淺談基于FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)改革

鄭昱 馮璐 吳鵬 張竹嫻

[摘? ? ? ? ? ?要]? 數(shù)字信號(hào)處理是通信工程、電子信息工程等專業(yè)的核心課程，其教學(xué)效果直接影響學(xué)生的就業(yè)率及后續(xù)深造。因此，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革，提升學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握程度是非常有必要的。針對(duì)當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理課堂氣氛不活躍、學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)難以掌握的問(wèn)題，提出基于FPGA語(yǔ)音處理平臺(tái)的課程教學(xué)改革方案。通過(guò)輸入一定長(zhǎng)度的語(yǔ)音信號(hào)，將抽象的傅里葉變換（FT）、離散傅里葉變化（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）以及低通、高通、帶通等濾波過(guò)程在基于FPGA的仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)實(shí)踐，相比傳統(tǒng)的基于MATLAB實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了很大程度的提高，并且對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握也更加扎實(shí)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)字信號(hào)處理;FPGA語(yǔ)音處理平臺(tái);學(xué)習(xí)興趣;教學(xué)效果

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）11-0214-02

數(shù)字信號(hào)處理是信號(hào)與系統(tǒng)的后繼課程，是包括通信工程專業(yè)在內(nèi)的電子學(xué)專業(yè)的必修課程，所涉及的知識(shí)是從事通信工程專業(yè)的人員需要了解和掌握的，同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理也是后續(xù)專業(yè)課如通信原理、移動(dòng)通信技術(shù)等課程的基礎(chǔ)。因此，該課程的教學(xué)效果對(duì)學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)以及深造起著至關(guān)重要的作用。并且在信息時(shí)代的背景下，數(shù)字信號(hào)處理課程關(guān)乎國(guó)家信息安全，培養(yǎng)數(shù)字信號(hào)專業(yè)人才，能夠?yàn)樾畔a(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量[1]。

在傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)模式下，由于課程包含了眾多的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)以及專業(yè)性強(qiáng)的理論知識(shí)，使很多學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)的積極性不高。上課走神、打瞌睡、玩手機(jī)等現(xiàn)象較為嚴(yán)重。這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握不扎實(shí)，考試掛科率偏高?，F(xiàn)有的研究中，對(duì)該門課的教學(xué)方式也進(jìn)行了一系列的改革，主要是基于教學(xué)手段的改革，例如，基于線上輔導(dǎo)+線下講授方式的改革[2]、基于MATLAB仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[3]、微課教學(xué)模式[4]等。雖然“基于線上輔導(dǎo)+線下講授方式的改革”和“微課教學(xué)模式”為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了課堂以外的渠道，培養(yǎng)了學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的習(xí)慣，但是，未能從本質(zhì)上提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜公式以及概念的理解程度。雖然“基于MATLAB仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”通過(guò)MATLAB平臺(tái)可以展現(xiàn)出信號(hào)時(shí)域、頻域的波形，但是這些都是基于數(shù)學(xué)表達(dá)式或矩陣得來(lái)的，其對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提升程度不是很顯著。綜上所述，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行教學(xué)改革，以學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的形式，掌握課程中復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型以及抽象的概念是非常有必要的。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

目前，在本校，數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)只是基于傳統(tǒng)的課堂講授式模式來(lái)進(jìn)行的，其中，適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合板書(shū)以及多媒體PPT進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是通過(guò)MATLAB對(duì)公式進(jìn)行仿真而開(kāi)展的。其中，理論教學(xué)部分主要講解時(shí)域離散信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅立葉變換、時(shí)域離散系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、IIR和FIR濾波器設(shè)計(jì)等內(nèi)容;實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分主要包括離散時(shí)間信號(hào)的表示及運(yùn)算、離散時(shí)間信號(hào)的頻域分析、離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。課程考查方式為平時(shí)課堂考勤+作業(yè)占10%，實(shí)驗(yàn)占30%，期末考試占60%。

（二）存在的問(wèn)題

現(xiàn)階段該門課的教學(xué)過(guò)程中，主要存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題：

1.教學(xué)過(guò)程中未能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的意義。本課程理論部分的講授直接從序列傅里葉變換的公式開(kāi)始;其實(shí)驗(yàn)部分的操作也是起始于序列的頻譜分析。學(xué)生無(wú)法很好地將該課程的基本知識(shí)與生活、工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)理解。這導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì)該門課的學(xué)習(xí)目的不明確。

2.由于數(shù)字信號(hào)處理課程的理論性很強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求很高，現(xiàn)階段的課堂講授中各種信號(hào)處理，如傅里葉變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、濾波（包括高通、低通、帶通、帶阻）都是通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型+公式演算來(lái)展示的;其實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)基本也是對(duì)這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行MATLAB簡(jiǎn)單地仿真展示，觀察其波形圖。這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門課的學(xué)習(xí)興趣不是很高，理論課上存在學(xué)生做與課堂無(wú)關(guān)的事情的現(xiàn)象;實(shí)驗(yàn)課上，“打醬油”的現(xiàn)象比較多。

3.盡管該課程的教學(xué)采取了線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，將重要的課件在課后上傳于超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)，通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)布置作業(yè)題、考試題以及根據(jù)作業(yè)和測(cè)驗(yàn)的情況記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，該方法也只是提供了一個(gè)課后學(xué)習(xí)的快捷渠道，對(duì)于自覺(jué)性強(qiáng)的學(xué)生有一定的效果，但是對(duì)自覺(jué)性差的學(xué)生，或者對(duì)知識(shí)點(diǎn)不理解、數(shù)學(xué)功底不好的學(xué)生，該方法取得的效果不是很明顯。

4.考核機(jī)制過(guò)于強(qiáng)調(diào)卷面成績(jī)，很多學(xué)生對(duì)本門課的知識(shí)點(diǎn)基本不理解，但是為了考試順利通過(guò)，在考前瘋狂刷題?？纪旰?，對(duì)這門課的印象不深，不會(huì)用這門課所學(xué)的知識(shí)解決后續(xù)工程、科研中所遇到的問(wèn)題。

二、課程教學(xué)改革方法

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革實(shí)踐、與學(xué)生之前的交流以及與國(guó)內(nèi)外同行專家之間的交流，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了音頻信號(hào)處理平臺(tái)，提出了基于FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)改革方法。具體如下：

1.為了更加明確學(xué)生對(duì)這門課學(xué)習(xí)的目的，本課程的第一節(jié)課將設(shè)置一信號(hào)處理的場(chǎng)景，在該場(chǎng)景下，設(shè)置兩個(gè)教學(xué)任務(wù)，任務(wù)一：將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化進(jìn)行存儲(chǔ);任務(wù)二：將存儲(chǔ)的數(shù)字化后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行播放。然后根據(jù)所設(shè)定的任務(wù)，構(gòu)建基于FPGA的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括如下模塊。

●麥克風(fēng)：將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸送至FPGA平臺(tái)的輸入端。

●模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊：該模塊包含于FPGA平臺(tái)，用于將麥克風(fēng)接收到的模擬語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化處理，并且該模塊帶有自行調(diào)節(jié)采樣率的功能。

●數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：該模塊包含于FPGA平臺(tái)，用于存儲(chǔ)數(shù)字化之后的語(yǔ)音信號(hào)。

●數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊包含于FPGA平臺(tái)，對(duì)所保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、離散傅里葉變換、濾波等處理，并且該模塊可以調(diào)節(jié)頻域采樣點(diǎn)。

●數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換模塊：該模塊包含于FPGA平臺(tái)，用于將存儲(chǔ)的數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬的電平信號(hào)以輸送至終端進(jìn)行播放。

●揚(yáng)聲器：用于播放數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號(hào)。

在該任務(wù)中，還將進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣率的調(diào)節(jié)，讓學(xué)生體驗(yàn)在不同采樣率情況下在揚(yáng)聲器端監(jiān)聽(tīng)錄制的語(yǔ)音信號(hào)的效果，從而對(duì)奈奎斯特采樣定理有更形象生動(dòng)的理解，并且明確了該門課程的學(xué)習(xí)意義及其與信號(hào)及系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的差別。

2.在講授傅里葉變換、離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換等知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，采樣課堂板書(shū)與FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)相結(jié)合的教學(xué)模式。除了課堂上對(duì)基本數(shù)學(xué)模型的講授外，設(shè)置相應(yīng)語(yǔ)音信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)處理模塊中將錄制的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換、離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換，輸出其對(duì)應(yīng)的波形圖，觀察傅里葉變換、離散傅里葉變換與快速傅里葉變換頻譜的異同點(diǎn)。通過(guò)對(duì)頻域采樣點(diǎn)的調(diào)節(jié)，觀察在離散傅里葉變換的場(chǎng)景下，何時(shí)能夠最小失真地還原出信號(hào)的連續(xù)頻譜。

3.在講授濾波器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，除了課堂上對(duì)濾波器設(shè)計(jì)一般步驟的講述外，還將基于FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)，在數(shù)據(jù)處理模塊中對(duì)保存的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行低通、高通、帶通、帶阻的濾波處理。將濾波之后的信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器終端播放出來(lái)，以監(jiān)聽(tīng)不同濾波方式保留的語(yǔ)音信號(hào)頻率成分。

4.改進(jìn)課程考核機(jī)制。除了卷面成績(jī)、考勤與平時(shí)作業(yè)之外，還將學(xué)生對(duì)FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)的使用情況納入考查范圍并給予較高的比例。本課改擬提出如下機(jī)制，平時(shí)作業(yè)+考勤占10%，基于FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)的操作情況占50%，期末考試卷面成績(jī)占40%。

5.與此同時(shí)，本課改還提出了競(jìng)賽推動(dòng)教學(xué)的模式，鼓勵(lì)專業(yè)基礎(chǔ)較好的學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽等行業(yè)比賽，靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，解決工程實(shí)際問(wèn)題，從競(jìng)賽中鍛煉能力，并且制定競(jìng)賽的名次置換課程考核項(xiàng)目的機(jī)制。這樣，有助于改變學(xué)生只是為考試而學(xué)習(xí)的心態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，真正達(dá)到培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的目的。

三、教學(xué)反饋與效果評(píng)價(jià)

教學(xué)效果主要從學(xué)生對(duì)該門課的認(rèn)識(shí)、積極性、對(duì)課程的興趣、相關(guān)工程能力的培養(yǎng)以及同專業(yè)教師的評(píng)價(jià)幾方面進(jìn)行評(píng)估。進(jìn)行課改實(shí)踐之后，筆者發(fā)現(xiàn)，首先，學(xué)生對(duì)該門課的學(xué)習(xí)目的有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了充分調(diào)動(dòng)。與此同時(shí)，通過(guò)基于FPGA語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)的教學(xué)，學(xué)生的課堂積極性得到了大幅度的提升，改變了之前上課時(shí)打瞌睡、玩手機(jī)的狀態(tài)。并且學(xué)生對(duì)其中復(fù)雜數(shù)學(xué)模型所代表的物理意義也有了更高層次的理解。此外，通過(guò)FPGA仿真平臺(tái)的實(shí)際操作，學(xué)生的工程能力有了很大的提升，例如，學(xué)生學(xué)會(huì)了在工程應(yīng)用中如何區(qū)分兩路不同頻率信號(hào)的方法。并且，通過(guò)參加學(xué)科競(jìng)賽，基礎(chǔ)較好的學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了進(jìn)一步的提升。本課改的方案得到了本校以及外校通信工程專業(yè)教師的認(rèn)可，通過(guò)理論以及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的聽(tīng)課，對(duì)課改取得的效果進(jìn)行了較高的評(píng)價(jià)。并且，本課改也得到了學(xué)生的一致好評(píng)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文基于在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中遇到的問(wèn)題，從激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力以及課程的更新考核標(biāo)準(zhǔn)等方面入手，提出了基于FPGA音頻信號(hào)處理平臺(tái)演示的教學(xué)方法。通過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)本門課的學(xué)習(xí)興趣有了明顯提高。并且通過(guò)該平臺(tái)，學(xué)生的工程實(shí)踐能力比傳統(tǒng)的教學(xué)模式有了較大的提升，能夠根據(jù)構(gòu)建的工程實(shí)踐場(chǎng)景，提出相應(yīng)的解決方案。

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編輯 鄭曉燕