“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式的探討

趙亞湘， 李 宏， 王 瑋

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式的探討

趙亞湘， 李 宏， 王 瑋

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

本文針對“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)存在的問題，圍繞著課程設(shè)計(jì)的選題思想、實(shí)現(xiàn)方式等方面展開了研究和探討。提出了多層次設(shè)計(jì)的選題思路，設(shè)計(jì)內(nèi)容從易到難、從理論驗(yàn)證向?qū)嶋H工程應(yīng)用過渡，在實(shí)現(xiàn)方式上采用單一或多種方式聯(lián)合進(jìn)行。在鞏固和拓展學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，取得了很好的實(shí)踐教學(xué)效果。

數(shù)字信號處理；課程設(shè)計(jì)；選題思路

0 引言

培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是新時(shí)期大學(xué)教育的重要目標(biāo)。國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃和卓越工程師計(jì)劃的目標(biāo)是培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的各類型高質(zhì)量的工程技術(shù)人才[1]。這些計(jì)劃的實(shí)施促使高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化對大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

課程設(shè)計(jì)是大學(xué)課程體系中一項(xiàng)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它能引導(dǎo)學(xué)生從單純的理論學(xué)習(xí)逐漸過渡到實(shí)際工程應(yīng)用中，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的正確的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)思想，是高等學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]。

“數(shù)字信號處理”是電氣信息類本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程理論抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算公式繁多，給學(xué)生的學(xué)習(xí)造成了“難學(xué)難懂”的困擾[4-6]。為了幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本理論與基本分析方法，提高其綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力,國內(nèi)外許多高等學(xué)校在該課程之后又開設(shè)了“數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)”這個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

1 多層次的設(shè)計(jì)選題思想

當(dāng)前，學(xué)生在學(xué)完“數(shù)字信號處理”理論課程后，普遍存在的問題有：通過課程學(xué)習(xí)，雖然掌握了許多基本概念和理論知識(shí)，但對于概念的物理含義以及如何辨識(shí)卻模糊不清。如信號在時(shí)域、頻域有不同的特性，大部分學(xué)生不清楚如何利用這些特點(diǎn)進(jìn)行信號分析與處理；學(xué)到了許多信號分析與處理的方法，但卻不知道如何具體應(yīng)用以及應(yīng)用在何處。如在濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，許多學(xué)生不會(huì)根據(jù)信號的特點(diǎn)選擇濾波器的參數(shù)；在具體應(yīng)用時(shí)，對于實(shí)際數(shù)字信號是什么形式?jīng)]有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，數(shù)學(xué)表達(dá)與實(shí)際信號之間的關(guān)系與作用也不清楚，存在理論與實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象；同時(shí)，此時(shí)學(xué)生剛進(jìn)入大學(xué)高年級學(xué)習(xí)階段，雖接觸一些科研訓(xùn)練，但還沒真正獨(dú)立自主地進(jìn)行過科研課題開發(fā)。

針對存在的這些問題，本著鍛煉學(xué)生分析問題解決問題的能力、提高其科研創(chuàng)新能力的宗旨，在課程設(shè)計(jì)過程中我們采用循序漸進(jìn)的設(shè)計(jì)方式，設(shè)置逐步加深的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)過程也從基礎(chǔ)到綜合再到拓展應(yīng)用，階段性地漸近延展。

(1)基礎(chǔ)型設(shè)計(jì)主要針對課程中的基本理論知識(shí)、重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行深化訓(xùn)練，鞏固和強(qiáng)化已學(xué)知識(shí)。學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)過程中生成的數(shù)據(jù)和圖形的觀察，加深對知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析比較，熟悉數(shù)字信號分析與處理基本方法的應(yīng)用。在做這類設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可快速掌握所采用的開發(fā)軟件或硬件平臺(tái)工具，為完成之后的綜合設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。這部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要以信號與系統(tǒng)的時(shí)域、頻域分析以及數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)為主。如給定兩個(gè)或多個(gè)頻率分量的合成信號，在進(jìn)行頻譜分析時(shí)應(yīng)如何選擇信號的長度以分辨出多個(gè)頻率分量同時(shí)避免頻譜泄露。

(2)綜合型設(shè)計(jì)是對基礎(chǔ)型設(shè)計(jì)的提高，這部分設(shè)計(jì)內(nèi)容將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)串接在一起綜合應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力。同時(shí)，又在理論上對所學(xué)知識(shí)有所拓展，加入了一些相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)或一些新的理論和算法，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。如引入了多分辨率分析、短時(shí)傅里葉變化、小波變換、頻分多址通信等內(nèi)容，其中每一種變換和實(shí)現(xiàn)都有其獨(dú)特的性質(zhì)，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)仿真了解它們不同的特性和應(yīng)用特點(diǎn)。如示例1：錄制一段語音信號，對其按抽取因子D進(jìn)行抽取，然后對抽取后的信號按內(nèi)插因子I進(jìn)行內(nèi)插，觀察抽取前后和插值前后信號的頻譜變化，并播放相應(yīng)的語音信號，對比處理前后的語音效果。最后根據(jù)信號頻譜設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器濾波恢復(fù)出語音信號，并與原信號進(jìn)行比較。這里，D值的選取需根據(jù)語音信號的頻率范圍和原始抽樣率。隨著D值的增大，信號頻譜擴(kuò)展越寬，頻率會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象并越來越嚴(yán)重，低通濾波將很難還原出原語音信號。又如示例2：實(shí)現(xiàn)頻分多址通信，將多個(gè)調(diào)制信號經(jīng)不同載頻調(diào)制后生成復(fù)用的已調(diào)信號，將該已調(diào)信號通過虛擬信道傳輸后，得到接收信號，從接收信號中通過濾波、解調(diào)還原出原調(diào)制信號。在這個(gè)過程中需要考慮信號的頻率范圍、載頻的選擇、信號的調(diào)制和解調(diào)以及不同濾波器的設(shè)計(jì)。

(3)應(yīng)用擴(kuò)展型設(shè)計(jì)是更高層次的設(shè)計(jì)階段。在這一階段，教師針對實(shí)際應(yīng)用信號給出設(shè)計(jì)要求，將數(shù)字信號處理技術(shù)引入到實(shí)際信號的分析與處理中，如語音信號、圖像信號、視頻信號和生物醫(yī)學(xué)信號等。這一層次設(shè)計(jì)中，只給出設(shè)計(jì)任務(wù)，需要的原始數(shù)據(jù)部分由教師給定，還有部分需要學(xué)生自行采集或搜集，數(shù)據(jù)的分析與處理方法并未設(shè)定，具體的設(shè)計(jì)步驟也沒有給出。學(xué)生分組按照給出的設(shè)計(jì)要求查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，分析需要求解的問題，明確每個(gè)成員的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)具體的實(shí)現(xiàn)方案并編程仿真實(shí)現(xiàn)。如示例3：選用或錄制一段語音信號，對它進(jìn)行特效處理，如回聲處理、混響音效處理、信號均衡處理、變聲處理等。又如示例4：對于一段視頻序列，將其經(jīng)過一些相關(guān)處理后提取出其中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。在這些設(shè)計(jì)中，學(xué)生首先需要查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)的理論和算法，具體的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法也需要學(xué)生自己查找和不斷嘗試，找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，并可根據(jù)應(yīng)用背景的不同進(jìn)行改進(jìn)。

2 多形式的實(shí)現(xiàn)方式

Matlab是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析與計(jì)算的工程計(jì)算語言。固其具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算與可視化功能，擁有為數(shù)眾多的面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，簡單易學(xué)，編程效率高，從而受到越來越多的科研工作者的關(guān)注和喜愛[7]。Matlab中的信號處理工具箱包含了經(jīng)典信號處理理論中的大部分內(nèi)容，可用來快速而有效地實(shí)現(xiàn)信號與系統(tǒng)的分析、處理和設(shè)計(jì)等過程。因此，我們建議學(xué)生使用Matlab 作為開發(fā)工具來進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

LabView是美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境, 它采用圖形化編程語言和數(shù)據(jù)流編程方式開發(fā)應(yīng)用程序。LabView中包含了大量的信號生成、信號及系統(tǒng)分析與處理函數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡,可有效地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號分析與處理功能[8]。因此為了擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，了解目前業(yè)界新的開發(fā)工具和開發(fā)流程，對于部分感興趣的同學(xué)，我們也鼓勵(lì)他們部分采用或完全采用LabView作為開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對于一些動(dòng)手能力強(qiáng)且對硬件感興趣的學(xué)生，我們鼓勵(lì)他們利用DSP硬件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些學(xué)生須自學(xué)DSP開發(fā)工具的基本使用, 熟悉DSP編程環(huán)境和系統(tǒng)資源的編程，并利用DSP系統(tǒng)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。

3 設(shè)計(jì)效果

在課程設(shè)計(jì)過程中，我們通過觀察和隨機(jī)抽查發(fā)現(xiàn)：在基礎(chǔ)型設(shè)計(jì)階段，學(xué)生存在的主要問題是對于數(shù)字信號處理的一些基本概念模糊不清，同時(shí)對于開發(fā)軟件不夠熟悉，不能熟練應(yīng)用其中的函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過復(fù)習(xí)課程所學(xué)知識(shí)和教師稍加指導(dǎo)后，一般都能順利地完成這一階段設(shè)計(jì)任務(wù)。在綜合性設(shè)計(jì)階段，學(xué)生需要獨(dú)立查找一些相關(guān)的圖書和資料，補(bǔ)充和拓展課本所學(xué)知識(shí)。如示例1中，語音信號通過時(shí)域抽樣和插值后，其相應(yīng)的幅頻特性曲線變化如圖1所示。其中，圖1(a)、(b) 、(c)、(d)分別為原信號、抽取后信號、抽取后插值信號和通過低通濾波后的信號的幅頻特性曲線，D、I及濾波器的參數(shù)需根據(jù)信號選擇，此例中，選擇I=D=3。通過觀察圖中頻譜變化，學(xué)生可掌握隨著信號時(shí)域抽樣率的變化，相應(yīng)頻譜變化的特點(diǎn)以及如何利用這些特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和傳輸，同時(shí)學(xué)生還需考慮頻譜混疊問題以盡量避免影響還原信號。這部分主要培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力。

在應(yīng)用擴(kuò)展型設(shè)計(jì)階段，學(xué)生需要按組分工協(xié)作，明確各人自己的設(shè)計(jì)任務(wù)和需要協(xié)作的部分，查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)確定具體的設(shè)計(jì)步驟和方法。在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)一些在開始時(shí)沒有考慮到的問題，這些問題的出現(xiàn)，就要求學(xué)生根據(jù)出現(xiàn)的問題不斷改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)方案并完善設(shè)計(jì)結(jié)果。如示例4中，學(xué)生通過分析比較不同的實(shí)現(xiàn)方法，確定采用幀間差分法來完成設(shè)計(jì)任務(wù)。在閾值化差分圖像時(shí)，閾值的選擇就是一個(gè)考驗(yàn)；閾值太大，無法檢測出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，而太小，則會(huì)將很多背景像素劃分為目標(biāo)像素。通過不斷的嘗試和比較，最后學(xué)生決定分別采用固定閾值和自適應(yīng)閾值分割差分圖像，并對分割結(jié)果進(jìn)行了一定的形態(tài)學(xué)濾波處理。圖2示出了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測過程。其中，圖2(a)、(b)分別為相鄰兩幀圖像，圖(c)為它們的差分圖像，圖(d)為檢測出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。雖然最后的檢測結(jié)果還有待完善，但在這個(gè)過程中，許多知識(shí)學(xué)生在課堂中并沒有學(xué)過， 他們需要邊學(xué)邊實(shí)踐邊調(diào)整設(shè)計(jì)處理方法，其自學(xué)能力和分析問題解決問題能力得到了很好的鍛煉，并激發(fā)了他們對于信號處理領(lǐng)域的探索欲和求知欲。

圖1 抽樣率變化信號的幅頻特性變化

圖2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測結(jié)果

(趙亞湘等文)

4 結(jié)語

“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計(jì)是對其理論教學(xué)的有效補(bǔ)充和擴(kuò)展。本文針對課程設(shè)計(jì)需要強(qiáng)化和解決的問題，探討和研究了課程設(shè)計(jì)的選題思路、實(shí)現(xiàn)方式及教學(xué)理念，從不同方面和層次給出設(shè)計(jì)任務(wù)，其中每一層次有不同的設(shè)計(jì)要求和目的，從而多方面地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究精神和創(chuàng)新能力，取得了很好的實(shí)踐教學(xué)效果。

[1] 培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才 改革工程實(shí)踐教學(xué)--“本科工程教育實(shí)踐教學(xué)改革研究”會(huì)議綜述[J]. 武漢：高等工程教育研究, 2012(4): 50-52.

[2] 劉小康, 余潔冰.工科學(xué)生課程設(shè)計(jì)與綜合素質(zhì)培養(yǎng)[J]. 廣州：高教探索, 2009(3): 133-134.

[3] 凌丹, 牟萍. 在綜合課程設(shè)計(jì)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J]. 北京：中國大學(xué)教學(xué), 2013(12): 58-59.

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[8] 陳錫輝,張銀鴻. LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2007年7月.

Research on Teaching Mode of Digital Signal Processing Course Design

ZHAO Ya-xiang, LI Hong, WANG Wei

(SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Aimed at the teaching goal of Digital Signal Processing course design and the existing problems in students′ learning this course, this paper explores and discusses the topics choosing and implementation about the course design. The multi-level idea for topic selection is proposed, and the design content transition from easy to difficult, from theory to practical application, can be implemented in one or more joint ways. Through this process, the students' knowledge is consolidated and their practice abilities are improved, thus good teaching results are achieved.

digital signal processing；course design; idea for topic selection

2016-08-20;

2016-11- 20

中南大學(xué)“數(shù)字信號處理”開放式精品示范課堂項(xiàng)目(160050114)

趙亞湘(1966-)，女，博士，講師，主要從事數(shù)字信號處理、圖像處理等方面的教學(xué)和科研工作，E-mail：yxzhaocs@sina.com

G642

A

1008-0686(2017)04-0128-04