趙亞湘， 李 宏， 王 瑋

(中南大學 信息科學與工程學院， 湖南 長沙 410075)

“數字信號處理”課程設計教學模式的探討

趙亞湘， 李 宏， 王 瑋

(中南大學 信息科學與工程學院， 湖南 長沙 410075)

本文針對“數字信號處理”課程設計的教學目標及學生在學習該課程時存在的問題，圍繞著課程設計的選題思想、實現方式等方面展開了研究和探討。提出了多層次設計的選題思路，設計內容從易到難、從理論驗證向實際工程應用過渡，在實現方式上采用單一或多種方式聯合進行。在鞏固和拓展學生所學理論知識的同時，提高了學生的實踐動手能力，取得了很好的實踐教學效果。

數字信號處理；課程設計；選題思路

0 引言

培養(yǎng)大學生的實踐能力和創(chuàng)新能力是新時期大學教育的重要目標。國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和卓越工程師計劃的目標是培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應社會經濟發(fā)展需要的各類型高質量的工程技術人才[1]。這些計劃的實施促使高等學校轉變教育思想觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強化對大學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

課程設計是大學課程體系中一項重要的實踐環(huán)節(jié)，它能引導學生從單純的理論學習逐漸過渡到實際工程應用中，培養(yǎng)學生理論聯系實際的正確的學習和設計思想，是高等學校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要教學環(huán)節(jié)[2-3]。

“數字信號處理”是電氣信息類本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程。該課程理論抽象，數學推導復雜，計算公式繁多，給學生的學習造成了“難學難懂”的困擾[4-6]。為了幫助學生理解與掌握課程中的基本理論與基本分析方法，提高其綜合應用所學知識分析問題和解決問題的能力,國內外許多高等學校在該課程之后又開設了“數字信號處理課程設計”這個重要的實踐環(huán)節(jié)。

1 多層次的設計選題思想

當前，學生在學完“數字信號處理”理論課程后，普遍存在的問題有：通過課程學習，雖然掌握了許多基本概念和理論知識，但對于概念的物理含義以及如何辨識卻模糊不清。如信號在時域、頻域有不同的特性，大部分學生不清楚如何利用這些特點進行信號分析與處理；學到了許多信號分析與處理的方法，但卻不知道如何具體應用以及應用在何處。如在濾波器的設計時，許多學生不會根據信號的特點選擇濾波器的參數；在具體應用時，對于實際數字信號是什么形式沒有一個明確的認識，數學表達與實際信號之間的關系與作用也不清楚，存在理論與實際嚴重脫節(jié)的現象；同時，此時學生剛進入大學高年級學習階段，雖接觸一些科研訓練，但還沒真正獨立自主地進行過科研課題開發(fā)。

針對存在的這些問題，本著鍛煉學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，在課程設計過程中我們采用循序漸進的設計方式，設置逐步加深的設計目標，設計過程也從基礎到綜合再到拓展應用，階段性地漸近延展。

(1)基礎型設計主要針對課程中的基本理論知識、重點和難點內容進行深化訓練，鞏固和強化已學知識。學生通過對實驗過程中生成的數據和圖形的觀察，加深對知識點的理解和掌握，通過對實驗結果的分析比較，熟悉數字信號分析與處理基本方法的應用。在做這類設計時，學生可快速掌握所采用的開發(fā)軟件或硬件平臺工具，為完成之后的綜合設計打下良好基礎。這部分的設計內容主要以信號與系統的時域、頻域分析以及數字濾波器的分析與設計為主。如給定兩個或多個頻率分量的合成信號，在進行頻譜分析時應如何選擇信號的長度以分辨出多個頻率分量同時避免頻譜泄露。

(2)綜合型設計是對基礎型設計的提高，這部分設計內容將多個知識點串接在一起綜合應用，以培養(yǎng)學生綜合應用所學知識分析問題和解決問題的能力。同時，又在理論上對所學知識有所拓展，加入了一些相關課程知識點或一些新的理論和算法，增加了系統設計內容。如引入了多分辨率分析、短時傅里葉變化、小波變換、頻分多址通信等內容，其中每一種變換和實現都有其獨特的性質，學生可以通過實驗仿真了解它們不同的特性和應用特點。如示例1：錄制一段語音信號，對其按抽取因子D進行抽取，然后對抽取后的信號按內插因子I進行內插，觀察抽取前后和插值前后信號的頻譜變化，并播放相應的語音信號，對比處理前后的語音效果。最后根據信號頻譜設計數字低通濾波器濾波恢復出語音信號，并與原信號進行比較。這里，D值的選取需根據語音信號的頻率范圍和原始抽樣率。隨著D值的增大，信號頻譜擴展越寬，頻率會出現混疊現象并越來越嚴重，低通濾波將很難還原出原語音信號。又如示例2：實現頻分多址通信，將多個調制信號經不同載頻調制后生成復用的已調信號，將該已調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、解調還原出原調制信號。在這個過程中需要考慮信號的頻率范圍、載頻的選擇、信號的調制和解調以及不同濾波器的設計。

(3)應用擴展型設計是更高層次的設計階段。在這一階段，教師針對實際應用信號給出設計要求，將數字信號處理技術引入到實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)學信號等。這一層次設計中，只給出設計任務，需要的原始數據部分由教師給定，還有部分需要學生自行采集或搜集，數據的分析與處理方法并未設定，具體的設計步驟也沒有給出。學生分組按照給出的設計要求查閱相關資料和文獻，分析需要求解的問題，明確每個成員的設計任務，設計具體的實現方案并編程仿真實現。如示例3：選用或錄制一段語音信號，對它進行特效處理，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，將其經過一些相關處理后提取出其中的運動目標。在這些設計中，學生首先需要查閱和學習相關的理論和算法，具體的設計步驟和設計方法也需要學生自己查找和不斷嘗試，找出最優(yōu)的設計方案和設計參數，并可根據應用背景的不同進行改進。

2 多形式的實現方式

Matlab是一種廣泛應用于數值分析與計算的工程計算語言。固其具有強大的科學計算與可視化功能，擁有為數眾多的面向不同領域的工具箱支持，簡單易學，編程效率高，從而受到越來越多的科研工作者的關注和喜愛[7]。Matlab中的信號處理工具箱包含了經典信號處理理論中的大部分內容，可用來快速而有效地實現信號與系統的分析、處理和設計等過程。因此，我們建議學生使用Matlab 作為開發(fā)工具來進行課程設計。

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據流編程方式開發(fā)應用程序。LabView中包含了大量的信號生成、信號及系統分析與處理函數，結合相應的數據采集卡,可有效地實現各種數字信號分析與處理功能[8]。因此為了擴展學生的知識面，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，我們也鼓勵他們部分采用或完全采用LabView作為開發(fā)工具進行設計。

對于一些動手能力強且對硬件感興趣的學生，我們鼓勵他們利用DSP硬件開發(fā)平臺進行設計。這些學生須自學DSP開發(fā)工具的基本使用, 熟悉DSP編程環(huán)境和系統資源的編程，并利用DSP系統完成課程設計任務。

3 設計效果

在課程設計過程中，我們通過觀察和隨機抽查發(fā)現：在基礎型設計階段，學生存在的主要問題是對于數字信號處理的一些基本概念模糊不清，同時對于開發(fā)軟件不夠熟悉，不能熟練應用其中的函數進行設計，通過復習課程所學知識和教師稍加指導后，一般都能順利地完成這一階段設計任務。在綜合性設計階段，學生需要獨立查找一些相關的圖書和資料，補充和拓展課本所學知識。如示例1中，語音信號通過時域抽樣和插值后，其相應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及濾波器的參數需根據信號選擇，此例中，選擇I=D=3。通過觀察圖中頻譜變化，學生可掌握隨著信號時域抽樣率的變化，相應頻譜變化的特點以及如何利用這些特點進行數據壓縮和傳輸，同時學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)了學生綜合應用所學知識分析問題、解決問題的能力。

在應用擴展型設計階段，學生需要按組分工協作，明確各人自己的設計任務和需要協作的部分，查閱相關資料和文獻確定具體的設計步驟和方法。在設計過程中，學生可能會出現一些在開始時沒有考慮到的問題，這些問題的出現，就要求學生根據出現的問題不斷改進自己的設計方案并完善設計結果。如示例4中，學生通過分析比較不同的實現方法，確定采用幀間差分法來完成設計任務。在閾值化差分圖像時，閾值的選擇就是一個考驗；閾值太大，無法檢測出運動目標，而太小，則會將很多背景像素劃分為目標像素。通過不斷的嘗試和比較，最后學生決定分別采用固定閾值和自適應閾值分割差分圖像，并對分割結果進行了一定的形態(tài)學濾波處理。圖2示出了運動目標檢測過程。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)為檢測出的運動目標。雖然最后的檢測結果還有待完善，但在這個過程中，許多知識學生在課堂中并沒有學過， 他們需要邊學邊實踐邊調整設計處理方法，其自學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 運動目標檢測結果

(趙亞湘等文)

4 結語

“數字信號處理”課程設計是對其理論教學的有效補充和擴展。本文針對課程設計需要強化和解決的問題，探討和研究了課程設計的選題思路、實現方式及教學理念，從不同方面和層次給出設計任務，其中每一層次有不同的設計要求和目的，從而多方面地培養(yǎng)學生的學習和實踐能力，培養(yǎng)了學生的科學探究精神和創(chuàng)新能力，取得了很好的實踐教學效果。

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

[2] 劉小康, 余潔冰.工科學生課程設計與綜合素質培養(yǎng)[J]. 廣州：高教探索, 2009(3): 133-134.

[3] 凌丹, 牟萍. 在綜合課程設計中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[J]. 北京：中國大學教學, 2013(12): 58-59.

[4] 張安清, 林洪文, 陳洪泉. 《數字信號處理》課程教學改革與方法研究[J]. 長沙：高等教育研究學報, 2013, 36(4): 113-115.

[5] 黃允凱. 電氣工程專業(yè)“數字信號處理”課程改革[J]. 南京：電氣電子教學學報, 2015,37(1): 15-17.

[6] 黃青華,方勇,劉凱. “數字信號處理”課程綜合項目教學方法[J]. 南京：電氣電子教學學報, 2015, 37(6): 55-56.

[7] 伯曉晨,李濤,劉路. Matlab工具箱應用指南--信息工程篇[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2000年1月.

[8] 陳錫輝,張銀鴻. LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M]. 北京:清華大學出版社, 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“數字信號處理”開放式精品示范課堂項目(160050114)

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

G642

A

1008-0686(2017)04-0128-04