潘小紅

摘 要：針對“數(shù)字信號處理”課程具有理論性較強、難學的特點，文章提出了項目教學法，以指導學生進行的一個綜合項目“基于水下語音信號的數(shù)字傳輸設計與Matlab仿真”為例，介紹數(shù)字信號處理課程的項目教學法。通過學生反饋，該方法可以提高學生的學習積極性和實踐動手能力，效果較好。

關鍵詞：項目教學法；數(shù)字信號處理；電信專業(yè)

“數(shù)字信號處理”課程是一門理論性較強的課程，數(shù)學推導多，學生往往感覺枯燥無味，學習興趣也不高，他們也不清楚學習這門課的意義[1-3]。目前，很多高校老師開展了教研教改工作[4-9]，并在課堂教學上對每個單一的理論知識點引入了Matlab仿真，可以幫助學生們對理論知識的理解，但同學們對數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設計還是無從下手。采用項目教學法，通過設計綜合性實驗項目可以將數(shù)字信號處理課程中的所有知識點融合，便于學生進行系統(tǒng)的學習，大大提高學習效率。

1 項目教學法設計

“數(shù)字信號處理”是電子信息工程專業(yè)的核心課程，教學內(nèi)容包括離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、離散時間信號與系統(tǒng)的變換域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)和數(shù)字濾波器的設計。結(jié)合教學內(nèi)容，為學生提供了綜合性項目題目進行訓練，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力[10]。本文以指導學生進行的一個綜合項目“基于水下語音信號的數(shù)字傳輸設計與Matlab仿真”為例，介紹數(shù)字信號處理的項目教學法。在整個教學過程中，學生作為主體，教師引導學生用所學的理論知識解決實際問題。

2 項目的實施

水下語音信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)主要包括發(fā)送端部分、接收端兩部分。發(fā)送端部分由水下語音信號輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成，并由發(fā)射機將模擬信號轉(zhuǎn)化為聲音信號后再與噪聲信號共同在水聲信道中傳輸送達到接收機。接收機將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。接收端由濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和譯碼模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和水下語音信號輸出模塊組成。要求同學們根據(jù)工作原理畫出如圖1所示的系統(tǒng)框圖。

2.1 水下語音信號采集處理模塊

讓同學們錄制一段自己的聲音信號，再通過采樣、量化和編碼可以將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。由于音頻信號的頻率是300 Hz～3.4 kHz，引導同學們分析對水下語音信號的采樣頻率為什么是8 kHz呢？從而引出采樣定理。接著讓同學們查閱水下語音信號的特點后，再來理解采用13折線A律的非均勻量化。編碼采用PCM，如圖2所示。

2.2 數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊

對同學們進行提問水下語音通信是否存在環(huán)境干擾呢？為了提高通信質(zhì)量，提出對信號進行調(diào)制的思想。設調(diào)制信號的最高頻率是fm，在信道擁擠的水聲通信環(huán)境中，設計采用數(shù)字維弗法單邊帶調(diào)制，如圖3所示。第一次正弦載波調(diào)制采用頻率為的正弦信號sin（πfmt）和余弦信號cos（πfmt）進行調(diào)制，可以得到信號y11（t）和y21（t），再經(jīng)過上限截止頻率為的低通濾波器后輸出信號y12（t）和y22（t），第二次正弦載波調(diào)制采用頻率為的正弦信號和余弦信號進行調(diào)制，調(diào)制后輸出信號y13（t）和y23（t），最后經(jīng)過加減輸出單邊帶信號ySSB（t）。解調(diào)過程與調(diào)制過程相反。下面以調(diào)制過程作介紹。由于音頻信號的頻率是300 Hz～3.4 kHz，所以第一次調(diào)制用的正交載波頻率為1.7 kHz。通過Matlab仿真結(jié)果如圖4所示。這讓同學們很直觀地對調(diào)制的原理進行理解。

2.3 IIR濾波器

數(shù)字濾波器有無限沖激響應FIR和有限沖激響應IIR兩種類型，讓同學們在數(shù)字維弗法單邊帶調(diào)制設計中先用低采樣率IIR濾波器進行濾波后再用高采樣率FIR濾波器進行濾波。首先讓同學們查閱IIR濾波器的設計方法，并分組討論雙線性法設計巴特沃斯濾波器和數(shù)字切比雪夫設計濾波器的優(yōu)缺點。為了濾掉第一次正交調(diào)制后的信號中的上邊帶，要求同學們設計中采用截止頻率為1.7 kHz的低通濾波器。其中，低通濾波器的階數(shù)為11階。濾波后的仿真結(jié)果如圖5所示。同學們對IIR濾波的效果有了一定的感性認識。

2.4 FIR濾波器

讓同學們查閱FIR濾波器的資料，F(xiàn)IR濾波器是有限長單位脈沖序列，F(xiàn)IR濾波器偏差不大，沒有極限環(huán)振蕩，且對性能參數(shù)沒有明確的規(guī)定，且濾波后噪聲較小。接著讓同學們根據(jù)語音信號的特點確定濾波器的技術指標：截止頻率3.4 kHz；采樣頻率96 kHz。

引導同學們通過12倍內(nèi)插法可以將采樣頻率提高到96 kHz，如圖6所示，濾波后的仿真結(jié)果如圖7所示。同學們通過播放濾波前和濾波后的音頻信號對FIR濾波的效果也有了一定的感性認識。

3 結(jié)語

本文針對“數(shù)字信號處理”課程難學，提出了項目教學法，讓學生主動參與進來學習。通過學生的反饋，該方法的確可以提高學生的積極性，并能讓他們將所學的理論知識用來解決實際問題，這也與長江大學一直提倡的應用型人才培養(yǎng)目標一致。

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