融合DSP的“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)研究

摘要：“數(shù)字信號處理”是一門理論性強、知識抽象的電子信息類課程，DSP芯片是一種專門用于數(shù)字信號處理的集成電路。因此針對“數(shù)字信號處理”課程，在現(xiàn)有基于MATLAB開展教學(xué)的基礎(chǔ)上，融合DSP技術(shù)教學(xué)課程內(nèi)容，設(shè)計了由基礎(chǔ)及綜合設(shè)計實驗，結(jié)合教學(xué)實際情況，采用個體獨立與小組配合相結(jié)合的方式開展，實踐表明，融合DSP處理技術(shù)實現(xiàn)“數(shù)字信號處理”課程中信號處理的教學(xué)研究，可有效引導(dǎo)學(xué)生對課程間相關(guān)知識點進(jìn)行思考，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：融合DSP教學(xué)；CCS；數(shù)字信號處理

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

新建本科院校向應(yīng)用型大學(xué)轉(zhuǎn)型已成為社會和相關(guān)院校的共識，海南熱帶海洋學(xué)院是三亞市唯一一所公立地方本科院校，電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)建設(shè)要服務(wù)三亞市電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。根據(jù)學(xué)校的人才培養(yǎng)規(guī)劃，電子信息專業(yè)為三亞市電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供人才支撐，因此必須探索新的教學(xué)方法，貼近工程實際，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

“數(shù)字信號處理”是針對電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開設(shè)的一門重要專業(yè)課程，“數(shù)字信號處理”課程理論性強、知識抽象、推導(dǎo)的公式較多，增加了課程學(xué)習(xí)的困難度。隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)行，各種信號的變換易混淆，內(nèi)容枯燥，學(xué)生理解起來有難度，積極性不斷減弱，學(xué)習(xí)效率低下。針對上述問題，改變以往的教學(xué)模式，采用MATLAB編程來實現(xiàn)各個數(shù)字信號處理模塊及功能，使學(xué)生能更直觀地觀察信號處理效果，理解并掌握所學(xué)知識點，實驗教學(xué)運用MATLAB軟件，除了能提供便捷的分析方法，而且還能提高編程能力?；贛ATLAB的“數(shù)字信號處理”課程實驗過程中，大量調(diào)用了MATLAB已有的函數(shù)，學(xué)生只需要修改這些函數(shù)的參數(shù)即可。實驗采用仿真方式，學(xué)生處理的為理想狀態(tài)下的信號，無法應(yīng)用到實際工程中，這樣的實驗內(nèi)容不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，［14］這種模式不能有效訓(xùn)練學(xué)生將理論知識用于工程實踐的能力。因此，在研究“數(shù)字信號處理”課程現(xiàn)有的MATLAB實驗基礎(chǔ)上，引入數(shù)字信號處理芯片DSP（DigitalSignalProcessor）及其軟件，通過實驗過程針對DSP芯片實現(xiàn)常用數(shù)字信號處理算法，同時提升學(xué)生們的實踐創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作精神。

1教學(xué)融合過程中教師隊伍的教學(xué)研究

“數(shù)字信號處理”課堂講授時，要求授課教師除了熟悉掌握理論知識外，還要掌握DSP技術(shù)相關(guān)知識，不僅有較好的表達(dá)與引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的能力，還能夠指導(dǎo)學(xué)生完成實驗項目。專業(yè)的任課教師和實驗教師為了促進(jìn)課程的交叉學(xué)習(xí)，一方面自學(xué)DSP相關(guān)知識，與公司技術(shù)人員交流，學(xué)習(xí)公司DSP芯片的應(yīng)用項目和技術(shù)；另一方面深入課堂學(xué)習(xí)“數(shù)字信號處理”相關(guān)知識，兩門課教師可以相互交流，一起指導(dǎo)學(xué)生實驗，使理論教學(xué)和實驗教學(xué)融會貫通。

2融合DSP技術(shù)教學(xué)思路

“數(shù)字信號處理”內(nèi)容理論性強，同時又具有廣泛的工程應(yīng)用，理論與實踐并重的軟、硬教學(xué)必不可少，遵循學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)為中心的理念，針對“數(shù)字信號處理”課程知識的內(nèi)容以框架如圖1所示。

基于上述理念組織教學(xué)，在驗證性實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合“數(shù)字信號處理”中重難點知識，增加綜合性、進(jìn)階性實驗項目的比例，開發(fā)綜合性項目案例，并以此為切入點，挖掘與本門課程較為相關(guān)的語音信號處理、圖像信號分析等內(nèi)容，將這些技術(shù)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容提煉形成綜合演練項目。為了更好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性，提升教學(xué)真實效果，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，本文采用軟硬件結(jié)合的教學(xué)方法，并設(shè)計了由基礎(chǔ)及綜合設(shè)計實驗，采用個體獨立與小組配合相結(jié)合的方式開展，具體思路如下：

（1）結(jié)合課程，時域離散信號數(shù)學(xué)公式簡單，在“數(shù)字信號處理”課程中比較基礎(chǔ)，常常采用以學(xué)生為主的探究性教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生參與利用MATLAB編程實現(xiàn)圖形化與模擬信號圖形對比研究，以便更理解模擬信號離散化原理。在同學(xué)們通過軟仿真理解了離散化時時域、頻域的特點后，為了讓同學(xué)們了解真實的硬件采樣的過程，結(jié)合硬件DSP安排采樣實驗，理解硬件采樣模擬信號實現(xiàn)數(shù)字化的過程，設(shè)置采樣參數(shù)，拋出過采樣、欠采樣及臨界采樣問題，鼓勵學(xué)生積極參與調(diào)試、交流討論實驗現(xiàn)象，使學(xué)生完成由感性認(rèn)識到工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

（2）在進(jìn)行數(shù)字信號的頻域分析時，常常采用思維導(dǎo)圖的方式，幫助學(xué)生建立頻域分析模型，拋出問題，讓學(xué)生們自主關(guān)注DTFT、DFS、DFT及Z變換的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用MATLAB編程實現(xiàn)圖形化，使學(xué)生直觀地深入理解概念，通過時域關(guān)聯(lián)和頻域關(guān)聯(lián)相結(jié)合的方式，鼓勵學(xué)生自己動手畫思維導(dǎo)圖和知識圖譜，改善課堂上沉悶枯燥的教學(xué)氣氛。對于本部分的知識點，實驗設(shè)置基本以驗證為主，學(xué)生通過DSP軟件工具CCS仿真以C語言編寫算法，調(diào)試信號并可視化分析信號頻譜，以加深這部分重難點知識的理解和掌握。

（3）通過MATLAB仿真對比DFT和FFT兩種變換，理解了FFT算法是DFT算法的高效推進(jìn)，是推動“數(shù)字信號處理”走向應(yīng)用的關(guān)鍵，是數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)的理論框架。在推導(dǎo)基2抽取FFT算法的思路過程中，讓學(xué)生自主思考并畫出2、4、8、16點蝶形運算圖，理解復(fù)數(shù)相加、減及乘旋轉(zhuǎn)因子的規(guī)律等原理，同時結(jié)合FFT算法硬件DSP芯片實驗，拋出以下問題，如圖2所示，通過問題來調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生以自主組隊的形式來完成4、8、128點FFT算法編寫實驗，提升學(xué)生團隊合作、分析解決問題的能力。

（4）數(shù)字濾波器設(shè)計的知識點內(nèi)容實踐性強，以數(shù)字濾波器設(shè)計研究為著力點，講解兩種經(jīng)典濾波器：無限脈沖響應(yīng)（IIR）和有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器，課堂教學(xué)上結(jié)合MATLAB工具分析和比較兩種濾波器的原理、區(qū)別及設(shè)計方法。實驗以設(shè)計進(jìn)階為主［58］，實驗內(nèi)容上安排綜合設(shè)計實驗，將“MATLAB”“DSP技術(shù)”和“數(shù)字信號處理”三門課程融合一起，綜合設(shè)計進(jìn)階實驗分以下步驟，如圖3所示：

設(shè)置低通、帶通、高通和帶阻濾波器參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生自主組隊完成濾波器的MATLAB仿真設(shè)計，輸入原始信號送給設(shè)計好的濾波器，并觀看濾波輸出效果，鼓勵學(xué)生互相討論交流C語言編程實現(xiàn)不同濾波器的設(shè)計并進(jìn)行硬件測試，使學(xué)生能夠感受由感性認(rèn)識到真正工程實踐上的快樂。最后結(jié)合實際工程中的項目案例，設(shè)計語音信號濾波、語音通信調(diào)制解調(diào)等教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。

3教學(xué)過程的實施

以IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計為例，分解案例，引入工程應(yīng)用實踐比較強的TMS320C6748芯片來實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的仿真與硬件實現(xiàn)，解決工程實際問題。

首先，利用課堂講授IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計原理，演示使用MATLAB設(shè)計不同類型的IIR數(shù)字濾波器，理解使用工具箱來實現(xiàn)濾波器的方法，布置低通、帶通、帶阻和高通類型數(shù)字濾波器的設(shè)計任務(wù)參數(shù)，學(xué)生查閱資料，利用MATLAB濾波器工具箱完成不同類型的數(shù)字濾波器設(shè)計。

其次，由MATLAB工具箱中的FDATool獲得的濾波器系數(shù)，在DSP芯片的開發(fā)環(huán)境CCS中，用C語言編寫濾波算法，基于DSP編程調(diào)試，觀看濾波效果，鼓勵學(xué)生組隊完成不同類型濾波器的算法編寫。

最后，工程上應(yīng)用，聯(lián)合AD芯片，采集模擬信號源，通過DSP芯片濾波處理，DA芯片輸出，觀看濾波效果，結(jié)合工程實際應(yīng)用，學(xué)生調(diào)試硬件對比濾波效果。

案例：設(shè)計一個IIR切比雪夫I型數(shù)字低通濾波器，采樣頻率為76827Hz，通帶截止頻率為500Hz，通帶衰減Apass=1dB。實現(xiàn)步驟如下：

Mcd2bFCwYtquXm08tCDv7w==（1）采用MATLAB軟件中的工具FDATool，其界面輸入濾波器參數(shù)，如圖4所示。

（2）獲得的濾波器系數(shù)，IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為H（z），如下式所示：

H（z）=（0.000358+0.001434z^（-1）+

0.002151z^（-2）+

0.001434z^（-3）+

0.000358z^（-4））/（1-3.4562z^（-1）+

4.6380z^（-2）-2.8534z^（-3）+

0.6777z^（-4））

（3）編寫C語言濾波算法程序，輸入2個頻率正弦波信號，一個低頻250Hz，另一個高頻2850Hz，混疊輸出，通過AD芯片TLV0832采集變成數(shù)字信號，通過DSP芯片C6748的濾波算法處理，再經(jīng)過DA芯片TLC7528輸出。

（4）觀察濾波前后的圖形，圖5是低頻250Hz和高頻2850Hz信號混疊波形，圖6是混疊信號的頻譜，圖7是低頻250Hz和高頻2850Hz混疊信號經(jīng)過IIR低通濾波器后輸出的波形，即250Hz波形，圖8是濾波后的頻譜。從濾波前后的結(jié)果，可以看出，高頻信號2850Hz被濾除，低頻250Hz信號通過，所以設(shè)計的濾波器是合理、符合設(shè)計要求的。

結(jié)語

融合DSP的數(shù)字信號課程教學(xué)研究，兼顧理論與實踐，理論知識在工程實踐中的運用過程不僅極大地調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，還提高了學(xué)生將理論用于實踐的信心。

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項目來源：2020年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于DSP系列芯片應(yīng)用技術(shù)融合教學(xué)研究的師資培訓(xùn)”（編號：202002051024）；2022年度海南熱帶海洋學(xué)院校級教學(xué)成果培育項目“基于產(chǎn)教融合的電子信息類課程教學(xué)改革探索——以DSP原理與應(yīng)用為示范”（編號：RHYcgpy202208）；2020年度海南熱帶海洋學(xué)院校級教學(xué)改革項目“互聯(lián)網(wǎng)時代下的MOOCS教學(xué)模式研究與改革——以《數(shù)字信號處理》課程為例”（編號：RHYktjg202021）；2020年度海南熱帶海洋學(xué)院校級教學(xué)改革項目“信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革研究與實踐”（編號：RHYktjg202019）

作者簡介：謝海霞（1978—），女，漢族，海南文昌人，碩士，副教授，研究方向為DSP技術(shù)在信號處理中的應(yīng)用。