應(yīng)用型本科院校信號(hào)處理研究

石堅(jiān) 柳建 何勇

摘要：部分應(yīng)用型本科院校信號(hào)處理類課程存在著重軟件編程輕硬件設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，已經(jīng)無法適應(yīng)新工科背景下培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求。如何從信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)入手來進(jìn)行課程組織是取得改革成效的突破口。本文選取典型的信號(hào)處理類課程《DSP課程設(shè)計(jì)》為例，分別提出了幾種切實(shí)可行的方法，探討了課程理論和實(shí)踐的相輔相成性，強(qiáng)調(diào)了硬件實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要作用。本文的經(jīng)驗(yàn)和方法具有在應(yīng)用型本科院校工科專業(yè)推廣的價(jià)值及探討的意義。

關(guān)鍵詞：新工科;信號(hào)處理;課程改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0049-02

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)的本科院校包括以科研為辦學(xué)定位和以應(yīng)用型為辦學(xué)定位的兩類高校，后者在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新形勢(shì)下，必將前所未有地倡導(dǎo)課程改革，身處“IT”領(lǐng)域前沿的信號(hào)處理類課程是新工科背景下應(yīng)用型本科院校必然關(guān)注的重點(diǎn)。在強(qiáng)化實(shí)踐尚未在應(yīng)用型本科院校的師生中形成一致普遍理念的情況下，重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)狀就并未得到根本好轉(zhuǎn)，即便加重實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重，也可能只看重軟件編程而忽視硬件設(shè)計(jì)。誠(chéng)然，硬件設(shè)計(jì)需要更深入的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，需要千錘萬鑿的砥礪磨練，但應(yīng)用型本科院校是建設(shè)我國(guó)新工科的重要支柱，面對(duì)我國(guó)在IT領(lǐng)域?qū)Πl(fā)達(dá)國(guó)家仍處追趕的態(tài)勢(shì)，更應(yīng)以縮短差距、迎頭趕上為己任。尤其對(duì)于這類院校信號(hào)處理類課程的負(fù)責(zé)人而言，不能有畏難情緒且甘于落后，否則在新工科背景下培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才只會(huì)淪為空談。如此而言，應(yīng)用型本科院校信號(hào)處理類課程的改革可謂迫在眉睫。

信號(hào)處理類課程取得改革成效可以將信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)作為突破口。目前應(yīng)用型本科院校的信號(hào)處理類課程大都包含DSP技術(shù)，DSP即“數(shù)字信號(hào)處理器”的簡(jiǎn)稱，是用以實(shí)現(xiàn)“數(shù)字信號(hào)處理”算法的高速微型計(jì)算機(jī)器件，但受制于該技術(shù)對(duì)前續(xù)課程如《數(shù)字信號(hào)處理》和《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》等課程要求較高的特點(diǎn)，大學(xué)本科層次學(xué)生普遍感覺DSP技術(shù)課程的內(nèi)容枯燥、概念抽象，難以入門，因此部份應(yīng)用型本科院校把DSP技術(shù)相關(guān)課程作為選修課程，僅針對(duì)本科高年級(jí)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)比較精通的學(xué)生開設(shè)，這一定程度上降低了大學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求。應(yīng)用型本科院校的信號(hào)處理類課程不僅應(yīng)該包括DSP技術(shù)的基礎(chǔ)理論課程，也應(yīng)該包括DSP技術(shù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，同時(shí)還應(yīng)該繼續(xù)強(qiáng)化實(shí)踐，開設(shè)DSP技術(shù)的課程設(shè)計(jì)。

相比較于單片機(jī)技術(shù)的課程設(shè)計(jì)，DSP技術(shù)的課程設(shè)計(jì)也屬于微型計(jì)算機(jī)的綜合應(yīng)用實(shí)踐課程，但在課程組織上DSP技術(shù)的課程設(shè)計(jì)具有更高難度，原因有三：其一，DSP芯片比通用單片機(jī)芯片具有更為復(fù)雜的CPU結(jié)構(gòu)和更為豐富的片內(nèi)外設(shè)，其內(nèi)部資源的掌握難度比通用單片機(jī)要大得多;其二，學(xué)生在學(xué)習(xí)DSP的原理課程時(shí)，往往學(xué)不得法，過多將精力集中到匯編指令的分析和簡(jiǎn)單匯編程序的識(shí)讀上，缺乏宏觀把握，形成思維慣性，很容易帶到DSP技術(shù)的課程設(shè)計(jì)中;其三，目前國(guó)內(nèi)DSP技術(shù)的課程設(shè)計(jì)在課程內(nèi)容的設(shè)置上仍存有較大爭(zhēng)議，畢竟DSP技術(shù)綜合了硬件、軟件和算法三個(gè)門類的學(xué)科，課程重心是偏重于硬件、軟件還是算法，不同的學(xué)科專業(yè)在具體的課程組織上可能各有偏重，普遍來看還是更偏重于軟件和算法實(shí)現(xiàn)，其實(shí)還是因?yàn)閲?guó)內(nèi)大部分開設(shè)DSP技術(shù)相關(guān)課程的學(xué)校宥于自行設(shè)計(jì)DSP硬件系統(tǒng)具有難度的原因，從而避重就輕，課程內(nèi)容帶有明顯的“偏軟”特點(diǎn)，部分高校購(gòu)置昂貴的DSP實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)缺乏深入理解，裝置往往只是起到簡(jiǎn)單編程以驗(yàn)證仿真結(jié)果的作用，學(xué)生很難通過課程設(shè)計(jì)真正掌握DSP技術(shù)，部分學(xué)生可能會(huì)對(duì)這門實(shí)用技術(shù)產(chǎn)生畏難甚至厭惡情緒。

1 信號(hào)處理類課程改革的思路

1.1 調(diào)整課程內(nèi)容，增加系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

目前國(guó)內(nèi)信號(hào)處理類課程在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)其內(nèi)容設(shè)置偏向性明顯，一般教師布置數(shù)個(gè)比較綜合的設(shè)計(jì)題目交由學(xué)生選擇，然后根據(jù)具體的設(shè)計(jì)題目進(jìn)行方案制訂、算法分析、算法仿真、軟件編程、軟件仿真、硬件平臺(tái)驗(yàn)證，其內(nèi)容更象是在理論課程的基礎(chǔ)上加入了硬件驗(yàn)證環(huán)節(jié)，學(xué)生缺少對(duì)系統(tǒng)核心器件選型的分析和信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，無法透過現(xiàn)象看本質(zhì)。

即以DSP技術(shù)的課程設(shè)計(jì)為例，若按照傳統(tǒng)理念來安排課程內(nèi)容是無法深入DSP芯片的核心一窺端倪的，從人對(duì)求知事物的認(rèn)知角度來分析，這樣或許也能加深學(xué)生對(duì)算法的分析和運(yùn)用以及更為熟練使用編程軟件，但DSP芯片只是起到了輔助算法實(shí)現(xiàn)的作用，實(shí)質(zhì)上無助于DSP技術(shù)的掌握。因此這門課程的改革首先應(yīng)從課程內(nèi)容上入手，把系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)納入教學(xué)環(huán)節(jié)并不吝課時(shí)，增加焊接、組裝和硬件調(diào)試的必要環(huán)節(jié)，把課程分解為DSP芯片選型、DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、原理圖和PCB圖繪制、DSP最小系統(tǒng)和AD/DA功能電路板的焊接和調(diào)試、軟件編程、軟硬件聯(lián)合調(diào)試等過程，在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生能夠從宏觀上把握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要領(lǐng)，潛移默化中激發(fā)對(duì)DSP技術(shù)的強(qiáng)烈好奇心，完成了硬件調(diào)試的同學(xué)因焊接難度大、工作耗時(shí)耗力從而愈加珍惜勞動(dòng)成果，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)板對(duì)外圍電路功能板的控制過程中也就很自然地掌握了DSP的編程技術(shù)和算法實(shí)現(xiàn)。

1.2 合理設(shè)置綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)題目，包含典型數(shù)學(xué)算法

課程設(shè)計(jì)題目的合理設(shè)置也是課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容，由于課程增加了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生要花費(fèi)部分精力在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試上，課程設(shè)計(jì)的題目如果在算法分析和編程實(shí)現(xiàn)上工作量過大，學(xué)生無法在有限時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，很容易打擊學(xué)生的自信心，產(chǎn)生較大的挫敗感，從而適得其反，題目也不能過于簡(jiǎn)單，比如只是一些簡(jiǎn)單測(cè)試類程序的設(shè)計(jì)題目并不能很好地體現(xiàn)信號(hào)處理系統(tǒng)核心芯片強(qiáng)大的功能以及培養(yǎng)學(xué)生掌握綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)，最好設(shè)置典型的應(yīng)用類設(shè)計(jì)題目，在題目中包含典型的數(shù)學(xué)算法，比如“語音數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)”這個(gè)題目就比較適合學(xué)生設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)功能電路的設(shè)計(jì)上方案眾多，可以采用模擬語音的數(shù)據(jù)采集電路，也可以采用專用語音芯片構(gòu)成的ADC功能電路，語音信號(hào)采集后置于存儲(chǔ)器后，可以進(jìn)行FIR數(shù)字濾波算法處理后回放，題目具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值，信號(hào)處理算法在系統(tǒng)中的作用明確，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性強(qiáng)。同樣地，“語音信號(hào)分析儀”、“心電信號(hào)處理系統(tǒng)”等題目都隱含有典型數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)，編程難度不高，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力具有明顯效果。

2 實(shí)踐課程改革與理論課程改革應(yīng)相輔相成

信號(hào)處理類實(shí)踐課程的改革不應(yīng)是一個(gè)孤立的改革，而應(yīng)與理論課程的改革相輔相成，在實(shí)踐課程的行課過程中，能夠體會(huì)到學(xué)生在初期對(duì)相關(guān)理論課程學(xué)習(xí)的強(qiáng)烈不自信，以至于對(duì)課程設(shè)計(jì)最終能達(dá)到的課程目標(biāo)毫無把握，應(yīng)將課程設(shè)計(jì)的改革作為學(xué)生掌握信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)的突破口，畢竟實(shí)踐可以深化理論學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，部分學(xué)生僅僅因?yàn)檎莆樟烁唠y度的貼片器件的回流焊、手工拖焊和拉焊技術(shù)就對(duì)信號(hào)處理技術(shù)有了全新認(rèn)識(shí)，但畢竟“萬丈高樓平地起”，學(xué)生不從基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)入手去掌握這門技術(shù)，即便能夠調(diào)試信號(hào)處理系統(tǒng)，也終將因?yàn)閺?fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)過于耗時(shí)費(fèi)力，而將通過課程設(shè)計(jì)建立起來的興趣消耗殆盡。目前理論課程的學(xué)生還存在著授課方式陳舊、課堂教學(xué)與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)銜接不夠緊密、算法的軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)不明確等弊病，作為一門技術(shù)應(yīng)用性課程，其授課方式應(yīng)區(qū)別于高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等理論課程。目前部分應(yīng)用型本科院校在改革探索中將此類技術(shù)應(yīng)用類課程安排在實(shí)驗(yàn)室授課，學(xué)生通過熟悉軟件操作去完成具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，教師則通過實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序編寫講解來分析課程內(nèi)容，這對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)將起到事半功倍的作用，即以《DSP技術(shù)課程設(shè)計(jì)》為例，教師可以指導(dǎo)學(xué)生完成DSP系統(tǒng)電路，然后再完成算法設(shè)計(jì)和軟件編程，最后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，如圖1和圖2所示。

在某種意義上，統(tǒng)籌考慮信號(hào)處理類課程的理論課程和課程設(shè)計(jì)的課程改革，相當(dāng)于將理論課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)作為信號(hào)處理技術(shù)入門的實(shí)踐類課程，而課程設(shè)計(jì)則是信號(hào)處理技術(shù)綜合性應(yīng)用的實(shí)踐類課程，可以在學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程之初就讓其完成信號(hào)處理的最小系統(tǒng)的制作，在整個(gè)課程學(xué)習(xí)的過程中布置信號(hào)處理技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)讓學(xué)生自行完成，在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生已具備基本技能，就可以完成包含復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法的綜合題目，其能力必將有突飛猛進(jìn)的提升。

3 結(jié)語

信號(hào)處理類課程的課程設(shè)計(jì)是應(yīng)用型本科院校新工科背景下重要的專業(yè)實(shí)踐課程，目前在國(guó)內(nèi)，該課程的教學(xué)效果差強(qiáng)人意，真正能掌握這門技術(shù)的學(xué)生幾乎是鳳毛鱗腳，其課程改革刻不容緩，成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院非常重視這門課程的改革探索，在學(xué)院多個(gè)交叉學(xué)科的專業(yè)開設(shè)基于DSP技術(shù)的信號(hào)處理和基于FPGA技術(shù)的信號(hào)處理等課程，全部以理論課、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)進(jìn)行配置，通過課程組教師共同探索和實(shí)踐，以硬件設(shè)計(jì)調(diào)試為主要環(huán)節(jié)，加強(qiáng)教學(xué)過程管理，起到了非常明顯的改革成效。

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Abstract：Some signal processing courses in application-oriented institutes have the disadvantage of emphasizing software programming over hardware design， which has been unable to meet the needs of training innovative talents under the background of new subjects. How to organize the course from the hardware design of signal processing system is a breakthrough to achieve reform results. In this paper， taking the typical signal processing course "DSP Course Design" as an example， several feasible methods are proposed， and the complementarity of the theory and practice of the course is discussed. The important role of hardware practice in the design of digital signal processing system is emphasized. The experience and method in this paper have the value of popularizing Engineering Specialty in Applied Undergraduate Colleges and the significance of discussion.

Key words：New Subject; Signal Processing; Curriculum Reform