新工科背景下數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法探討

韓建 牟海維 姜曉嵐 呂秀麗 邢志方

摘要：數(shù)字信號(hào)處理是電子信息類專業(yè)的主干課程之一，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁和紐帶，是實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程。為適應(yīng)新工科對(duì)電子信息人才培養(yǎng)需求，針對(duì)本課程工程性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)該課程的教學(xué)方法進(jìn)行探索和實(shí)踐。采用語音信號(hào)為處理對(duì)象，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行頻率變換和數(shù)字濾波處理，涵蓋了本課程主要知識(shí)點(diǎn)，提升了學(xué)生工程實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，在教學(xué)中取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：信號(hào)處理;新工科;頻譜分析;濾波器設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）11-0185-02

一、引言

數(shù)字信號(hào)處理需要牢固掌握離散時(shí)間信號(hào)的z變換、離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，熟練地進(jìn)行信號(hào)頻域分析，能夠完成兩種數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理課程既有完整的理論體系，又與各種新技術(shù)及應(yīng)用密切相關(guān)的特點(diǎn)，從工程實(shí)踐視角重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，利用仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，重視課程互動(dòng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)和項(xiàng)目案例教學(xué)融合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革探討[1，2]。本文以學(xué)生錄制本人語音信號(hào)為對(duì)象，貫穿整個(gè)數(shù)字信號(hào)教學(xué)過程當(dāng)中，如信號(hào)頻域變換和分析、對(duì)比語音信號(hào)經(jīng)過濾波器前后變化，學(xué)生參與教學(xué)當(dāng)中，既能提升學(xué)習(xí)興趣，也能加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解，提升工程意識(shí)和思維能力[4-6]。

二、教學(xué)方法

教師是教學(xué)主體，學(xué)生是教學(xué)中心，新工科背景下的數(shù)字信號(hào)處理課程改革，以目標(biāo)為導(dǎo)向，采用互動(dòng)式教學(xué)講解基本理論和基本分析方法，采用實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目結(jié)合方式進(jìn)行示例教學(xué)模式，整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理過程以語音信號(hào)為對(duì)象，貫穿信號(hào)頻率變換和濾波器處理整個(gè)過程。涉及教學(xué)過程如圖1所示。

三、語音信號(hào)獲取

利用MATLAB進(jìn)行學(xué)生本人語音信號(hào)采集和存儲(chǔ)，采用R=audiorecoder（8000，16，1），設(shè)定計(jì)算機(jī)聲卡采集參數(shù)，本例設(shè)定采樣率8000Hz、16bits存儲(chǔ)、單聲道模式。Pause（8）采樣時(shí)間設(shè)定8s。

voice=getaudiodata（8000，16，1），進(jìn)一步得到錄制的音頻信號(hào)，賦值為變量voice。

語音信號(hào)以設(shè)定播放和存儲(chǔ)功能，通過聲卡錄制的語音波形如圖2所示。

四、頻譜變換和濾波器設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理課程知識(shí)點(diǎn)多，內(nèi)容繁雜，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定畏懼心理，教師在教學(xué)過程中一定要化繁為簡，從頂層開始逐步分析，首先數(shù)字信號(hào)處理內(nèi)容主要分為兩個(gè)方面，第一個(gè)方面為時(shí)域信號(hào)計(jì)算和頻譜變換分析，主要知識(shí)點(diǎn)為信號(hào)離散傅里葉變換，變換真正的為公式（1）所示。

本公式和現(xiàn)行數(shù)字信號(hào)處理教材有一定區(qū)別，主要為逆變換公式前面的系數(shù)1/N挪到正變換前，符合工程實(shí)際信號(hào)，同時(shí)注意變換時(shí)能量守恒，并且頻譜沒有負(fù)值，所以在乘以2倍，這樣得到的是信號(hào)真實(shí)峰值，所以及MATLAB計(jì)算FFT時(shí)幅度譜要乘以2/N原因，頻譜幅度對(duì)應(yīng)信號(hào)真實(shí)的峰值。用頻率為橫坐標(biāo)，縱軸為頻譜賦值即為時(shí)域信號(hào)峰值。原始語音信號(hào)圖2變換后得到幅度譜如圖3所示。

數(shù)字信號(hào)處理第二個(gè)方面為濾波器設(shè)計(jì)，主要包括IIR型和FIR型兩種濾波器類型。以往在實(shí)驗(yàn)過程中重視濾波器本身參數(shù)設(shè)計(jì)，分析濾波器幅頻特性和相頻特性，但是對(duì)學(xué)生而然難于理解。本文介紹如何語音信號(hào)通過設(shè)計(jì)好的低通濾波器后，對(duì)比聲音效果，這樣現(xiàn)象明顯，理解深刻。利用fdesign.lowpass函數(shù)設(shè)定濾波器參數(shù)，計(jì)一個(gè)采樣頻率8000Hz的低通濾波器，通帶截止頻率1200Hz，阻帶截止頻率1400Hz，通帶衰減最大3dB，阻帶衰減最小30dB，為IIR型濾波器，采用Filter函數(shù)數(shù)字濾波器過程實(shí)現(xiàn)。也可以利用FDATool工具箱得到濾波器系數(shù)，通過編寫對(duì)應(yīng)差分方程進(jìn)行濾波處理。理解采樣頻率概念，給出頻域信號(hào)幅度和頻率坐標(biāo)。

語音信號(hào)經(jīng)過低通濾波器的時(shí)域信號(hào)波形如圖4所示，濾波后語音信號(hào)對(duì)應(yīng)頻譜如圖5所示，對(duì)比信號(hào)濾波處理前后，并且通過揚(yáng)聲器回放聲音，可以反復(fù)設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)，可以聽到聲音信號(hào)明顯有所區(qū)別。

五、結(jié)論

為了新工科建設(shè)對(duì)課程改革要求，數(shù)字信號(hào)處理結(jié)合自身特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，把案例式教學(xué)一直融入到教學(xué)中來，理論和實(shí)踐并存，通過每個(gè)學(xué)生錄制自己的語音信號(hào)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，提升工程實(shí)踐能力，深刻理解和掌握理論如何應(yīng)用到實(shí)踐中去，通過信號(hào)實(shí)例教學(xué)，工程問題理解深刻，明白了必須知道采樣頻率量綱，才能標(biāo)定后續(xù)參數(shù)，深刻理解頻率幅度物理概念等關(guān)鍵問題，為創(chuàng)新型卓越工程人才提供必要支撐。

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Discussion on Teaching Method of Digital Signal Processing Course under New Engineering Background

HAN Jian， MOU Hai-wei， JIANG Xiao-lan， LU Xiu-li， XING Zhi-fang

（School of Electronic Science， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318，China）

Abstract：Digital signal processing is one of the main courses of electronic information specialty. It is a bridge and link between theory and practice， and it is a practical professional course. In order to meet the needs of the training of electronic information talents in the new engineering subject， the teaching methods of this course are explored and practiced according to the strong engineering characteristics of this course. Using the speech signal as the processing object， the speech signal is processed by frequency conversion and digital filtering， which covers the main knowledge points of this course， improves the students' practical ability of engineering and the consciousness of innovation， and achieves good results in teaching.

Key words：signal processing; new engineering; spectrum analysis; filter design