字信號處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是今后學(xué)生為了從事醫(yī)療電子儀器設(shè)計、醫(yī)學(xué)信號處理、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)課程，學(xué)生對該課程專業(yè)知識的掌握好壞對后續(xù)的工程實(shí)踐能力具有非常重要的影響，因而有效提高該課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量，對提高生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生工程素養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-5]。

數(shù)字信號處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，為了有效提高該課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量，輔之于EDA技術(shù)，能夠更好地讓大學(xué)生深刻地掌握所學(xué)到的理論知識，并將其運(yùn)用到相關(guān)的工程項目當(dāng)中去。大學(xué)生對EDA與數(shù)字信號兩門課程融合處理能力地提高，將會對今后的實(shí)踐產(chǎn)生很高的現(xiàn)實(shí)價值，因而需要有效地提高大學(xué)生融合EDA與數(shù)字信號的融合處理能力，進(jìn)一步大幅度地保證課程的教學(xué)研究質(zhì)量。

目前，大多數(shù)學(xué)生對于EDA技術(shù)和數(shù)字信號處理這兩門課程都能掌握一定的理論知識和實(shí)驗經(jīng)驗，并且能夠獨(dú)立地運(yùn)用每門課程的技能方法去解決一些對應(yīng)課程的工程項目問題。但是如何能夠?qū)烧呓Y(jié)合起來綜合運(yùn)用于工程項目背景當(dāng)中的能力還是有很大提升空間。高校人才培養(yǎng)注重于多方面的能力而不是單一課程的運(yùn)用能力，在解決實(shí)際工程項目中，大多數(shù)的項目解決方案往往采用全方位、多方面、多學(xué)科知識和技術(shù)手段相互融合，才能夠有效的解決實(shí)際項目的問題。為此為了能夠有效的提高大學(xué)生融合EDA與數(shù)字信號處理的能力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，為了改進(jìn)融合EDA與數(shù)字信號處理融合能力的課程教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的綜合能力，針對上述教學(xué)活動中存在的問題，本文從EDA技術(shù)基本方法、數(shù)字信號處理基本方法、EDA與數(shù)字信號處理相融合的教學(xué)這三個角度進(jìn)行了探索。

二 EDA技術(shù)基本方法

EDA( Electronic Design Automation) 電子設(shè)計自動化技術(shù)是指依托于計算機(jī)為工作平臺的，用計算機(jī)輔助電子系統(tǒng)來進(jìn)行相關(guān)電路的設(shè)計以及相應(yīng)配置的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了電子系統(tǒng)設(shè)計的全自動化和智能化，有效的解決了在電路設(shè)計方面存在的一些缺點(diǎn)[6]。

EAD技術(shù)設(shè)計思路如下所述：

（1）對輸入端進(jìn)行設(shè)計。一個完整的工程項目設(shè)計可由單個或多個的原理圖文件、混合輸入文件、VHDL 文本文件等組成。

（2）對所編寫的程序代碼進(jìn)行綜合。將用 Verilog HDL 語言編寫代碼軟件轉(zhuǎn)化為硬件電路是進(jìn)行軟件綜合的重要一步，為了使得兩者進(jìn)行相互聯(lián)系，利用 QuartusII 軟件的綜合器進(jìn)行完成綜合。通過邏輯關(guān)系設(shè)計出來的邏輯電路圖可以利用QuartusII軟件自帶的邏輯綜合和優(yōu)化功能將其自動的轉(zhuǎn)換成與其相對應(yīng)的門電路，同時還能自動生成一一對應(yīng)的時序分析文件與網(wǎng)表文件。

（3）進(jìn)行合理的布線設(shè)計。完成（2）步驟后對所得到的網(wǎng)表文件使用布局/布線適配器來對所設(shè)計的某一具體的元器件實(shí)施邏輯映射的操作，通過映射操作可以將（包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布線等操作）放入目標(biāo)器件中。

（4）進(jìn)行仿真功能。仿真功能是EDA設(shè)計當(dāng)中尤為關(guān)鍵的一個步驟，在下載編程前，使用QuartusII軟件對適配產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行模擬調(diào)試。時序仿真和功能仿真是EDA設(shè)計過程中利用QuartusII軟件產(chǎn)生的兩個不同功能的仿真結(jié)果。其中，時序仿真是對相對應(yīng)的元器件的硬件特性進(jìn)行了具體且詳細(xì)的表達(dá)，并根據(jù)適配器產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進(jìn)行仿真，仿真程度較高，且最接近于元器件運(yùn)行的真實(shí)狀況。功能仿真僅僅只對設(shè)計者所想要的表達(dá)的邏輯功能進(jìn)行仿真，不會考慮到硬件特性，并且能夠完全滿足設(shè)計者的需求。

（5）進(jìn)行編程程序下載功能。對所設(shè)計的相關(guān)電路、元器件進(jìn)行仿真驗證結(jié)束后，使用Byteblaster下載電纜線通過JTAG的方式將適配產(chǎn)生的配置文件下載至FPGA/CPLD器件內(nèi)[7]，有利于對硬件設(shè)施的調(diào)試與驗證。上述5個步驟完成后，將整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的測試，目的是為了能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，以便能夠及時解決。在本科教學(xué)當(dāng)中EDA的理論與實(shí)驗課程應(yīng)同步的與數(shù)字信號課程的理論與實(shí)驗課程同步進(jìn)行，教師在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)綜合地把兩門課程的知識點(diǎn)相互聯(lián)系起來，不僅能夠讓本科生在學(xué)習(xí)理論知識過程中了解到兩門課程之間的聯(lián)系，而且能夠有效地提高動手操作能力，為今后的實(shí)際工程項目進(jìn)行預(yù)熱。

三 數(shù)字信號處理基本方法

實(shí)際工程領(lǐng)域中，很多問題都會涉及到信號處理的問題，主要包括兩大類信號，一是模擬信號的處理，二是數(shù)字信號的處理。對于模擬信號的處理通過使用數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的步驟為：第一步將模擬信號經(jīng)過濾波、放大等技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，第二步利用模/數(shù)轉(zhuǎn)化器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將處理后得到的數(shù)字信號進(jìn)行目的性的處理，最后將經(jīng)過前兩個步驟處理好后的數(shù)字信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號。

在本科教學(xué)數(shù)字信號處理課程當(dāng)中，基本的數(shù)字信號處理方法主要包括線性時不變系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系、傅里葉變換、Z-變換、信號流圖結(jié)構(gòu)、IIR濾波器設(shè)計、FIR濾波器設(shè)計[7,8]等。

假設(shè)數(shù)字系統(tǒng)為線性時不變系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng)為h(n)，系統(tǒng)的輸入為x(n)、輸出為y(n)，則該數(shù)字系統(tǒng)輸出信號為系統(tǒng)輸入信號與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)之間的線性卷積，即：

式(1)中“*”表示線性卷積運(yùn)算。若x(n)的長度為M，h(n)的長度為N，則y(n)的長度為M+N-1。

同理可得：

式(2)中Y(k)、X(k)、H(k)分別為y(n)、x(n)、h(n)對應(yīng)的離散傅里葉變換；式(3)中Y(z)、X(z)、H(z)分別為y(n)、x(n)、h(n)對應(yīng)的Z-變換。H(k)或H(z)是數(shù)字系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。

數(shù)字信號處理的目的，就是設(shè)計滿足需要的H(z)，從而通過式(3)，將輸入信號X(z)變換為滿足需要的輸出信號Y(z)。同樣，這里H(z)也可以看成是濾波網(wǎng)絡(luò)，它可以表示為一個有理函數(shù)：

當(dāng)A(z)≠1，則H(z)為IIR（Infinite Impulse Response）系統(tǒng)，當(dāng)A(z)=1，則H(z)為FIR（Finite Impulse Response）系統(tǒng)。

四 融合EDA的數(shù)字信號處理學(xué)習(xí)

在IIR或FIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，包含延遲線z-1、加法器及乘法器三種基本運(yùn)算，學(xué)生首先要熟練掌握這三種基本運(yùn)算的EDA實(shí)現(xiàn)，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)H(z)的具體情況采用合適的結(jié)構(gòu)和算法予以實(shí)現(xiàn)。

（一） 三種基本運(yùn)算的EDA實(shí)現(xiàn)

延遲線z-1的作用就是使信號延遲一個時鐘周期，在VHDL語言編程當(dāng)中可以使用D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，通俗來說就是在時鐘上升沿階段將輸入信號傳輸?shù)捷敵鲂盘?，具體實(shí)現(xiàn)程序如下。

延遲線z-1產(chǎn)生的仿真結(jié)果如圖1所示：

由圖1可以知道，輸出信號q為輸入信號d的一個時鐘周期的延遲。

同樣，可以設(shè)計出VHDL語言的加法器：

這里設(shè)計的是有符號運(yùn)算的時序加法器。

同樣，在上述程序中，將y<= a + b改成y<= a*b，即可設(shè)計出有符號運(yùn)算的時序乘法器。

（二） 融合EDA的數(shù)字信號處理教學(xué)

在學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三種基本運(yùn)算的EDA設(shè)計之后，根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)H(z)的具體要求，要求學(xué)生利用EDA設(shè)計出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)和算法，以有效提高學(xué)生對數(shù)字信號處理課程的掌握。如在FIR數(shù)字濾波器的教學(xué)過程中，首先要求學(xué)生根據(jù)FIR濾波器的設(shè)計指標(biāo)利用MATLAB設(shè)計出相應(yīng)的濾波器系數(shù)，其次要求學(xué)生畫出FIR濾波器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)流圖，最后利用EDA技術(shù)對FIR濾波器結(jié)構(gòu)流圖進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。圖2與圖3為FIR濾波器設(shè)計的仿真結(jié)果。圖2為同幅度的50Hz與200Hz的兩個正弦信號疊加而成的原信號及其頻譜的MATLAB程序顯示。圖3為使用QuartusII軟件設(shè)計出的FIR濾波器后，其對原信號進(jìn)行濾波功能后得到的信號及其頻譜的MATLAB程序顯示，其實(shí)現(xiàn)的過程是將QuartusII仿真輸出的波形圖保存為*.tbl文件，之后利用MATLAB讀出相應(yīng)的信號并顯示。從圖2、圖3結(jié)果，可以看出基于EDA設(shè)計的FIR濾波器是正確的。

同樣地，在數(shù)字信號處理的教學(xué)過程中， 對IIR濾波、基于FFT的頻譜分析、卷積計算等也相應(yīng)地利用EDA進(jìn)行了有效實(shí)現(xiàn)，確實(shí)加強(qiáng)了學(xué)生對這些基本方法的掌握，大幅度的提高本科生將所學(xué)的數(shù)字信號處理理論知識融入到實(shí)際工程問題的能力。

（三） 融合EDA的數(shù)字信號處理教學(xué)改革

在數(shù)字信號處理的教學(xué)過程中，嘗試了融合EDA的教學(xué)改革，有效提高了學(xué)生對數(shù)字信號處理基本理論與方法的掌握，一定程度上提升了學(xué)生的實(shí)際動手操作能力。

（1）對數(shù)字信號處理關(guān)鍵算法及其硬件實(shí)現(xiàn)給學(xué)生講透，并將基于EDA的數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)理念貫穿于整個教學(xué)過程中。

（2）對于IIR濾波器、FIR濾波器、FFT、卷積等數(shù)字信號處理核心算法，給出其EDA實(shí)現(xiàn)的程序設(shè)計及其仿真結(jié)果。

（3）保留大部分基于MATLAB仿真的數(shù)字信號處理實(shí)驗，對部分?jǐn)?shù)字信號處理核心算法改為基于EDA設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

五 結(jié)束語

通過上述研究，在數(shù)字信號處理課程當(dāng)中大幅度地融入EDA技術(shù)課程，對大學(xué)生融合EDA與數(shù)字信號處理能力的提升起到關(guān)鍵作用。為高校培養(yǎng)復(fù)合型人才提供重要的保障，能過有效的提高大學(xué)生實(shí)際解決問題的能力，提升相應(yīng)的專業(yè)素養(yǎng)，為本科生在今后的實(shí)際工程項目中打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。