郭秀梅

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東泰安 271018

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數(shù)字信號(hào)處理課程改革探索

郭秀梅

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東泰安 271018

摘 要：數(shù)字信號(hào)處理課程是電子、通信類專業(yè)的必修課程，針對(duì)該課程實(shí)用性強(qiáng)、內(nèi)容抽象難懂等特點(diǎn)，結(jié)合我校學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際情況對(duì)該課程進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)：豐富教學(xué)手段和方法，注重形象化教學(xué)，強(qiáng)調(diào)抽象的概念的物理意義，凸顯Matlab工具和微課堂在理論教學(xué)中的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)：注重學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)踐表明該課程教學(xué)改革取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；理論教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

數(shù)字信號(hào)處理是高等院校電子信息、通信工程類等專業(yè)的核心專業(yè)課之一，是后續(xù)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題必不可少的理論工具。由于該課程具有理論性強(qiáng)，概念抽象，理論和實(shí)踐并重等特點(diǎn)，加上學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，信號(hào)與系統(tǒng)課程的知識(shí)掌握、理解不到位，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)具有一定的困難。如何更好地幫助學(xué)生系統(tǒng)地掌握和理解該課程中的基本概念、原理，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題中能力，以適應(yīng)人才培養(yǎng)需求，是本課程教學(xué)過(guò)程中所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。我們結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際情況，從理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行相應(yīng)改革，經(jīng)過(guò)兩學(xué)期的教學(xué)驗(yàn)證，效果顯著。

1 理論教學(xué)改革

1.1 整合教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字信號(hào)處理課程在內(nèi)容安排上具有承前啟后的作用，先修課程為信號(hào)與系統(tǒng)，后續(xù)課程為DSP原理及應(yīng)用，這3門(mén)課程形成信號(hào)與系統(tǒng)課程體系。它們?cè)趦?nèi)容上存在一定的交叉和重復(fù)。我校數(shù)字信號(hào)處理課程安排在大三上學(xué)期，理論課僅有40個(gè)學(xué)時(shí)，如何在有限的時(shí)間內(nèi)傳授給學(xué)生最多的知識(shí)量成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為此我們與信號(hào)與系統(tǒng)、DSP原理及應(yīng)用任課教師就3門(mén)課程之間的重復(fù)內(nèi)容進(jìn)行研究，明確分工，制定統(tǒng)一的教學(xué)大綱，使得每門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單明了，并且滿足后續(xù)課程的需要。數(shù)字信號(hào)處理課程的核心教學(xué)內(nèi)容［1］由離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)兩大主線構(gòu)成。圍繞這兩個(gè)主線，遵循以講授基本概念原理、掌握基本技能為主，兼顧內(nèi)容的系統(tǒng)系和完整性，確定了數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)內(nèi)容［2］如圖1所示。

圖1

1.2 豐富教學(xué)手段和方法

數(shù)字信號(hào)處理這門(mén)課程存在概念多、抽象難以理解，公式推導(dǎo)煩瑣等問(wèn)題，如何將枯燥抽象的概念形象化展現(xiàn)給學(xué)生，僅靠傳統(tǒng)的教學(xué)方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)代化的教學(xué)手段和豐富多樣的教學(xué)方法顯得尤為重要。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，我們采用板書(shū)和多媒體教學(xué)相結(jié)合的方案。兩種方式相互補(bǔ)充，揚(yáng)長(zhǎng)避短。對(duì)于一些公式的推導(dǎo)，如果采用多媒體教學(xué)的話，屏幕內(nèi)容翻新太快，學(xué)生來(lái)不及思考，因此這部分內(nèi)容采用板書(shū)。對(duì)于難以接受的抽象概念，學(xué)生需要形象直觀的認(rèn)識(shí)，我們利用圖形和動(dòng)畫(huà)，使難以理解的內(nèi)容形象化。比如頻域這個(gè)概念，學(xué)生接受起來(lái)就相當(dāng)吃力。如何讓學(xué)生將時(shí)域信號(hào)與它的頻譜形象直觀的對(duì)應(yīng)起來(lái)呢？我們可以通過(guò)板書(shū)推導(dǎo)出信號(hào)頻域變換公式，然后通過(guò)圖形的方法，讓學(xué)生理解頻域的概念。圖2中的a圖代表一個(gè)時(shí)域信號(hào)，b圖代表a信號(hào)有哪些正弦波信號(hào)合成，我們把b圖在z軸方向上投影，投影后的橫軸為頻率大小，縱軸代表該頻率的正弦波的幅度，便可得到c圖。c圖代表的是該時(shí)域信號(hào)哪些頻率的正弦波構(gòu)成，相應(yīng)的幅度各為多少，即為改時(shí)域信號(hào)的頻譜。這樣學(xué)生可以對(duì)頻域有了比較直觀的認(rèn)識(shí)和理解。

圖2 頻譜的形成過(guò)程

講授奈奎斯特抽樣定律，我們制作了Flash動(dòng)畫(huà)演示整個(gè)抽樣過(guò)程，通過(guò)動(dòng)畫(huà)分別演示抽樣頻率小于、等于、大于2倍信號(hào)最高頻率時(shí)的現(xiàn)象，讓學(xué)生形象直觀的加深了對(duì)抽樣定理的理解和記憶。因此多樣化的教學(xué)手段對(duì)課堂教學(xué)效果起著非常重要的促進(jìn)作用。

1.3 凸顯Matlab的作用

Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理［3，4］和人機(jī)交互功能，它針對(duì)信號(hào)處理與分析有專門(mén)的工具箱和數(shù)學(xué)函數(shù)，方便我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、數(shù)字濾波等處理。例如：計(jì)算數(shù)據(jù)的離散快速傅時(shí)葉變換的FFT，IFFT，F(xiàn)FT2，IFFT2，CZT和濾波器設(shè)計(jì)的FIR1，F(xiàn)IR2，BUTTER、BUTTORD，CHDBY1，CHEB1ORD，CHDBY2，CHEB2ORD，ELLIP，ELLIPORD等，同時(shí)Matlab還提供了數(shù)字信號(hào)處理工具箱，這些工具可以是我們很容易地將抽象難懂的問(wèn)題形象化展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生掌握和理解。

例如很多同學(xué)難以理解高密度譜和高分辨率譜，為什么只有增加信號(hào)有效長(zhǎng)度才能提高頻率分辨率，而序列后面補(bǔ)零不改變分辨率？例如圖3中的時(shí)域信號(hào)，當(dāng)取0≤n≤9時(shí)，從相應(yīng)10點(diǎn)DFT圖形中無(wú)法看出相關(guān)的頻譜信息；如果該信號(hào)后面補(bǔ)90個(gè)零點(diǎn)，然后100點(diǎn)的DFT，從相應(yīng)頻譜圖中可以看出，此時(shí)的譜線相對(duì)于10點(diǎn)DFT的譜線相當(dāng)密，故稱為高密度譜線圖。但是從100點(diǎn)的DFT頻譜圖中，也很難看出信號(hào)的頻譜部分。如果我們對(duì)x（n）加長(zhǎng)取樣數(shù)據(jù)，得到長(zhǎng)度為N=100的序列，再做100點(diǎn)的DFT時(shí)，此時(shí)相應(yīng)的X（k ）圖中可以清晰地看到信號(hào)的頻譜成分，這稱為高分辨頻譜。這樣學(xué)生就對(duì)這兩個(gè)概念有了直觀的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)它的理解。因此在教學(xué)過(guò)程中，我們加大了Matlab仿真圖的比重，實(shí)踐表明，該方法可以有效地幫助學(xué)生理解抽象的概念，增強(qiáng)了課堂教學(xué)效果。

圖3 高密度譜和高分辨率譜

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

數(shù)字信號(hào)處理課程是一門(mén)理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程，如果僅僅講授理論知識(shí)，達(dá)不到學(xué)以致用的效果，因此我校增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，從本學(xué)期將實(shí)驗(yàn)課時(shí)由8個(gè)增加至16個(gè)。實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以滿足不同層次學(xué)生的需求?；A(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)安排在學(xué)生學(xué)完具體的知識(shí)點(diǎn)，緊跟著上機(jī)用Matlab編程驗(yàn)證，這樣便于學(xué)生及時(shí)對(duì)所學(xué)理論有形象直觀的認(rèn)識(shí)。綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是涉及本課程的綜合知識(shí)，讓學(xué)生解決一些實(shí)際問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了用軟件分析解決問(wèn)題的方法，同時(shí)加深課堂所學(xué)知識(shí)的理解。例如在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于同樣的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以讓學(xué)生分別用IIR和FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，IIR濾波器可以采用沖擊響應(yīng)不變法，也可以采用雙線性變換法，既可以用巴特奧斯濾波器逼近，也可以采用切比雪夫?yàn)V波器逼近，充分發(fā)揮學(xué)生的潛能。編寫(xiě)完程序，分析頻譜特性，并能用濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪功能。這樣一個(gè)綜合型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更好地理解濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程和具體應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)濾波器這部分知識(shí)的理解和把握。圖4為語(yǔ)音信號(hào)去噪仿真圖，學(xué)生通過(guò)分析結(jié)果，并通過(guò)Matlab聲音還原函數(shù)，讓學(xué)生通過(guò)傾聽(tīng)語(yǔ)言信號(hào)去噪前后的效果，讓學(xué)生深刻理解濾波的神奇作用。

圖4 語(yǔ)音信號(hào)去噪處理

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)字化快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的重要性日益增加，提高數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)質(zhì)量和效果有著非常重要的意義。本文結(jié)合我校的實(shí)際情況，針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)，從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革，下一步準(zhǔn)備引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課堂因素，把學(xué)生難以理解的知識(shí)點(diǎn)用微課的形式展現(xiàn)。這些有益的探索和嘗試，教學(xué)效果得到顯著提高。

參考文獻(xiàn)

［1］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［3］英格爾（Ingle V.K.）.數(shù)字信號(hào)處理（MATLAB版）［M］.第2 版.劉樹(shù)棠，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2008.

［4］陳懷琛.數(shù)字信號(hào)處理教程：MATLAB釋義與實(shí)現(xiàn)［M］.第3版.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

Exploring the Teaching Pattern of Digital Signal Processing

Guo Xiumei
School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Taian， 271018， China

Abstract:The course of digital signal processing course is a required course for the specialist students of electronics and communication. Because DSP is a practical course， and the content is very abstract， we propose teaching reform to the course combined with the actual situation of the students in our school. In theory teaching， we enrich the teaching methods， pay attention to visual teaching， emphasize the physical meaning of the abstract concept， and highlight the role of matlab. In the experiment teaching， we pay attention to the training of the student beginning ability， train the students' ability to integrate theory with practice and the ability of of analyzing and resolving problems. Practice shows that the teaching reform has obtained the good effect.

Key words:digital signal processing； reform of theory teaching； reform of experiment teaching

收稿日期：2015-12-11

作者簡(jiǎn)介：郭秀梅，講師，博士。

基金項(xiàng)目：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院教研項(xiàng)目。