發(fā)布時(shí)間：2023-04-14 16:56:08
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的數(shù)字信號(hào)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
1．1圖解法圖解法主要是在坐標(biāo)系上，嚴(yán)格按照計(jì)算（1）式的四個(gè)步驟：翻轉(zhuǎn)、移位、相乘和求和，得到線(xiàn)性卷積結(jié)果。采用圖解法比較直觀講解線(xiàn)性卷積的計(jì)算過(guò)程，在數(shù)字信號(hào)處理教材中常采用圖解法為例講解線(xiàn)性卷積的計(jì)算［1，2］。
1．2多項(xiàng)式法多項(xiàng)式法是根據(jù)序列x（n）和h（n）構(gòu)造多項(xiàng)式，序列x（n）和h（n）的元素作為多項(xiàng)式的系數(shù)，例如：根據(jù)序列x（n）＝｛1，3，2｝構(gòu)造多項(xiàng)式x2＋3x＋2，根據(jù)序列h（n）＝｛10，20｝構(gòu)造多項(xiàng)式10x＋20，把兩個(gè)多項(xiàng)式相乘（x2＋3x＋2）＊（10x＋20）＝10x3＋50x2＋80x＋40，相乘所得的多項(xiàng)式的系數(shù)構(gòu)成的序列｛10，50，80，40｝即為線(xiàn)性卷積的結(jié)果。
1．3豎式法豎式法是把序列x（n）和h（n）按照最后一位對(duì)齊，進(jìn)行豎式乘法運(yùn)算［4］，但各個(gè)元素相乘后不進(jìn)位，例如序列x（n）＝｛1，3，2｝和h（n）＝｛10，20｝按照豎式法計(jì)算線(xiàn)性卷積如圖1所示，則線(xiàn)性卷積結(jié)果為｛10，50，80，40｝。
1．4FFT快速算法當(dāng)循環(huán)卷積的長(zhǎng)度L大于或等于線(xiàn)性卷積的長(zhǎng)度N＋M－1時(shí)，循環(huán)卷積的結(jié)果和線(xiàn)性卷積的結(jié)果相等，所以只要FFT快速算法的計(jì)算點(diǎn)數(shù)大于線(xiàn)性卷積的長(zhǎng)度，就可以采用FFT快速算法計(jì)算出線(xiàn)性卷積，在MATLAB軟件中提供了FFT快速算法的函數(shù)，通過(guò)調(diào)用fft函數(shù)和ifft函數(shù)完成線(xiàn)性卷積計(jì)算［5］。上述計(jì)算線(xiàn)性卷積的方法中，圖解法適于講解線(xiàn)性卷積的運(yùn)算規(guī)律，多項(xiàng)式法和豎式法適合于快速計(jì)算出線(xiàn)性卷積的結(jié)果，F(xiàn)FT快速算法適合采用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)。
2循環(huán)卷積的計(jì)算方法
2．1圖解法圖解法主要是在坐標(biāo)系上，嚴(yán)格按照計(jì)算（4）式的六個(gè)步驟：補(bǔ)零、周期延拓、翻轉(zhuǎn)、移位、相乘和求和，得到循環(huán)卷積結(jié)果［6］，采用圖解法比較直觀理解循環(huán)卷積的計(jì)算過(guò)程。
2．2矩陣相乘法由于循環(huán)卷積在對(duì)序列x（m）經(jīng)過(guò)補(bǔ)零、周期延拓、翻轉(zhuǎn)得到的序列x［（（－m））L］＝x（L－m）為循環(huán)倒相序列，循環(huán)右移序列x［（（n－m））L］為對(duì)循環(huán)倒相序列進(jìn)行循環(huán)右移n位后得到的循環(huán)移位序列，然后把得到的循環(huán)移位序列與h（m）相乘并求和得到y(tǒng)c（n），由于相乘求和運(yùn)算可由矩陣相乘代替，即由循環(huán)移位序列構(gòu)成L點(diǎn)循環(huán)卷積矩陣，與由h（m）構(gòu)成的L維列向量相乘，得到y(tǒng)c（n）。采用矩陣相乘法計(jì)算循環(huán)卷積簡(jiǎn)單明了，在數(shù)字信號(hào)處理教材中大多采用此方法為例講解循環(huán)卷積的計(jì)算［1］。
2．3線(xiàn)性卷積法由于循環(huán)卷積和線(xiàn)性卷積滿(mǎn)足的關(guān)系如（5）式所示［1］。當(dāng)循環(huán)卷積的長(zhǎng)度L大于或等于線(xiàn)性卷積的長(zhǎng)度N＋M－1時(shí)，線(xiàn)性卷積yl（n）做周期延拓?zé)o重疊，此時(shí)循環(huán)卷積和線(xiàn)性卷積相等，此時(shí)線(xiàn)性卷積的結(jié)果為循環(huán)卷積的前N＋M－1項(xiàng)，循環(huán)卷積的后L－N－M＋1項(xiàng)為零。當(dāng)循環(huán)卷積的長(zhǎng)度L小于線(xiàn)性卷積的長(zhǎng)度N＋M－1時(shí)，線(xiàn)性卷積yl（n）做周期延拓有重疊，循環(huán)卷積的結(jié)果有兩部分組成，一部分是線(xiàn)性卷積不重疊的部分，n的取值區(qū)間為N＋M－1－L≤n≤L－1，此時(shí)循環(huán)卷積和線(xiàn)性卷積相等；另一部分為重疊部分，n的取值區(qū)間為0≤n≤N＋M－L－2，重疊部分的循環(huán)卷積計(jì)算如（6）式所示。上述計(jì)算循環(huán)卷積的方法中，圖形法適于講解循環(huán)卷積的運(yùn)算規(guī)律，矩陣相乘法和線(xiàn)性卷積法適合于快速計(jì)算出循環(huán)卷積的結(jié)果。
3結(jié)論
1．1誤碼監(jiān)測(cè)當(dāng)前誤碼監(jiān)測(cè)主要通過(guò)以下兩種途徑:(1)固定圖形測(cè)試法。將測(cè)試信號(hào)發(fā)生器TSG422產(chǎn)生的一個(gè)固定圖形測(cè)試信號(hào)送給被測(cè)數(shù)字電視通道的輸入端，將該通道輸出的數(shù)字信號(hào)接入WFM601波形監(jiān)視器，波形監(jiān)視器將顯示出每一場(chǎng)有效圖像面積數(shù)字信號(hào)的CRC循環(huán)冗余碼數(shù)據(jù)檢驗(yàn)字，第一場(chǎng)的CRC數(shù)值F1和第二場(chǎng)的CRC數(shù)值F2可以在監(jiān)視器屏幕上顯示出來(lái)。對(duì)于某一固定測(cè)試信號(hào)，CRC檢驗(yàn)字的數(shù)值是恒定不變的，如果CRC數(shù)值發(fā)生變化，就表明產(chǎn)生了誤碼。利用泰克公司生產(chǎn)的數(shù)字分量視頻波形監(jiān)視器WFM601或VM700T的SDI選件都可以方便地進(jìn)行誤碼的測(cè)試，只要將數(shù)字視頻信號(hào)饋入測(cè)試儀器，即可進(jìn)行誤碼的自動(dòng)檢測(cè)。(2)在線(xiàn)EDH誤碼檢測(cè)處理。首先在串行數(shù)字電視信號(hào)源中插入EDH信號(hào)，該信號(hào)主要是利用EDH附件將每一串行視頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)數(shù)字電視通道傳送至測(cè)試接收機(jī)，接收機(jī)的EDH附件對(duì)圖像反復(fù)進(jìn)行相同的計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果與傳送信號(hào)中的EDH信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果與傳送的數(shù)值不符，即判定發(fā)生了誤碼，屏幕上顯示出節(jié)目的總時(shí)間和誤碼的個(gè)數(shù)。EDH信息是插入在串行數(shù)字電視信號(hào)中，所以能在系統(tǒng)工作期間進(jìn)行測(cè)試，既可以測(cè)量有效圖像的數(shù)據(jù)誤碼也可以測(cè)量全場(chǎng)信號(hào)的數(shù)據(jù)誤碼。含有EDH信息的場(chǎng)圖像的CRC數(shù)據(jù)以及其他輔助數(shù)據(jù)同時(shí)插入到下一場(chǎng)場(chǎng)消隱的開(kāi)始端處。2MPEG協(xié)議分析和監(jiān)測(cè)MPEG系統(tǒng)故障主要分為兩大類(lèi):第一類(lèi)，由于編碼器和解碼器本身的錯(cuò)誤，導(dǎo)致由傳輸系統(tǒng)傳來(lái)的正確信息變成錯(cuò)誤的。第二類(lèi)，編碼器和解碼器狀態(tài)良好，但是傳輸層破壞了數(shù)據(jù)。
2、1.TS流分析
MPEG傳輸碼流有著極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但是MPEG協(xié)議分析工具可以用邏輯方式解析結(jié)構(gòu)，從而可以對(duì)實(shí)況傳輸碼流進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，觀察任何結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)。節(jié)目專(zhuān)用信息插入的頻率分析:用不同的方式給出各個(gè)子表格如PAT、PMT、NIT、SDT、BAT、EIT等的發(fā)送頻率，復(fù)用傳輸碼流的碼率為20Mb/s。第一項(xiàng)(P．inbytes)是以字節(jié)為單位表示的子表格在傳輸流中出現(xiàn)的最大平均周期;第二項(xiàng)(P．insex．)是以秒為單位表示的子表格在傳輸流中出現(xiàn)的最大平均周期;第三項(xiàng)(Tablelength)是用字節(jié)為單位表示的子表格平均長(zhǎng)度;第四項(xiàng)(Rate)表示子表格發(fā)送的碼率。通過(guò)分析PCR節(jié)目時(shí)鐘參考和時(shí)間標(biāo)記數(shù)據(jù)來(lái)檢查定時(shí)是否正常。來(lái)自復(fù)用器輸出的PCR數(shù)據(jù)可能是精確的，在數(shù)據(jù)復(fù)用之后，對(duì)PCR抖動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)顯得很重要。2．2PES分析T－STD緩沖器占有量分析:在MPEG中，一個(gè)給定的基本碼流必須滿(mǎn)足解碼器的緩沖能力，MPEG編碼器不能超出T－STD的緩沖能力而使數(shù)據(jù)上溢或下溢。傳輸流中包含有VBV(視頻緩沖校驗(yàn))的系數(shù)，該系數(shù)規(guī)定了一個(gè)基本數(shù)據(jù)流需要的緩沖量。T－STD分析以圖形方式顯示緩沖占有量，可以觀察到各個(gè)緩沖器的占有率和占用字節(jié)的多少，這樣可以很方便地從曲線(xiàn)圖中觀察到數(shù)據(jù)的上溢和下溢。
3、數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)督和測(cè)量
針對(duì)數(shù)字電視信號(hào)的特點(diǎn)，在ETR101290標(biāo)準(zhǔn)中，按照錯(cuò)誤對(duì)信號(hào)影響的因素，以此為標(biāo)準(zhǔn)把錯(cuò)誤劃分為第一優(yōu)先級(jí)、第二優(yōu)先級(jí)和第三優(yōu)先級(jí)3個(gè)優(yōu)先等級(jí)。第一優(yōu)先等級(jí)錯(cuò)誤通常會(huì)造成解碼器無(wú)法正常解碼的現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)節(jié)目關(guān)聯(lián)表錯(cuò)誤、同步字節(jié)錯(cuò)誤以及傳輸流同步丟失。第一優(yōu)先級(jí)參數(shù)直接影響節(jié)目圖像和伴音的內(nèi)容。出現(xiàn)第二優(yōu)先級(jí)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)損傷已解碼圖像，或者引起斷續(xù)解碼，這一優(yōu)先級(jí)參數(shù)包括傳輸錯(cuò)誤、節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn)錯(cuò)誤等內(nèi)容。第二優(yōu)先級(jí)參數(shù)直接影響傳輸?shù)目煽啃浴５谌齼?yōu)先級(jí)錯(cuò)誤指示編碼器、復(fù)用器的問(wèn)題但不影響可解碼性，對(duì)圖像質(zhì)量影響較小，包括網(wǎng)絡(luò)信息錯(cuò)誤、服務(wù)信息重復(fù)周期錯(cuò)誤、業(yè)務(wù)描述表錯(cuò)誤等參數(shù)。第三優(yōu)先級(jí)參數(shù)影響顯示結(jié)果。目前服務(wù)器是數(shù)字電視信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作的主要平臺(tái)，數(shù)字電視信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)為數(shù)字電視信號(hào)采集卡。檢測(cè)主機(jī)除包含服務(wù)器及數(shù)字電視信號(hào)采集卡外還有相關(guān)軟件包，數(shù)字電視信號(hào)通過(guò)DVBPSI接口或DVBASI接口連接到監(jiān)測(cè)主機(jī)。監(jiān)測(cè)工作的首要步驟是基帶數(shù)字電視信號(hào)通過(guò)信道調(diào)節(jié)器解出，然后監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)ASI接口對(duì)基帶數(shù)字電視信號(hào)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，按照監(jiān)測(cè)規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)流的監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表、參數(shù)顯示或報(bào)警等顯示。
4、數(shù)字電視射頻信號(hào)監(jiān)測(cè)
關(guān)鍵詞 數(shù)字信號(hào)處理 DSP 課程體系 滲透
中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Knowledge Penetration and Extension of Digital Signal
Processing Theory and Practice Teaching
CAO Xinli， TIAN Yi
（School of Electrical and Information Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073）
Abstract This paper takes mathematical principles to the domain transform domain digital signal processing when students are learning in a digital filter network for example， correspond by comparing before and after signal processing algorithms and theory on the actual hardware implementation， allows students to easily from the Z transform， discrete Fourier transform learning theory easy to draw circuits and program their hardware implementation is achieved. In the study of digital signal processing algorithms in the process， to students whose mathematical formulas penetration corresponding hardware circuits and structures， can make subsequent DSP applications while learning courses， easy to understand and design. Theoretical and experimental study by personal experience， feel the penetration and extension of signal processing system in the teaching curriculum.
Key words digital signal processing； DSP； course system； penetration
在電子信息工程學(xué)科中，數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)和仿真課程已經(jīng)很好地融合進(jìn)來(lái)。很多高校的信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)相繼開(kāi)設(shè)了數(shù)字信號(hào)處理，DSP應(yīng)用的相關(guān)理論課程，并開(kāi)設(shè)了matlab信號(hào)分析與處理等課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。如何在理論和實(shí)踐課程教學(xué)中完成對(duì)數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)的滲透于延伸，讓學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)到數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的理論和實(shí)踐和有機(jī)結(jié)合呢？
1 數(shù)字信號(hào)處理的作用
數(shù)字信號(hào)處理是研究把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示成序列，通過(guò)計(jì)算機(jī)或通用（專(zhuān)用）信號(hào)處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法處理，提取有用信息便于應(yīng)用的客觀規(guī)律性。
在信號(hào)處理中，很多信號(hào)比如聲音信號(hào)，在時(shí)域上看是雜亂無(wú)章的，沒(méi)有任何規(guī)律的，當(dāng)轉(zhuǎn)化成頻域信號(hào)后，很容易看出來(lái)信號(hào)的相關(guān)性質(zhì)，對(duì)信號(hào)的處理也更為方便。模擬信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)信號(hào)衰減大，且抗干擾能力差；數(shù)字信號(hào)設(shè)備靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸速度快且不失真。
數(shù)字信號(hào)處理可以將有用信號(hào)從雜亂無(wú)章的干擾中提取出來(lái)，恢復(fù)原始信號(hào)并可以對(duì)其增強(qiáng)。它對(duì)聲音，圖像，其他現(xiàn)實(shí)中的物理量進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、信號(hào)傳輸、信號(hào)接收還原、信號(hào)濾波等作用，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量，在電信和其它學(xué)科中具有重要的意義。
數(shù)字信號(hào)處理算法是對(duì)其離散信號(hào)與系統(tǒng)的變換和濾波的理論基礎(chǔ)，在此算法基礎(chǔ)上，用硬件或軟件的方法將其實(shí)現(xiàn)，這是整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理的過(guò)程。下面我們來(lái)分析變換理論和具體實(shí)現(xiàn)之間的對(duì)應(yīng)。
2 數(shù)字信號(hào)處理中數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)算法原理
在數(shù)字信號(hào)處理中，以IIR數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)為例。對(duì)于一個(gè)輸入輸出關(guān)系已經(jīng)給定的系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)或差分方程已知，可以用不同結(jié)構(gòu)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。由Z變換的相關(guān)知識(shí)，我們可以知道對(duì)N階差分方程進(jìn)行Z變換，得到系統(tǒng)函數(shù)的一般表示式：
（1）
如果要設(shè)計(jì)IIR級(jí)聯(lián)型數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)，就要根據(jù)級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將H（z）變換成級(jí)聯(lián)型一階節(jié)和二階節(jié)的形式。
（2）
這樣，就把系統(tǒng)函數(shù)分解成了N1個(gè)一階節(jié)和N2個(gè)二階節(jié)。有了這樣的結(jié)構(gòu)，就可以得到IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)方框圖，如圖1。
圖1 IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)方框圖
3 數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)二階節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)
第二節(jié)中是數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的算法原理和系統(tǒng)函數(shù)分解公式，那么這樣的數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)怎樣用硬件實(shí)現(xiàn)呢？
從圖1看出，IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)是由M個(gè)二階節(jié)組成的，一階節(jié)可以看做二階節(jié)的特殊情況。在每一個(gè)二階節(jié)中，有四個(gè)加法環(huán)節(jié)（如圖1中的圓圈標(biāo)示），有兩個(gè)延時(shí)單元，有四個(gè)標(biāo)量乘法環(huán)節(jié)。其中的加法環(huán)節(jié)和標(biāo)量乘法器可以有專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理芯片中的加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)，延時(shí)單元可以由觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，比如D觸發(fā)器。
現(xiàn)在以一個(gè)二階節(jié)為例，根據(jù)方框原理圖（圖2）說(shuō)明其硬件構(gòu)成。
（3）
（4）
所以從到有兩個(gè)延時(shí)電路——延時(shí)一個(gè)周期和兩個(gè)周期，即為，；兩個(gè)乘法電路，；兩個(gè)加法電路。用硬件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。同樣地，從到的電路結(jié)構(gòu)與前面類(lèi)似，延時(shí)電路可以與前面公用。
圖2 IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)二階節(jié)方框圖
圖3 IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)二階節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)
4 數(shù)字信號(hào)處理課程理論與實(shí)踐教學(xué)的知識(shí)滲透與延伸
學(xué)生在數(shù)字信號(hào)處理的理論課程中了解了相關(guān)的算法原理后，并和實(shí)際的硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)了解，就掌握了從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換過(guò)程。
所以在講授數(shù)字信號(hào)處理的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，都應(yīng)該按照這樣的思想去引導(dǎo)學(xué)生：（1）清晰透徹的講授每一章節(jié)的離散信號(hào)與系統(tǒng)的算法原理，從時(shí)域分析到頻域分析，到時(shí)頻變換，快速算法，到數(shù)字濾波結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)。在每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)上，都把相應(yīng)的數(shù)學(xué)原理和對(duì)應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)，使學(xué)生了解知識(shí)的實(shí)際用途。（2）在學(xué)生掌握算法原理的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)其在相應(yīng)的仿真工具上進(jìn)行算法的仿真，得到相應(yīng)的系數(shù)和性能，分析算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。（3）根據(jù)前面學(xué)習(xí)的理論算法和硬件實(shí)現(xiàn)的知識(shí)滲透，使學(xué)生能夠快速輕松地選擇相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器件，實(shí)現(xiàn)其算法原理，從而達(dá)到理論和實(shí)踐的較好結(jié)合，使得學(xué)生在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，有了較深入和較高層次的認(rèn)識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用。
5 結(jié)論
論文以一個(gè)實(shí)際的《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)范例——IIR級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原理，說(shuō)明了教學(xué)的順序和層次，從理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，到具體實(shí)現(xiàn)的滲透，使得學(xué)生在徹底掌握理論變換算法的基礎(chǔ)上，更深層次地與實(shí)際動(dòng)手相結(jié)合，很好地對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的滲透與延伸，在后續(xù)的DSP原理與應(yīng)用，信號(hào)分析與處理中可以較為輕松深入地掌握，達(dá)到較好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 張洪濤，萬(wàn)紅，楊述斌.數(shù)字信號(hào)處理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.
[2] 吳鎮(zhèn)揚(yáng).數(shù)字信號(hào)處理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
[3] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.2.
【關(guān)鍵詞】測(cè)控技術(shù)與儀器；數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)內(nèi)容與方法
【Abstract】The view of comprehension and application of digital signal processing techniques vary with different major. Some discussion is apposed in the paper about the consummation and innovation of digital signal processing teaching contents and methods under the characteristic and demand of the major of measurement & control techniques and instruments.
【Keywords】measurement & control techniques and instruments， digital signal processing， teaching contents and methods
數(shù)字化和信息化的迅速發(fā)展，使得數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用在日常生活中的地位越來(lái)越突出，新的算法（或改進(jìn)算法）層出不窮，新的器件頻繁更替。對(duì)于儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科下的測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，“數(shù)字信號(hào)處理”是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程不僅理論性強(qiáng)，工程應(yīng)用背景也十分明確。作為一門(mén)涉及面廣的學(xué)科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，如何與學(xué)科的應(yīng)用需求接軌、與學(xué)生的知識(shí)體系融合，改革教學(xué)內(nèi)容與授課方法，全面提高教學(xué)質(zhì)量與效果，與時(shí)俱進(jìn)、科學(xué)發(fā)展，創(chuàng)建有專(zhuān)業(yè)特色的示范性課程是課程組面臨的問(wèn)題。
論文以學(xué)校課程體系建設(shè)的目標(biāo)與要求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器本科專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和建設(shè)需求，在“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)內(nèi)容的完善、教學(xué)方法的革新等方面進(jìn)行了探討，提出了一些觀點(diǎn)和看法。
1 學(xué)科與專(zhuān)業(yè)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的專(zhuān)門(mén)需求
儀器是信息獲取、處理與應(yīng)用的工具，而儀器學(xué)科與技術(shù)則是研究以獲取信息為目的的信息轉(zhuǎn)換、處理、傳輸、存貯、顯示與應(yīng)用等技術(shù)與裝置的應(yīng)用科學(xué)，其核心內(nèi)容可以用四個(gè)關(guān)鍵詞概括，即：計(jì)量、測(cè)量、儀器和傳感器[1]。沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)，儀器科學(xué)與技術(shù)的領(lǐng)先程度決定了科研和生產(chǎn)的先進(jìn)程度和競(jìng)爭(zhēng)能力[2]。從這個(gè)角度來(lái)看，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)更加強(qiáng)調(diào)數(shù)字信號(hào)處理的物理意義，也就是信號(hào)對(duì)象的物理屬性，包括：時(shí)間屬性、頻率熟悉、誤差范圍、測(cè)量精度等。
目前該校儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科逐漸形成了以現(xiàn)代傳感技術(shù)及系統(tǒng)、空間儀器工程、無(wú)線(xiàn)電測(cè)量理論及應(yīng)用為主要方向，以信息獲取與處理為主要內(nèi)涵的省重點(diǎn)特色學(xué)科，本科專(zhuān)業(yè)為測(cè)控技術(shù)與儀器，要求學(xué)生掌握信號(hào)采集、分析與處理等方面的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，在測(cè)控、測(cè)量及測(cè)試等方面具有良好的理論素養(yǎng)和技術(shù)基礎(chǔ)。開(kāi)設(shè)了“電工與電路基礎(chǔ)”、“信號(hào)系統(tǒng)與控制”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)”等一系列專(zhuān)業(yè)課程。主要課程見(jiàn)表1。
表1：測(cè)控技術(shù)與儀器主要專(zhuān)業(yè)課程情況
從表中可見(jiàn)“數(shù)字信號(hào)處理”首當(dāng)其沖成為一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，并且為測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)服務(wù)，有著明顯的信號(hào)采集、測(cè)量、微弱信號(hào)檢測(cè)、儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用需求。在本專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系中，“數(shù)字信號(hào)處理”緊密連接傳感器的信號(hào)調(diào)理，與信息轉(zhuǎn)換、處理甚至是傳輸和存儲(chǔ)等有密切的關(guān)系，其內(nèi)涵更加偏向于真實(shí)信號(hào)物理量的采樣與處理，目標(biāo)更加注重于數(shù)字信號(hào)的物理意義和應(yīng)用方向。課程內(nèi)容包括：采樣過(guò)程及誤差分析、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、離散變換及其快速算法、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、多采樣率信號(hào)處理等。課程將通過(guò)講授、練習(xí)、實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和方法，并能使用軟硬件工具進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理工作。
2 依據(jù)學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)改革教學(xué)內(nèi)容與方法
根據(jù)課程體系建設(shè)的需求，在教學(xué)內(nèi)容與方法方面嘗試提出了如下建設(shè)目標(biāo)：
2.1 結(jié)合學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，吸收國(guó)外先進(jìn)教學(xué)理念，與國(guó)際著名院校課程內(nèi)容設(shè)置充分融合，以經(jīng)典“數(shù)字信號(hào)處理”課程體系為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)中備受關(guān)注的信號(hào)處理方法和技術(shù)為導(dǎo)向，緊扣真實(shí)信號(hào)物理量采樣與處理的學(xué)科背景，結(jié)合國(guó)外相關(guān)專(zhuān)業(yè)知名教材，在專(zhuān)業(yè)課程體系內(nèi)將教學(xué)的內(nèi)容、課程間的關(guān)系與教學(xué)實(shí)踐緊密配合一起，積極梳理課程體系之間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)學(xué)科和理論技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)地完善教學(xué)內(nèi)容。
2.2 開(kāi)拓國(guó)際化視野，充分采用啟發(fā)式、交互式、研討式的教學(xué)方法和課堂、網(wǎng)絡(luò)和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)手段；嘗試通過(guò)引進(jìn)國(guó)外教學(xué)名師開(kāi)展課外專(zhuān)題講座，提高學(xué)生的興趣、拓展學(xué)生的專(zhuān)業(yè)思路，提升授課效果；用儀器科學(xué)與技術(shù)大專(zhuān)業(yè)的通識(shí)教育理念，建立典型案例素材庫(kù)，完善學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系及應(yīng)用能力；結(jié)合科研條件，采用軟件仿真和硬件驗(yàn)證相結(jié)合實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重達(dá)到30%以上；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)突出互動(dòng)性，答疑和研討環(huán)節(jié)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平成。
3 開(kāi)拓思路積極探索改革舉措
測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)學(xué)生有著明顯的工程技術(shù)培養(yǎng)需求，“數(shù)字信號(hào)處理”課程是專(zhuān)業(yè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的橋梁，必須結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，與國(guó)際化教學(xué)內(nèi)容融合，與電工技術(shù)、信號(hào)系統(tǒng)與控制等課程密切配合、融合[3，4]，充分體現(xiàn)測(cè)控技術(shù)、儀器、傳感器對(duì)信號(hào)處理的更高要求和需求、拓展數(shù)字信號(hào)處理的廣度和深度，在無(wú)線(xiàn)電測(cè)量、精密儀器信號(hào)處理和微弱信號(hào)處理等方面突出授課重點(diǎn)，為學(xué)科專(zhuān)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。舉措如下：
3.1 結(jié)合學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，與國(guó)際著名院校類(lèi)似專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容設(shè)置充分融合，將教學(xué)的內(nèi)容、課程間的關(guān)系與教學(xué)實(shí)踐緊密配合一起，充分提升授課效果，結(jié)合學(xué)科需求，將“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)內(nèi)容與國(guó)際接軌，并能根據(jù)學(xué)科和理論技術(shù)的發(fā)展而動(dòng)態(tài)適應(yīng)。
優(yōu)秀教材與普通教材的區(qū)別，并不在于內(nèi)容及其先進(jìn)性，也不僅僅在于語(yǔ)言，主要在于教學(xué)的理念和方法[5]，對(duì)于本專(zhuān)業(yè)的“數(shù)字信號(hào)處理”課程更是如此。因此必須融合國(guó)外教材和國(guó)內(nèi)教材的特點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容的講授方式、時(shí)機(jī)與深度，引入概念方法時(shí)，注重啟發(fā)性、直觀性，可使學(xué)生先知其然，而后再知其所以然。在敘述方式上，同一內(nèi)容由淺入深，在不同章節(jié)，從不同層次加以闡述，力圖體現(xiàn)各部分間有機(jī)聯(lián)系；同時(shí)注意結(jié)合自上而下和自下而上的方式，注重啟發(fā)、實(shí)用的同時(shí)，多幫助同學(xué)拎出主線(xiàn)和脈絡(luò)[6]，如表2所示。必要時(shí)做一些知識(shí)補(bǔ)充，以使學(xué)生不僅掌握一些具體的原理、實(shí)用的方法，還建立起比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，以供進(jìn)一步深造之需。
表2：數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容分類(lèi)
3.2 結(jié)合“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號(hào)系統(tǒng)與控制”課程內(nèi)容，與之優(yōu)化整合，使“數(shù)字信號(hào)處理”課程內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)課程體系融會(huì)貫通。用儀器科學(xué)的通識(shí)教育理念，優(yōu)化“數(shù)字信號(hào)處理”課程的授課內(nèi)容、提升授課效果，完善學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系及應(yīng)用能力。
“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號(hào)系統(tǒng)與控制”和“數(shù)字信號(hào)處理”三門(mén)課程構(gòu)成了專(zhuān)業(yè)體系中重要的“電路、系統(tǒng)、信號(hào)分析與處理”基礎(chǔ)課程體系?！半姽づc電路技術(shù)基礎(chǔ)”課程主要學(xué)習(xí)電路基本理論與分析方法相關(guān)的經(jīng)典理論；“信號(hào)系統(tǒng)與控制”課程主要學(xué)習(xí)確定性信號(hào)的時(shí)頻域分析方法，線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)的描述方法與特性，以及線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)的變換域分析方法；“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”和“信號(hào)系統(tǒng)與控制”是“數(shù)字信號(hào)處理”的理論基礎(chǔ)，“數(shù)字信號(hào)處理”是“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”和“信號(hào)系統(tǒng)與控制”在離散域中的深入擴(kuò)展與應(yīng)用。
然而，傳統(tǒng)情況下“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號(hào)系統(tǒng)與控制”和“數(shù)字信號(hào)處理”課程各自施教，在一定程度上存在授課內(nèi)容重復(fù)、銜接不合理、綜合不夠等諸多問(wèn)題，這些問(wèn)題隨著教學(xué)計(jì)劃的修改和課時(shí)的減少顯得更加突出。如，在 “電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”課程中，已涵蓋了許多“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)分析的相關(guān)內(nèi)容，而“數(shù)字信號(hào)處理”課程中也存在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中大量離散信號(hào)與系統(tǒng)分析內(nèi)容的重復(fù)[3]。各門(mén)課程自身內(nèi)容體系的最優(yōu)不一定是整個(gè)教學(xué)計(jì)劃的最優(yōu)，因此，有必要結(jié)合“電工與電路技術(shù)基礎(chǔ)”、“信號(hào)系統(tǒng)與控制”課程內(nèi)容，與之優(yōu)化整合，使“數(shù)字信號(hào)處理”課程內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)課程體系融會(huì)貫通，如此才能更好地完善學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系及應(yīng)用能力。
3.3 儀器科學(xué)與技術(shù)是一個(gè)應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，“數(shù)字信號(hào)處理”是應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，因此該課程的教學(xué)應(yīng)該是理論、實(shí)踐和科學(xué)研究的三元一體。
理論教學(xué)主要是通過(guò)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)完成的。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)基本概念的建立和基本內(nèi)容的深刻理解，淡化公式的推導(dǎo)和解題技巧，強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。加大教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革，建設(shè)形式上理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)獨(dú)立設(shè)課，內(nèi)容上互相交叉和融合，分層次按需設(shè)置的完整的理論和實(shí)踐教學(xué)體系[7]，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)和簡(jiǎn)單的科學(xué)研究思路，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生理解能力，深刻了解“數(shù)字信號(hào)處理”與專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的聯(lián)系。
配合課程教學(xué)預(yù)先安排了4 個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生用Matlab進(jìn)行原理仿真，通過(guò)之后并在采樣信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，從而鍛煉學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握與應(yīng)用能力，以及簡(jiǎn)單的科研能力。如表3所示。
表3：數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
3.4 將授課效果作為第一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，采用啟發(fā)式、交互式教學(xué)方法、通過(guò)多媒體、網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)題討論課等方法，提高學(xué)生對(duì)課程的掌握程度；在支撐學(xué)科發(fā)展的大視野下，根據(jù)課程在學(xué)科課程體系中的地位和作用，改革傳統(tǒng)教學(xué)手段，理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，加強(qiáng)梳理與其他課程或競(jìng)賽之間的相互關(guān)聯(lián)，全面提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)應(yīng)用素質(zhì)。
下面以文獻(xiàn)[6]中的實(shí)例為例，說(shuō)明教學(xué)方法和教學(xué)手段的效果。在講授序列的傅里葉變換（DTFT）和離散傅里葉變換（DFT）時(shí)，學(xué)生很難理解這兩種形式傅里葉變換的區(qū)別。實(shí)際上，DTFT和DFT都是從頻譜分析的角度來(lái)分析一個(gè)序列。對(duì)于DTFT，只要該序列滿(mǎn)足絕對(duì)可和的條件，則它的傅里葉變換一定存在且連續(xù)，由于其一個(gè)域是連續(xù)的，因而不適合在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算。而DFT是專(zhuān)門(mén)針對(duì)序列“有限長(zhǎng)”的特點(diǎn)而提出的，其頻譜也是離散的，因而適于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算，同時(shí)也可以通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）實(shí)現(xiàn)。為了讓學(xué)生不產(chǎn)生混淆，在教學(xué)過(guò)程中，可以利用MATLAB進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)仿真，讓學(xué)生通過(guò)仿真結(jié)果直觀掌握二者的關(guān)系和區(qū)別。實(shí)驗(yàn)中，采用矩形序列x（n）=R5（n），N=32。其中圖a是序列的波形圖及其DTFT變換的連續(xù)譜，周期為2π，圖中顯示的為主值區(qū)間（[0，2π]）頻譜。圖b是通過(guò)16點(diǎn)和32點(diǎn)FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)的序列DFT變換，其中圖線(xiàn)的包絡(luò)即為信號(hào)的DTFT連續(xù)譜，從中明顯可以看出，DFT實(shí)際上是對(duì)主值區(qū)間上的DTFT連續(xù)譜在頻域進(jìn)行抽樣，抽樣點(diǎn)數(shù)即變換的點(diǎn)數(shù)。通過(guò)這樣的現(xiàn)場(chǎng)仿真分析，學(xué)生很容易掌握和理解DTFT和DFT的關(guān)系和區(qū)別。
圖1：一種啟發(fā)式多媒體教學(xué)手段實(shí)例[6]
3.5 教師回歸“師者”的本位——傳道、授業(yè)、解惑，加強(qiáng)疏導(dǎo)，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性。所謂傳道就是傳授其中的基本規(guī)律和變化趨勢(shì)，引領(lǐng)學(xué)生入門(mén)；授業(yè)是傳授解決問(wèn)題的方法和技能，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性；解惑就是答疑，持續(xù)發(fā)現(xiàn)并消除學(xué)生心中的疑惑。通過(guò)深入淺出、抓重點(diǎn)、理脈絡(luò)的方式解答學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的疑惑，提高其提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力?！笆谌艘贼~(yú)，不如授人以漁”。
4 結(jié)束語(yǔ)
“數(shù)字信號(hào)處理”是一個(gè)理論實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，每個(gè)學(xué)科對(duì)其應(yīng)用和理解都可能會(huì)有所偏重，因此在教學(xué)內(nèi)容與方法探索上應(yīng)該認(rèn)真分析本專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)需求與現(xiàn)狀，不斷研究解決教學(xué)內(nèi)容與方法建設(shè)中存在的問(wèn)題，全面歸納、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在充分研討的基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行詳細(xì)地規(guī)劃，才持續(xù)地推進(jìn)“數(shù)字信號(hào)處理”課程建設(shè)水平和授課效果，優(yōu)化學(xué)生知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足學(xué)科專(zhuān)業(yè)對(duì)本課程的需求。參考文獻(xiàn)
[1] 潘仲明，儀器科學(xué)與技術(shù)概論[M]，北京：高等教育出版社，2010：1
[2] 殷純永，儀器科學(xué)與技術(shù)發(fā)展建議[J]，中國(guó)機(jī)械工程，2000，11（3）：264～266
[3] 李俊生，張立臣，蔣小燕，“電路分析”、“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”課程的優(yōu)化整合[J]，常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22（6）：89～92
[4] 謝守清，胡毅，“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”的優(yōu)化教學(xué)[J]，電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（6）：18～21
[5] 王國(guó)富，尚小梅，數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)與實(shí)踐[J]，桂林航天工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，13（3）：84～85
【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ) 實(shí)踐環(huán)節(jié) 考核方式 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)
【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1006－9682（2011）05－0016－02
【Abstract】According to the characteristic of the course of digital signal processing, the innovation of the teaching, such as the contents, the methods, and the exam of teaching, network construction and improvement are presented in this paper. Facts have shown that this method has achieved a better teaching effect, it not only stimulate students to explore, but also and enhance the enthusiasm of the students’ comprehensive quality and designed.
【Key words】Digital signal processing Practice The exam of teaching Network construction
一、引 言
隨著計(jì)算機(jī)和信息學(xué)科的飛速發(fā)展，“數(shù)字信號(hào)處理”已成為一門(mén)重要的高新技術(shù)學(xué)科，是理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的課程。目前數(shù)字信號(hào)處理課程已成為大多數(shù)電子、計(jì)算機(jī)、通信等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的主干課程。但是該課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少，偏重理論與公式的推導(dǎo)，缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，學(xué)生從純數(shù)學(xué)的角度學(xué)習(xí)，理解抽象，普遍反映課程難學(xué)、內(nèi)容枯燥、不會(huì)應(yīng)用。如何在有限的時(shí)間內(nèi)提高教學(xué)質(zhì)量，使實(shí)踐和理論兩個(gè)方面的教學(xué)和諧統(tǒng)一，是值得探索的。因此，為了提高教學(xué)質(zhì)量，我們注重對(duì)其物理意義和實(shí)際應(yīng)用的講解，并適當(dāng)使用多媒體與具有計(jì)算功能和繪圖功能的Matlab相結(jié)合的教學(xué)方式，將抽象的數(shù)學(xué)以可視化的形式展示給學(xué)生，讓學(xué)生更易理解抽象的概念。
二、教學(xué)方法與實(shí)踐改革的探討
針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有教學(xué)工作的基礎(chǔ)上，提出以下教學(xué)方案：
1．合理選擇教材，嘗試雙語(yǔ)教學(xué)。
選擇一本內(nèi)容和形式都好的教材是進(jìn)行課程改革的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。我們采用清華大學(xué)程佩青編著的《數(shù)字信號(hào)處理教程》。在教授過(guò)程中，嘗試采用雙語(yǔ)教學(xué)模式，以幫助學(xué)生更多的了解英語(yǔ)專(zhuān)業(yè)詞匯，為閱讀英文資料奠定基礎(chǔ)。
2．合理安排教學(xué)內(nèi)容
該課程經(jīng)過(guò)多次修訂教學(xué)大綱，逐步完善教學(xué)內(nèi)容體系，加強(qiáng)基礎(chǔ)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，把與該課程相關(guān)的新技術(shù)及熱點(diǎn)研究課程及時(shí)充實(shí)到教學(xué)中，同時(shí)加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際的聯(lián)系，使學(xué)生更好地掌握技術(shù)原理，提高自主學(xué)習(xí)的熱情。
深入研究符合現(xiàn)代教育理念的教學(xué)方法，采用多元化的教學(xué)手段，豐富教學(xué)過(guò)程。注重以學(xué)生為主體的參與式教學(xué)，結(jié)合多媒體教學(xué)圖像對(duì)感官的刺激，運(yùn)動(dòng)互動(dòng)式、討論式等多種教學(xué)方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)的熱情。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。利用網(wǎng)絡(luò)電子資源、網(wǎng)上答疑等信息化教學(xué)手段，提高學(xué)習(xí)效率。
3．實(shí)踐環(huán)節(jié)改革
數(shù)字信號(hào)處理課程與實(shí)踐密切相關(guān)，只通過(guò)理論教學(xué)難以使學(xué)生理解數(shù)字信號(hào)處理的原理。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以彌補(bǔ)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)不足的缺陷，建立理論聯(lián)系實(shí)際的概念，是培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐技能和提高綜合素質(zhì)最有效的途徑。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的研究方法和鉆研精神。
Matlab是美國(guó)Math Works公司開(kāi)發(fā)的用于概念設(shè)計(jì)、算法開(kāi)發(fā)、建模仿真、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。特別是它具有數(shù)字信號(hào)處理軟件包，可很方便地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理方面的有關(guān)運(yùn)算和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真，極大地提高了設(shè)計(jì)的效率。將其用于數(shù)字信號(hào)處理課程當(dāng)中，通過(guò)加入一些綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不僅把理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，更有利于培養(yǎng)獨(dú)立思考、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，還可以鍛煉協(xié)作意識(shí)。
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的制定和實(shí)施上，在加強(qiáng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或課程設(shè)計(jì)，用以訓(xùn)練學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。以信號(hào)頻譜分析及IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)這一綜合實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)給出基本步驟：首先采集語(yǔ)音信號(hào)，對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣并混進(jìn)加性噪聲，然后用FFT進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)含噪信號(hào)的頻譜，用雙線(xiàn)性變換法設(shè)計(jì)相應(yīng)的IIR數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，得出濾波前后的頻譜，分析信號(hào)的變化。具體實(shí)施和調(diào)試由學(xué)生借助Matlab實(shí)現(xiàn)。
另外，在設(shè)置設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自擬設(shè)計(jì)題目。如將數(shù)字信號(hào)處理課程中的FIR濾波器設(shè)計(jì)、音頻信號(hào)處理課程中的音頻信號(hào)采集與回收通過(guò)DSP硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)軟件實(shí)驗(yàn)利用Matlab語(yǔ)言和DSP匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法仿真或設(shè)計(jì)，硬件實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)平成。這些課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。總之，在教學(xué)過(guò)程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐并重，促進(jìn)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。
4．創(chuàng)新作業(yè)形式、考核方法和手段
目前的考核方式只是對(duì)課堂教學(xué)的“檢查”，缺乏實(shí)踐和創(chuàng)造性的內(nèi)容，不能適應(yīng)素質(zhì)教育的要求。我們將卷面考試與實(shí)驗(yàn)情況以及撰寫(xiě)有關(guān)課程內(nèi)容的小論文相結(jié)合，將傳統(tǒng)的單一考試方式改為多種模式相結(jié)合的形式?？己藘?nèi)容除保留原來(lái)基本概念和知識(shí)點(diǎn)的問(wèn)答計(jì)算外，增加一些對(duì)實(shí)踐問(wèn)題的分析、判斷及解決方法，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的考察，促使學(xué)生深入思考和分析問(wèn)題。這樣既可以更好的檢驗(yàn)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，又能將學(xué)生的學(xué)習(xí)重點(diǎn)從應(yīng)試轉(zhuǎn)移到應(yīng)用上。
5．建立和完善教學(xué)網(wǎng)站
學(xué)校在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上的投入使得數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)課程的網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)取得了跨越式的發(fā)展。在學(xué)校的網(wǎng)頁(yè)上，提供了本門(mén)課程的所有教學(xué)資源，包括教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、教案、課件、學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)參考。此外，還設(shè)置網(wǎng)上測(cè)試、在線(xiàn)答疑和在線(xiàn)交流等，利于與學(xué)生的互動(dòng)和溝通。
三、評(píng)價(jià)與思考
經(jīng)過(guò)近兩年的教改探索，基本已形成理論與實(shí)踐并重的教學(xué)新體系，在提升實(shí)踐教學(xué)地位的同時(shí)，激發(fā)了學(xué)生探索的積極性，學(xué)生的綜合素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用能力得到較大提升。
但是由于受到課時(shí)數(shù)的限制，一些較多的、較大的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容無(wú)法實(shí)施，學(xué)生的應(yīng)用能力培養(yǎng)受到一定影響。因此，應(yīng)根據(jù)具體需要，適當(dāng)?shù)脑黾诱n時(shí)數(shù)，以便能更好的達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，依托河南工業(yè)大學(xué)《測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)信號(hào)類(lèi)課程的多元化實(shí)踐教學(xué)改革》項(xiàng)目，針對(duì)信號(hào)類(lèi)課程教學(xué)面臨的共性問(wèn)題，從理論、實(shí)踐與考核方式等方面探討了教學(xué)方法的改革。經(jīng)過(guò)幾年的探索，這種教學(xué)模式取得了較好的教學(xué)效果，提升了學(xué)生綜合應(yīng)用素質(zhì)和核心競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)
1 金海紅等.“數(shù)字信號(hào)處理課程”的改革探索與實(shí)踐［J］.科技資訊，2010（33）
2 李燈熬、張海燕、王華奎.“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.研究與探討，2010（8）
3 張利紅、周子昂.高校信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革探討［J］.周口師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（5）
16位單片機(jī)／DSC成創(chuàng)意之源
縱觀此次競(jìng)賽，主要有以下兩個(gè)特點(diǎn)：
首先，充分體現(xiàn)了競(jìng)賽的主題：創(chuàng)意，從“芯”開(kāi)始。
很多作品具有新意，既有傳統(tǒng)項(xiàng)目的創(chuàng)新，例如無(wú)線(xiàn)火車(chē)臨近報(bào)警及鐵軌監(jiān)控系統(tǒng)，汽車(chē)的組合儀表、‘發(fā)動(dòng)機(jī)控制等；更有涉及當(dāng)今前沿領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題，諸如醫(yī)療電子、汽車(chē)組合儀表、電動(dòng)汽車(chē)(第一名)、生物電子(第三名)、LED和太陽(yáng)能照明(專(zhuān)項(xiàng)獎(jiǎng))、空氣污染監(jiān)測(cè)、鋰電池管理等。
整個(gè)競(jìng)賽的項(xiàng)目五花八門(mén)，涉及了16位單片機(jī)可覆蓋的三大主流應(yīng)用：工業(yè)控制領(lǐng)域、汽車(chē)電子和消費(fèi)電子。項(xiàng)目中有國(guó)家863課題，更有豐富的儀器儀表、安防、便攜式產(chǎn)品、鼠標(biāo)應(yīng)用等。
參賽項(xiàng)目有的實(shí)用性強(qiáng)，有的理論性強(qiáng)，各有千秋。論文的內(nèi)容也很有創(chuàng)意，獲獎(jiǎng)?wù)撐牡碾娐泛退匠绦蚯宄⒂刑厣?，不是一般從網(wǎng)站上可下載到的。
其次，電機(jī)控制類(lèi)應(yīng)用非常多，僅獲獎(jiǎng)作品中此類(lèi)就占半壁江山。這是由于Microchipl6位單片機(jī)／DSC(數(shù)字信號(hào)控制器)比較適合電機(jī)控制，它們的數(shù)據(jù)總線(xiàn)擴(kuò)展為16位，MCU加入了RTC、DMA、CRC等強(qiáng)大外設(shè)；DSC還加入了DSP(數(shù)字信號(hào)處理)功能，因此在控制算法和數(shù)字信號(hào)處理方面具有優(yōu)勢(shì)。
例如，第一名作品涉及到前沿的電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)控制，以dsPIC30F4011(屬于DSC)為主控芯片，設(shè)計(jì)出一套性能可靠、成本較低的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。DSC與MOSFET元件構(gòu)成低壓大功率無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)的方案。該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)屬于領(lǐng)先技術(shù)，因?yàn)檫M(jìn)口的電機(jī)及控制器功率可以做到5KW左右，而此項(xiàng)目的功率為15KW，實(shí)現(xiàn)難度比較大。
跳出8、1 6、32位的界定
16位單片機(jī)／DSC有時(shí)被認(rèn)為籠罩在8位和32位MCU的陰影下，業(yè)界重視不夠。但是作為商業(yè)公司，一定要選擇滿(mǎn)足性能要求的最低價(jià)格的芯片。因此工程師在芯片選型時(shí)，要跳出8、16、32位的框子，根據(jù)需要選芯片，無(wú)論是8、16還是32位，只要滿(mǎn)足需要即可。為此，Microchip等公司填平了8、16、32位之間的鴻溝，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫兼容。
一、引言
數(shù)字信號(hào)處理是一門(mén)面向各大專(zhuān)院校電子信息學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，它的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了信息與通信工程，生物醫(yī)學(xué)工程，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，動(dòng)力工程，航空工程等領(lǐng)域。學(xué)生應(yīng)采取主動(dòng)的方式獲取本課程所講述的基本概念和基本分析方法，并可利用其分析、解釋和計(jì)算信號(hào)、系統(tǒng)及其相互之間約束關(guān)系的問(wèn)題。但多年來(lái)，我們的課程教學(xué)中仍然普遍采用教師主動(dòng)、學(xué)生被動(dòng)的滿(mǎn)堂灌輸?shù)慕虒W(xué)理念和方法，看似傳遞給學(xué)生的信息容量大，實(shí)質(zhì)上學(xué)生接受質(zhì)量和效率并不高。鑒于此，本課題組從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)入手[1]，經(jīng)過(guò)多年的研究、實(shí)踐和探索，對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了改革，并取得了較好的成效。
二、課程現(xiàn)狀分析
當(dāng)前的課堂教學(xué)存在著以下弊端。
1.學(xué)生缺乏對(duì)本學(xué)科整個(gè)課程體系的全貌了解，各門(mén)專(zhuān)業(yè)課程之間缺乏整體聯(lián)系。這使得學(xué)生對(duì)該課程的前續(xù)知識(shí)準(zhǔn)備不夠，對(duì)后續(xù)知識(shí)認(rèn)識(shí)不足。
2.數(shù)字信號(hào)處理課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，學(xué)習(xí)難度較大。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生會(huì)感到內(nèi)容枯燥難懂，學(xué)習(xí)興趣不足，學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性不高。
3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)偏少，驗(yàn)證性?xún)?nèi)容偏多，缺乏綜合性課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。致使很多學(xué)生沒(méi)有興趣在課前搜集整理相關(guān)資料，了解相關(guān)內(nèi)容，還是依賴(lài)教師課堂講授，被動(dòng)等待教師解惑。
4.隨著高校不斷擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)不斷增加，導(dǎo)致學(xué)生整體平均水平相對(duì)下降，大班授課教學(xué)效果不佳。
三、課程改革思路
課程改革是指教師教學(xué)方式及學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，是教師和學(xué)生雙向的改變，是教與學(xué)的相互溝通[2]。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，要與時(shí)俱進(jìn)，不斷更新教學(xué)觀念、教學(xué)思想、教學(xué)模式，變灌輸式、單向式為啟發(fā)式、討論式、研究式教學(xué)；對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，要形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度，使獲得知識(shí)與技能的過(guò)程成為學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和形成正確價(jià)值觀的過(guò)程，由傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的被動(dòng)性、依賴(lài)性、統(tǒng)一性、虛擬性、認(rèn)同性轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代學(xué)習(xí)方式的主動(dòng)性、獨(dú)立性、獨(dú)特性、體驗(yàn)性與問(wèn)題性。針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)高等教育中教師過(guò)分主動(dòng)、學(xué)生過(guò)分被動(dòng)，理論學(xué)習(xí)相對(duì)過(guò)多、實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)相對(duì)太少的特點(diǎn)，應(yīng)該想辦法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性，鼓勵(lì)學(xué)生充分發(fā)揮自己的個(gè)性和特長(zhǎng)，不斷自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、自由創(chuàng)新，努力增加學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，提高他們的綜合素質(zhì)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。針對(duì)課程現(xiàn)狀，提出以下具體改革措施。
1.針對(duì)課程內(nèi)容之間的聯(lián)系問(wèn)題，學(xué)院即將在各專(zhuān)業(yè)新生中課程中開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)導(dǎo)論課程。在這門(mén)課中，會(huì)粗略講解本專(zhuān)業(yè)各課程內(nèi)容之間的聯(lián)系。要想透徹理解數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容，尤其要先深入理解前續(xù)課程信號(hào)與系統(tǒng)的精髓內(nèi)容，即信號(hào)的三大變換以及線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)常用的各種表征方式之間相互聯(lián)系。由于信號(hào)與系統(tǒng)的內(nèi)容較之?dāng)?shù)字信號(hào)處理更加抽象難懂，數(shù)學(xué)公式較多，使很多同學(xué)產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)得一知半解，囫圇吞棗。這導(dǎo)致了相對(duì)容易的數(shù)字信號(hào)處理學(xué)起來(lái)也有些晦澀難懂了。因此在講述信號(hào)與系統(tǒng)課程時(shí)就要告知學(xué)生課程的重要性及與數(shù)字信號(hào)處理課程之間的聯(lián)系，而在講解數(shù)字信號(hào)處理課程時(shí)則要講述清楚和后續(xù)課程之間的聯(lián)系及對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的影響。
2.針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容較為抽象的問(wèn)題，教師應(yīng)注重基本概念及其物理意義的講解，加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生生活及現(xiàn)代社會(huì)科技發(fā)展的聯(lián)系，教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注本學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)，提升自身理論水平，將和本門(mén)課程有關(guān)的先進(jìn)技術(shù)知識(shí)引入課堂，將學(xué)生感興趣的內(nèi)容引入課堂，比如數(shù)字信號(hào)處理在短波通信、數(shù)字圖像處理、儀器儀表、汽車(chē)系統(tǒng)等領(lǐng)域的最新應(yīng)用介紹給學(xué)生，可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可讓學(xué)生初步了解自己畢業(yè)以后可能的就業(yè)方向。另外，教師應(yīng)精選終身學(xué)習(xí)必備的基礎(chǔ)知識(shí)和技能，重點(diǎn)讓學(xué)生掌握核心理論、初步信號(hào)仿真能力及工程應(yīng)用，適當(dāng)減少?gòu)?fù)雜公式的計(jì)算和推導(dǎo)，避免學(xué)生陷入到復(fù)雜的計(jì)算中去。
針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性不強(qiáng)的問(wèn)題，教師應(yīng)改變課程實(shí)施過(guò)于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，積極引導(dǎo)學(xué)生，善于提問(wèn)學(xué)生，善于培養(yǎng)學(xué)生提問(wèn)，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探究、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、交流與合作的能力。采取翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生到講臺(tái)上講解，還可適當(dāng)給予學(xué)分獎(jiǎng)勵(lì)，這樣既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，又鍛煉了學(xué)生的思考及演講能力。本人在課程教學(xué)中采用課堂互動(dòng)、討論、學(xué)生講授、分組論文寫(xiě)作等新的教學(xué)方法和教學(xué)手段，取得了比較滿(mǎn)意的教學(xué)效果。
3.針對(duì)缺乏設(shè)計(jì)性及綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，由于課時(shí)較少，本課程只有4次8個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，這種現(xiàn)狀下，課內(nèi)設(shè)置50%的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，一些綜合性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)只能作為學(xué)生的課后大作業(yè)來(lái)完成。將學(xué)生分為3―5人一組，每組選一個(gè)課題完成，課題內(nèi)容盡可能接近實(shí)際項(xiàng)目。每個(gè)小組成員根據(jù)自身特點(diǎn)領(lǐng)取相應(yīng)任務(wù)和資源，這樣既可鍛煉自身能力，又可培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。在課題實(shí)施過(guò)程中，教師起引導(dǎo)作用，可以幫助學(xué)生分析所遇到的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生自己探索、思考解決問(wèn)題的方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
4.針對(duì)班型較大問(wèn)題，在師資力量允許的情況下盡量小班授課，以保證授課質(zhì)量。若師資力量薄弱，則采取理論課大班授課，而實(shí)驗(yàn)課小班教學(xué)的方式，便于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)生能及時(shí)得到指?А2捎?MOOC教學(xué)也是不錯(cuò)的解決辦法，MOOC教學(xué)突破了傳統(tǒng)課程時(shí)間、空間的限制，突破了傳統(tǒng)課程人數(shù)限制，便于學(xué)生學(xué)習(xí)，也便于和學(xué)生互動(dòng)。我們已經(jīng)著手錄制教學(xué)視頻，放到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。
四、?n程考核
課程的教學(xué)效果主要依靠課程考核來(lái)進(jìn)行。課程的考核貫穿整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，包括課堂回答問(wèn)題情況、出勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量等環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位考核。這種考核形式能更加全面地考核學(xué)生日常學(xué)習(xí)情況，激勵(lì)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。
【關(guān)鍵字】 數(shù)字信號(hào) DSP FPGA 實(shí)時(shí)處理
一、前言
早期的信號(hào)處理主要采用模擬的處理方法，包括運(yùn)算放大電路、聲表面波（SAW）器件以及電荷耦合器件（CCD）。運(yùn)算放大電路通過(guò)不同的電阻組配可以實(shí)現(xiàn)算數(shù)運(yùn)算，通過(guò)電阻、電容的組配可以實(shí)現(xiàn)濾波處理等等。模擬處理最大的問(wèn)題是不靈活、不穩(wěn)定。解決以上問(wèn)題的最好辦法就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，可以很方便的修改參數(shù)，具有很大靈活性。并且數(shù)字電路采用邏輯值進(jìn)行處理，也相當(dāng)可靠。當(dāng)今數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法已經(jīng)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，成為數(shù)字化時(shí)代的重要支撐，已經(jīng)滲透到我們生活和工作的各個(gè)方面。[1]高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理是信號(hào)處理中的一個(gè)特殊分支。它的主要特點(diǎn)是高速處理和實(shí)時(shí)處理，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)和軍事的關(guān)鍵領(lǐng)域，如對(duì)雷達(dá)信號(hào)的處理、對(duì)通信基站信號(hào)的處理等。高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)除了核心的高速DSP技術(shù)外，還包括很多技術(shù)，如ADC、DAC等器件技術(shù)、系統(tǒng)總線(xiàn)技術(shù)等。
二、高速數(shù)字信號(hào)處理硬件體系設(shè)計(jì)
DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是專(zhuān)門(mén)為了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高速芯片，由用戶(hù)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)處理算法，其編程語(yǔ)言多為C語(yǔ)言。DSP具有開(kāi)發(fā)周期短、處理速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前，已經(jīng)成為了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最為重要的處理器件之一。 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）近年來(lái)發(fā)展迅速，因?yàn)樗撵`活性、可重構(gòu)性、廣泛的適應(yīng)性，在一些信息量較大的場(chǎng)合，如雷達(dá)信號(hào)處理、海洋氣候數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息處理等應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）可以跟DSP等芯片配合使用，增加系統(tǒng)的可用性和效率，是嵌入式系統(tǒng)中不可或缺的芯片[2]。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)主要以DSP為核心，F(xiàn)PGA為協(xié)處理器，再搭配ADC和DAC及接口電路，為可重構(gòu)電路，是目前比較常用的并行處理系統(tǒng)解決方案，主要完成數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)、處理和傳輸。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率，同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理。[3]
2.1 DSP和FPGA器件的選型
DSP芯片選擇了TI公司的TMS320C6416，其最高工作頻率可以達(dá)到1GHz，器件本身?yè)碛?MB的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，1280MB的外部存儲(chǔ)空間，可以通過(guò)HPI、PCI、EMIF等接口與其它器件連接，能夠勝任數(shù)據(jù)的高速處理要求。[4]
FPGA芯片選擇了Xilinx公司的XC5VSX95T，其擁有14720個(gè)Slices、1520KbRAM、640個(gè)DSP48E Slices和640個(gè)User I/O。可以依靠片內(nèi)的大量RAM資源和乘法器完成各種邏輯運(yùn)算和處理算法。
2.2系統(tǒng)功能與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)對(duì)前端輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行ADC采樣，然后經(jīng)過(guò)濾波、變頻、抽取和處理，得到處理數(shù)據(jù)，再通過(guò)接口送往顯控設(shè)備顯示，同時(shí)，可以通過(guò)DAC輸出基帶信號(hào)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)ADC和DAC控制，ADC采樣信號(hào)的濾波、變頻、解調(diào)等預(yù)處理，系統(tǒng)接口電路的邏輯控制，離散的信號(hào)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及和DSP的接口邏輯等；DSP屬于信號(hào)處理硬件的核心部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的核心算法等功能，處理得到的數(shù)據(jù)通過(guò)UART口送往顯控設(shè)備；FPGA和DSP之間通過(guò)EMIF口連接，并使用DSP的外部中斷作為讀取數(shù)據(jù)的觸發(fā)；具體的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
三、系統(tǒng)性能優(yōu)化
3.1 FPGA與DSP的接口優(yōu)化
本信號(hào)處理硬件中FPGA作為數(shù)據(jù)輸入/輸出的控制及預(yù)處理芯片，必須要與核心處理器DSP交換數(shù)據(jù)，因此，F(xiàn)PGA和DSP之間需要建立高速數(shù)據(jù)接口。
FPGA作為一個(gè)外設(shè)，掛在DSP的EMIFA口，因?yàn)镋MIF口工作時(shí)鐘可能和FPGA內(nèi)部工作時(shí)鐘不一致，為了控制FPGA內(nèi)部電路的時(shí)序，在FPGA內(nèi)部，設(shè)計(jì)了兩個(gè)FIFO，來(lái)實(shí)現(xiàn)EMIF口對(duì)FPGA的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。當(dāng)DSP響應(yīng)其外部中斷信號(hào)時(shí)，從FIFO_R中讀取FPGA預(yù)處理的數(shù)據(jù)，當(dāng)要給FPGA下發(fā)工作參數(shù)時(shí)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO_W。
3.2接口驅(qū)動(dòng)優(yōu)化
為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高質(zhì)量傳輸，需要在DSP的EMIF口和外部存儲(chǔ)器之間增加雙電源三態(tài)緩沖器，這里選擇的是性能穩(wěn)定的SN74LVC16T245。本設(shè)計(jì)中，在FPGA與DSP的EMIF之間使用該芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)緩沖。
3.3 軟件優(yōu)化
隨著電子技術(shù)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的激發(fā)，多個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω蟮臄?shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)和處理需求提出了更高的訴求。特別是雷達(dá)、高清視頻實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播等系統(tǒng)采用的高采樣率設(shè)備，數(shù)據(jù)率可以達(dá)到Gbps，這就需要除了對(duì)硬件采集信號(hào)的質(zhì)量加以控制之外，還要對(duì)軟件算法不斷加以?xún)?yōu)化[5]。尤其是在FPGA程序設(shè)計(jì)中，需要特別注意信號(hào)采集和發(fā)送的時(shí)序，不僅要在原理圖設(shè)計(jì)初期根據(jù)廠(chǎng)家的芯片Datasheet進(jìn)行合理的配置，也要在編寫(xiě)程序時(shí)合理處理多時(shí)鐘域問(wèn)題。在一個(gè)設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)該只有一個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)可以驅(qū)動(dòng)全部觸發(fā)器，這樣可以極大的簡(jiǎn)化時(shí)序分析，去除掉大量與多時(shí)鐘域相關(guān)的問(wèn)題，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)，由于FPGA對(duì)外接口較多，每個(gè)接口的約束條件都不同，只利用一個(gè)時(shí)鐘是不可能的，這時(shí)候就要處理多個(gè)時(shí)鐘問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)以下幾個(gè)技巧進(jìn)行處理。
1）使用全局時(shí)鐘buffer。對(duì)于全局時(shí)鐘信號(hào)，盡量使用全局時(shí)鐘buffer（BUFGP）驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要低時(shí)鐘偏差的信號(hào)，也盡量使用二級(jí)全局buffer（BUFGS）驅(qū)動(dòng)。
2）分頻信號(hào)的處理。對(duì)于設(shè)計(jì)中需要采用“分頻信號(hào)”作為時(shí)鐘的電路，在不要求占空比時(shí)，可以將分頻信號(hào)設(shè)計(jì)成和主時(shí)鐘一樣寬度的信號(hào)，然后在實(shí)際處理中，仍然以主時(shí)鐘為觸發(fā)條件，把分頻信號(hào)作為控制信號(hào)處理。如圖3所示，假設(shè)主時(shí)鐘為100MHz，產(chǎn)生一個(gè)10MHz的分頻信號(hào)。
3）合理選擇語(yǔ)法。在VHDL中，if語(yǔ)句指定了一個(gè)具有優(yōu)先級(jí)的編碼邏輯，而case語(yǔ)句則是并行邏輯，不具有優(yōu)先級(jí)。通常，if-else結(jié)構(gòu)速度較慢，但需要的電路面積較少；case結(jié)構(gòu)執(zhí)行速度較快，但占用電路面積較大。在具體編程時(shí)，要綜合考慮速度和面積的關(guān)系，如果對(duì)速度有特殊要求，而對(duì)資源沒(méi)有較高要求，則應(yīng)使用case結(jié)構(gòu)。在必須使用if-else結(jié)構(gòu)時(shí)，不正確的嵌套使用if語(yǔ)句會(huì)增加延時(shí)，因此，對(duì)于延時(shí)要求苛刻的路徑，應(yīng)該放在較高的優(yōu)先級(jí)。[6]
四、結(jié)術(shù)語(yǔ)
本文主要研究了高速數(shù)字信號(hào)處理中使用FPGA+DSP的方案結(jié)構(gòu)，分析了其中重要的接口設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化，基本解決了通用高速數(shù)字信號(hào)的采集和處理問(wèn)題。但是目前看來(lái)，提出的基于FPGA+DSP的數(shù)據(jù)采集和處理的硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)多路信號(hào)的并行計(jì)算速度還不夠。下一步的目標(biāo)將是，通過(guò)對(duì)FPGA中的算法模塊和控制邏輯模塊、接口協(xié)議的調(diào)整優(yōu)化以滿(mǎn)足更高的要求。[7]
參 考 文 獻(xiàn)
[1]石星. 高速數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)評(píng)述[A]. 中國(guó)電子學(xué)會(huì).中國(guó)電子學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].中國(guó)電子學(xué)會(huì)：，2001：6.
[2]鄭文明. 基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理算法研究與高效實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2009.
[3]孫進(jìn)平，王俊，李偉，張有光等.DSP/FPGA嵌入式實(shí)時(shí)處理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2011.
[4]卞紅雨，紀(jì)祥春 等.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設(shè)[M].清華大學(xué)出版社.2007.
[5]賈凱賓. 高速數(shù)字PCB互連設(shè)計(jì)信號(hào)完整性研究[D].南京理工大學(xué)，2008.
