林連冬

(黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著大學(xué)畢業(yè)生就業(yè)形勢(shì)的改變，在新的世紀(jì)里高等教育除了注重培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生外，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作、知識(shí)的綜合運(yùn)用、獨(dú)立解決問(wèn)題，以及科技論文寫(xiě)作等能力，才能培養(yǎng)出滿足社會(huì)需要的實(shí)用型人才[1]。因此，實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的重要手段，受到越來(lái)越多的重視[1，7]。

為了滿足培養(yǎng)應(yīng)用型人才的需要我校電子工程學(xué)院的各個(gè)專業(yè)從2010年開(kāi)始研究設(shè)立符合各專業(yè)特色的電子類實(shí)訓(xùn)課程，其目的就是把各專業(yè)的主干課程聯(lián)系起來(lái)，理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生通過(guò)獨(dú)立完成一個(gè)完整的電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)加深專業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)實(shí)際操作能力。本文以電子信息科學(xué)專業(yè)的DSP技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程為例，從電子類專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程的題目設(shè)計(jì)原則、實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)考核方法以及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)中的不足和改進(jìn)方案等方面進(jìn)行了闡述。為今后開(kāi)展各類研究型實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)工作進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐[8]。

1 DSP實(shí)訓(xùn)課程題目設(shè)計(jì)原則

首先依據(jù)我校電子工程學(xué)院的辦學(xué)特色，并根據(jù)我校電子工程學(xué)院的師資、教學(xué)科研、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況及社會(huì)對(duì)信息類人才的需求等情況，確定了我院電子信息科學(xué)專業(yè)才培養(yǎng)模式:即培養(yǎng)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信號(hào)與信息處理方向的專業(yè)人才。培養(yǎng)學(xué)生熟悉電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法、信號(hào)與系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，掌握各類信息獲取、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)。能夠熟練地使用數(shù)字信號(hào)處理器、數(shù)字信號(hào)仿真分析工具，掌握常用的電路系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具同時(shí)具備較強(qiáng)的工程設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用能力[2]。

DSP實(shí)訓(xùn)課程題目設(shè)計(jì)的首要原則是要符合我院電子信息科學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案。其次還應(yīng)該結(jié)合DSP實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)來(lái)制定，DSP驗(yàn)室主要是通過(guò)面向現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理工程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，突出技術(shù)實(shí)用性和現(xiàn)代性等特點(diǎn)，切實(shí)提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力。最后題目的設(shè)計(jì)還應(yīng)該體現(xiàn)在課程體系中的不同課程之間的相互關(guān)聯(lián)性，這樣才能更加接近實(shí)際應(yīng)用，鍛煉和提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

由于DSP實(shí)訓(xùn)課面向大三學(xué)生開(kāi)設(shè)，在此之前學(xué)生們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)“信號(hào)與系統(tǒng)”、“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“數(shù)字電路”、“微機(jī)原理”等專業(yè)課程。按以上原則選擇的實(shí)訓(xùn)題目是基于DSP技術(shù)的DTMF信號(hào)產(chǎn)生與Goertzel檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)[3]。

2 DSP實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容的具體設(shè)計(jì)

雙音多頻 DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的傳輸速度，可以在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛地用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)流和語(yǔ)音等信息的遠(yuǎn)程傳輸。

將DTMF信令的產(chǎn)生與檢測(cè)工作集成到一個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的系統(tǒng)中，是一個(gè)能夠綜合訓(xùn)練數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的實(shí)訓(xùn)題目[4]。

DSP實(shí)訓(xùn)的教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括:① DTMF信號(hào)的產(chǎn)生算法原理——數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì)原理，DTMF信號(hào)的檢測(cè)原理——Goertzel檢測(cè)算法原理;② 基于Matlab2012的DTMF信號(hào)產(chǎn)生與檢測(cè)算法GUI仿真程序設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;③基于TMS3205402的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì);④基于CCS500的DSP程序設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;⑤系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。下面討論教學(xué)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 DTMF信號(hào)產(chǎn)生原理

DTMF編碼，將8個(gè)頻率分為高頻群和低頻群兩組，分別作為列頻和行頻，每一個(gè)按鍵的頻率模式由來(lái)自于列頻和行頻的兩個(gè)頻率疊加而成。DTMF信號(hào)的生成方法有三種，計(jì)算法、查表法和數(shù)字正弦振蕩器。用計(jì)算法求正弦波的離散序列值程序設(shè)計(jì)容易，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)占用計(jì)算時(shí)間，使系統(tǒng)運(yùn)行速度變慢。查表法是先通過(guò)Matlab將正弦波的序列值計(jì)算出來(lái)并寄存在存儲(chǔ)器中，運(yùn)行時(shí)只要按順序和一定的速度取出便可。這種方法要占用較多的存儲(chǔ)空間，但是速度快。第三種方法是利用數(shù)字振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率信號(hào)的疊加，這種方法通過(guò)迭代的方法計(jì)算出不同頻率的正弦信號(hào)序列，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，節(jié)省內(nèi)存，因此在實(shí)際應(yīng)用中我們選擇了這種方法[6]。

數(shù)字振蕩器的本質(zhì)是，使用一個(gè) IIR(Infinite Impulse Response)濾波器，通過(guò)把它的極點(diǎn)放在單位圓上面來(lái)產(chǎn)生振蕩[8-15]，

可以得到正弦序列x(n)的z變換為:

式(2)設(shè)計(jì)一個(gè)二階IIR濾波器，使其系統(tǒng)傳遞函數(shù)就是正弦序列x[n]的z變換。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

由傳輸函數(shù)得出該系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，在單位圓上有2個(gè)復(fù)共輒極點(diǎn)，由極點(diǎn)位置可以得出，系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)為一恒定幅度的振蕩信號(hào)，即所需的正弦信號(hào)。由系統(tǒng)函數(shù)求得差分方程:

式(4)是一個(gè)二階差分方程，其單位沖激響應(yīng)就是sin wt。由式(3)可得數(shù)字振蕩器系統(tǒng)流程圖如圖1所示:

圖1 數(shù)字振蕩器系統(tǒng)流程圖

2.2 數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證

由式(3)可知，系統(tǒng)參數(shù)如下:

式中:f0為輸出信號(hào)的頻率;k為正弦信號(hào)的幅值;fs為采樣信號(hào)頻率(8 kHz);w0為歸一化數(shù)字頻率。

根據(jù)上面的參數(shù)，代入輸出信號(hào)的頻率可以得到產(chǎn)生不同頻率正弦信號(hào)所需要的參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 數(shù)字振蕩器參數(shù)表

基于CCS500的數(shù)字振蕩器DSP調(diào)試結(jié)果如圖2數(shù)字按鍵‘1’的產(chǎn)生仿真圖所示，其中(a)圖是697 Hz+1 209 Hz的時(shí)域圖形(即代表數(shù)字按鍵‘1’);圖(b)是頻譜圖結(jié)果。通過(guò)圖2可以看到仿真結(jié)果和預(yù)期結(jié)果一致。

圖2 數(shù)字按鍵‘1’DTMF信號(hào)產(chǎn)生仿真圖

2.3 DTMF信號(hào)的檢測(cè)算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

DTMF信號(hào)檢測(cè)算法即是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并從中搜索出有效的行頻和列頻。計(jì)算數(shù)字信號(hào)的頻譜可采用DFT及其快速算法FFT而采用Goertzel算法要比FFT更快。因?yàn)閷?duì)于DTMF信號(hào)只用關(guān)心其8個(gè)行頻/列頻及其二次諧波信息即可(二次諧波的信息用于將DTMF信號(hào)與聲音信號(hào)區(qū)別)。此時(shí)Goertzel算法能更快速地在輸入信號(hào)中提取頻譜信息。

Goertzel算法的系統(tǒng)差分方程:

系統(tǒng)的輸出方程:

因?yàn)橹恍枰辣粰z測(cè)信號(hào)譜值的信息，所以對(duì)式(5)取模，得到式(6)?？梢钥吹?，在實(shí)際的運(yùn)算中已經(jīng)不包含復(fù)數(shù)運(yùn)算。

DTMF信號(hào)檢測(cè)的仿真圖如圖4所示。

圖4 DTMF信號(hào)檢測(cè)圖

DTMF系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由矩陣鍵盤得到的信號(hào)，輸出的判斷結(jié)果由液晶顯示器進(jìn)行顯示，這里矩陣鍵盤的讀取與控制我們采用HD7279A芯片，HD7279A是一款具有SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管及管理最多64鍵鍵盤，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能，大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，占用資源極少。液晶顯示采用LCM12864芯片，為了減少系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，以及系統(tǒng)的靈活配置，我們采用CPLD芯片作為外圍芯片與TMS54C02之間的連接控制芯片。由于篇幅的限制，這里我們不再對(duì)電路功能和原理進(jìn)行闡述[5]。

3 DSP實(shí)訓(xùn)課程的考核方法

參與實(shí)訓(xùn)課程的班級(jí)有40名學(xué)生，為了能夠?qū)γ恳粋€(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行有效的監(jiān)督和考核我們采取了如下方法:

(1)分組考核制。把學(xué)生按照4人一組分成10組，以小組為單位獨(dú)立完成設(shè)計(jì)。每個(gè)小組成員負(fù)責(zé)一個(gè)方向的工作。比如，1個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)Matlab程序設(shè)計(jì)，另外1個(gè)負(fù)責(zé)CCS程序開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)，第3個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)，最后1個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)FPGA程序開(kāi)發(fā)及撰寫(xiě)報(bào)告。

(2)考核形式。為了使每個(gè)同學(xué)都能夠在實(shí)驗(yàn)中有所收獲，除了按照最后的報(bào)告給成績(jī)外，我們還要求每個(gè)小組的學(xué)生都要以答辯的形式進(jìn)行考核。

(3)考核成績(jī)。考核總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)+作業(yè)成績(jī)+答辯成績(jī)等三部分組成，所占比例分別為10%，40%，50%。所以答辯成績(jī)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)非常重要，因此也就督促學(xué)生們?cè)谏险n時(shí)更加認(rèn)真的準(zhǔn)備。

4 教學(xué)中的不足和改進(jìn)方案

經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)工作，我們總結(jié)出工作中存在以下一些不足和待改進(jìn)的地方，以及改進(jìn)方案。

(1)實(shí)驗(yàn)題目數(shù)量不足。從效果上看不能完全的保證杜絕不同組之間進(jìn)行抄襲的現(xiàn)象，解決方案:開(kāi)發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)題目，比如數(shù)字濾波器，數(shù)據(jù)采集等，最好是保證每一組都有不同的任務(wù)。

(2)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制。應(yīng)該讓每一個(gè)組員都能夠熟悉并動(dòng)手實(shí)踐軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，報(bào)告撰寫(xiě)等工作，但由于學(xué)時(shí)的限制，現(xiàn)在每個(gè)人只能完成整個(gè)設(shè)計(jì)的一部分工作。解決方案:增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。

(3)互動(dòng)不足。由于實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)屬于開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)時(shí)間都是由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并完成設(shè)計(jì)，因此在遇到問(wèn)題時(shí)，不能及時(shí)求助老師。解決方案:建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，在網(wǎng)站上發(fā)布學(xué)習(xí)計(jì)劃，各種資料，并回答學(xué)生的問(wèn)題，對(duì)論文設(shè)計(jì)工作進(jìn)行在線指導(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

討論了綜合實(shí)訓(xùn)類課程合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善實(shí)驗(yàn)考核形式的重要性。并且通過(guò)基于DSP的DTMF信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)完整的例子，解釋了綜合實(shí)訓(xùn)類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)方法。通過(guò)一個(gè)學(xué)期的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)這種綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)訓(xùn)類課程非常受學(xué)生的歡迎，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也激勵(lì)我們開(kāi)發(fā)更多地綜合性實(shí)訓(xùn)類的實(shí)驗(yàn)題目，滿足學(xué)生們的學(xué)習(xí)愿望。

[1] 林連冬.EDA技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室研究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013(5):216-218.LIN Lian-dong.Teaching Exploration and Practice in the Open Laboratory of EDA Technology[J].Research And Exploration In Laboratory，2013(5):216-218.

[2] Beck R，Dempster G.Finite-precision Goertzel Filter Used for Signal Tone Detection[J].IEEE transactions，2001，48(6):691-700.

[3] 夏 斌，于永學(xué)，李小瑞.戈澤爾算法在DTMF信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用與改進(jìn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào).2008(22):53-56.Xia Bin，Yu Yongxue，Li Xiaorui.Application and Improvement of Goertzel Algorithm on DTMF Signal Detection[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument.2008(22):53-56.

[4] Goertzel G.An Algorithm for the Evaluation of Finite Trigonometry Series[J].American Math Monthly，1958，65(1):34-35.

[5] 林連冬，馬慧珠，溫少波.基于FPGA技術(shù)的RC6改進(jìn)算法研究[J].電測(cè)與儀表.2008(11):14-17.LIN Lian-dong，MA Hui-zhu，WEN Shao-bo.The research of RC6 improvement algorithm based on FPGA[J].Electrical Measurement＆Instrumentation.2008(11):14-17.

[6] 呂贊福，孟維曉，李 研.基于DSP的DTMF編解碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].電子器件.2004(12):695-698.LV Zan-fu，MENG Wei-xiao，LI Yan.Implementation of DTMF Coding/Decoding on DSP[J].Chinese Journal of Electronic Devices.2004(12):695-698.

[7] 寧更新，李建中，方學(xué)陽(yáng)，等.DSP實(shí)驗(yàn)多元化教學(xué)方法的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2011(07):122-168.NING Geng-xin，LI Jian-zhong，F(xiàn)ANG Xue-yang，et al.Study for the Multi-view Teaching Method of the Digital Signal Processing Experiment[J].Research And Exploration In Laboratory，2011(7):122-168.

[8] 朱金秀，張 卓，朱昌平.數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008(5):121-123.ZHU Jin-xiu， ZHANG Zhuo， ZHU Chuang-ping. Expermiental Teaching Research and Practice of Digital Signal Processing Course[J].Research And Exploration In Laboratory，2008(5):121-123.

[9] GOERTZEL G. An Algorithm forthe Evaluation ofFinite Trigonometric Series[J].American Math Monthly，Jan 1958，65:34-45.

[10] 于兵川.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010(2):76-77.YU Bing-chuan.Organically Combining Experimental Teaching with Scientific Research for Cultivating Students.Creativeness and Ability[J].Research And Exploration In Laboratory，2010(2):76-77.

[11] DeVries H.Finding a dominance order most consistent with a linear hierarchy:a new procedure and review[J].Animal Behavior，1998，55:827-843.

[12] White D，King A.Voice recognition technology as a tool for behavioral research[J].Behavior Research Methods，Instruments，＆Computers，2002，34(1):1-5.

[13] 王其軍.深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提高育人質(zhì)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013(11):131-133.WANG Qi-jun.Deepening the Reform of Experimental Teaching to Improve the Quality of Education[J].Research And Exploration In Laboratory.2013(11):131-133.

[14] 陳 梁.基于自相關(guān)的音頻傳輸系統(tǒng)延時(shí)檢測(cè)方法[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013(11):101-104.CHEN Liang.Delay Detection Method for Audio Transmission System Based on Autocorrelation[J].Research And Exploration In Laboratory，2013(11):101-104.

[15] Felder D，Mason C.Efficient Dual-Tone Multifrequency Detection Using the Nonuniform Discrete Fourier Transform[J].IEEE Signal Processing Letters，1998，5(7):160-163.