董占奇

[摘 要]“電路分析”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、 “DSP原理與應(yīng)用”、“數(shù)字圖像處理”是電信類專業(yè)的重要課程，基于這些課程教學(xué)所存在的突出問題——各自獨(dú)立、授課內(nèi)容重復(fù)、過渡銜接不科學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)針對(duì)性不強(qiáng)，文章提出了該類課程面向物理意義、內(nèi)容（知識(shí)點(diǎn)）、實(shí)踐教學(xué)及工程訓(xùn)練的一體化融合化教學(xué)設(shè)計(jì)與組織思路，相關(guān)研究結(jié)論的實(shí)施實(shí)踐對(duì)有關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量提升具有重要的促進(jìn)意義。

[關(guān)鍵詞]一體化；融合化；物理意義；內(nèi)容優(yōu)化

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）12-0039-03

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國高等教育業(yè)已進(jìn)入大眾化發(fā)展階段，高校隨之也分化為研究型大學(xué)和應(yīng)用型大學(xué)，對(duì)于大部分地方性高校來說發(fā)展應(yīng)用性教育、培養(yǎng)應(yīng)用型人才是服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、保持學(xué)校生命力和實(shí)現(xiàn)學(xué)?？沙掷m(xù)發(fā)展的必然選擇，而在這一發(fā)展中，許多課程的內(nèi)涵和功能也發(fā)生了變化，許多課程的教與學(xué)已經(jīng)不能簡單采用過去的思路，知識(shí)的傳授已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越教師在課堂上講授的某一獨(dú)立課程，更多的是面向一個(gè)課程群或一系列相關(guān)的知識(shí)與技能。對(duì)于電信類課程來說，“電路分析”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“DSP原理與應(yīng)用”、“數(shù)字圖像處理”、“語音信號(hào)處理”等課程相互之間密切相關(guān)，教學(xué)內(nèi)容（知識(shí)點(diǎn)）耦合度高，但由于是各自獨(dú)立授課，任課老師各自為政，從而導(dǎo)致部分知識(shí)點(diǎn)過度重復(fù)，浪費(fèi)了寶貴的學(xué)時(shí)；同時(shí)個(gè)別需要掌握的知識(shí)點(diǎn)被忽視或被輕描淡寫，課程之間的過渡銜接不科學(xué)、不合理，更有甚者，多門課程在核心內(nèi)容講授之前需要重復(fù)復(fù)習(xí)講解“工程數(shù)學(xué)”等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)先修課的內(nèi)容，授課效率低，教學(xué)效果不理想；另外在各門課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)也存在著實(shí)踐項(xiàng)目重疊、特征不突出等缺點(diǎn)。為了從根本上改變相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，盡可能地提高教學(xué)質(zhì)量，筆者及相關(guān)教研組同仁經(jīng)過反復(fù)的研討論證和實(shí)踐檢驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)于電信類課程（“電路分析”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“DSP原理與應(yīng)用”、“數(shù)字圖像處理”、“語音信號(hào)處理”等）應(yīng)該從教學(xué)計(jì)劃的制訂開始通盤考慮，加強(qiáng)相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)施過程管理與控制，并著重實(shí)施基于教學(xué)內(nèi)容（知識(shí)點(diǎn)）優(yōu)化、物理意義與應(yīng)用把握、綜合實(shí)踐搭配控制等的一體化融合化教學(xué)。

一、一體化融合化的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及教學(xué)目標(biāo)要求

針對(duì)電信類課程教學(xué)內(nèi)容（知識(shí)點(diǎn)）耦合度高這一突出特點(diǎn)，在各門課程的教學(xué)大綱編制和教學(xué)內(nèi)容安排上，應(yīng)面向轉(zhuǎn)型應(yīng)用，統(tǒng)籌兼顧，緊抓重點(diǎn)，合理取舍，具體設(shè)計(jì)如下。

“電路分析”課程，重點(diǎn)講解基爾霍夫定律、基于獨(dú)立電流和電壓變量的電路分析方法、電路的基本定理（疊加原理、替換定理、戴維南定理等）、電容元件和電感元件的伏安特性、一階及二階電路的求解、基于相量的正弦穩(wěn)態(tài)分析。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能正確理解電路中的常見概念，了解“電路是什么”和“怎樣進(jìn)行電路的分析和計(jì)算”，掌握電路基本定律（包括歐姆定律、基爾霍夫定律、換路定律），熟練靈活應(yīng)用各種電路分析的基本方法（包括回路電流法、節(jié)點(diǎn)電壓法、疊加定理、等效變換法等）。

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程，重點(diǎn)講解信號(hào)的基本運(yùn)算、典型信號(hào)（函數(shù)）的定義與特征、連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析、連續(xù)系統(tǒng)的頻域與復(fù)頻域分析、離散系統(tǒng)的時(shí)域分析、離散系統(tǒng)的變換域分析、系統(tǒng)函數(shù)與系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。通過課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌握信號(hào)分析、線性系統(tǒng)分析及離散信號(hào)處理的基本理論與分析方法，并對(duì)這些理論與方法（尤其是三大變換和兩類分析方法——傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、時(shí)域分析法、變換域分析法）在工程中的某些應(yīng)用有初步了解，對(duì)系統(tǒng)在狀態(tài)空間中的描述方法和狀態(tài)方程求解有一定的認(rèn)識(shí)。

“數(shù)字信號(hào)處理”課程，重點(diǎn)講解序列的傅里葉變換及其性質(zhì)、序列的z變換、離散傅里葉變換及其應(yīng)用、快速傅里葉變換（DIT和DIF方式的基-2FFT算法）、時(shí)域離散系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無限長脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)（重點(diǎn)是沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法）、有限長脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)（重點(diǎn)是窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率抽樣設(shè)計(jì)法）。通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生建立數(shù)字信號(hào)處理的基本概念，掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本分析方法，熟悉常用計(jì)算分析軟件，同時(shí)學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的兩個(gè)主要工具：快速傅立葉變換和數(shù)字濾波，為后續(xù)數(shù)字技術(shù)方面課程的學(xué)習(xí)打下必要基礎(chǔ)。

“DSP原理與應(yīng)用”課程，重點(diǎn)講解DSP器件的一般結(jié)構(gòu)特征、軟件體系、編程方法、基本的開發(fā)調(diào)試方法，以及常用數(shù)字信號(hào)處理算法的DSP實(shí)現(xiàn)。通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握DSP系統(tǒng)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、軟硬件特征、編程格式、指令系統(tǒng)及CCS集成開發(fā)環(huán)境的配置使用方法，了解CCS集成開發(fā)環(huán)境及相關(guān)操作系統(tǒng)的基本工作原理，熟悉DSP開發(fā)設(shè)計(jì)的基本流程、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)，達(dá)到能使用C語言和匯編語言進(jìn)行簡單的單元接口電路程序設(shè)計(jì)、常用數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用程序獨(dú)立編寫的目的。

“數(shù)字圖像處理”課程，重點(diǎn)講解圖像數(shù)字化、圖像離散傅立葉變換、圖像增強(qiáng)技術(shù)（直方圖變換增強(qiáng)、空域模板卷積增強(qiáng)、頻域?yàn)V波增強(qiáng)）、圖像恢復(fù)、圖像壓縮編碼、圖像分割、邊緣檢測(cè)、圖像識(shí)別與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理方法。通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠較深入地理解數(shù)字圖像處理的基本概念、基礎(chǔ)理論以及解決問題的基本方法，掌握?qǐng)D像處理的基本技術(shù)，了解與各處理技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域及常用工具。

“語音信號(hào)處理”課程，重點(diǎn)講解語音信號(hào)基礎(chǔ)知識(shí)、語音信號(hào)的時(shí)域分析和短時(shí)傅里葉分析、語音信號(hào)的同態(tài)濾波及倒譜分析、線性預(yù)測(cè)分析、矢量量化、語音編碼和語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)。通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握語音信號(hào)處理的基本原理，掌握語音編解碼、語音頻域分析、語音識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，了解隱馬爾可夫模型（HMM）、矢量量化基本原理與方法。

二、基于物理意義與知識(shí)應(yīng)用的一體化教學(xué)設(shè)計(jì)

電信類課程的許多概念及結(jié)論是從數(shù)學(xué)理論進(jìn)行推導(dǎo)，然后建模得出的，但這些課程絕不能講成數(shù)學(xué)課，各相關(guān)課程老師應(yīng)從專業(yè)的視角出發(fā)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)相關(guān)結(jié)論的物理意義和具體應(yīng)用。endprint

比如說卷積積分和卷積和，在講授的過程中需要交代清楚由來和在系統(tǒng)分析時(shí)的物理意義。雖然具體的卷積運(yùn)算過程屬于數(shù)學(xué)范疇，但是從計(jì)算處理的效果來說是一種加權(quán)平均，在數(shù)字圖像處理中——移動(dòng)卷積模板掃描圖像中的每一個(gè)像素，位于卷積模板中心位置的像素點(diǎn)的值用模板所確定的鄰域內(nèi)像素點(diǎn)的加權(quán)平均值替代，使用高斯卷積可以去除圖像中存在高斯噪聲影響。同樣在講解時(shí)域卷積等價(jià)于頻域乘積時(shí)，很有必要指出延伸的物理意義——從廣義上看，任何一個(gè)系統(tǒng)（h（t））都可以看成是一個(gè)濾波器，因?yàn)樗鼈兙鶎?shí)現(xiàn)了一定的頻率選擇性。

對(duì)于信號(hào)分解與合成中的正交函數(shù)集，可以做如下解釋—— 一個(gè)正交函數(shù)集可以類比成一個(gè)坐標(biāo)系，函數(shù)集中的每個(gè)函數(shù)均類比成該坐標(biāo)系統(tǒng)中的一個(gè)軸，在該坐標(biāo)系中，任何一個(gè)函數(shù)可以類比成一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)向這個(gè)坐標(biāo)系的投影（體現(xiàn)為該函數(shù)與構(gòu)成坐標(biāo)系的函數(shù)間的點(diǎn)積）就是該函數(shù)在這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。相應(yīng)的，對(duì)于電信類課程的核心知識(shí)點(diǎn)傅里葉級(jí)數(shù)來說，它是將信號(hào)在正交三角函數(shù)集上進(jìn)行分解（投影），如果將指標(biāo)系列類比為一個(gè)正交集，則指標(biāo)上值的大小可類比為性能在這一指標(biāo)集上的分解或投影；分解的目的是為了更好地分析事物的特征，正交集中的每一元素代表一種成分，而分解后對(duì)應(yīng)該元素的系數(shù)表征包含該成分的多少；特別是，一個(gè)一般的時(shí)間信號(hào)f（t）是由有限個(gè)或無窮多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)疊加而成的，而這些正弦信號(hào)的幅度大小決定了“這些正弦信號(hào)”對(duì)原信號(hào)f（t）的貢獻(xiàn)程度，不同頻率的正弦信號(hào)的幅度和初相位的不同，決定了信號(hào)f（t）波形的形狀以及信號(hào)的特性和本質(zhì)（例如當(dāng)一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)中的軸承發(fā)出隆隆聲音時(shí)，我們知道它含有的低頻正弦信號(hào)成分比較豐富，也就是說含有的低頻正弦信號(hào)“強(qiáng)”，根據(jù)這個(gè)情況，可以判斷出這個(gè)軸承內(nèi)圈或外圈上可能出現(xiàn)有大的棱角）。

對(duì)于傅里葉變換，重點(diǎn)要搞清楚信號(hào)的頻譜表示，了解頻譜圖到底表示了關(guān)于信號(hào)的什么樣的信息。例如，將周期信號(hào)表示成傅里葉級(jí)數(shù)分解形式，那么傅里葉級(jí)數(shù)系數(shù)的模就是分解過程中每個(gè)頻率分量的幅度，頻譜圖直觀的表示了信號(hào)包含了哪些頻率分量及每個(gè)頻率分量在整個(gè)信號(hào)中所占據(jù)的分量。同理，傅里葉變換和拉普拉斯變換及Z變換在信號(hào)分解的表達(dá)式里，都可以看成是信號(hào)分量對(duì)應(yīng)的權(quán)值。要了解信號(hào)與信號(hào)之間的不同，可以通過時(shí)域的波形來了解，觀察它們隨時(shí)間變量的變化；也可以通過頻譜圖來了解，觀察不同信號(hào)包含哪些頻率分量及這些頻率分量在信號(hào)中的相對(duì)比重分布如何，是高頻成分多還是低頻成分多。信號(hào)帶寬（信號(hào)的占有頻帶寬度）是信號(hào)頻率特性中的重要指標(biāo)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。在信號(hào)占有的頻帶寬度內(nèi)，集中了信號(hào)的絕大部分諧波分量，若信號(hào)丟失占有頻帶寬度以外的諧波成分，不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生明顯影響。另外，系統(tǒng)也有信號(hào)占有頻帶寬度（工作頻帶），當(dāng)信號(hào)通過系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)與系統(tǒng)的占有頻帶寬度必須“匹配”，若信號(hào)的帶寬大于系統(tǒng)的帶寬，則信號(hào)通過此系統(tǒng)時(shí)就會(huì)損失許多重要的成分而產(chǎn)生較大失真，若信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的帶寬，信號(hào)可以順利通過，但對(duì)系統(tǒng)資源是巨大浪費(fèi)。

對(duì)于模擬信號(hào)的數(shù)字化和抽樣定理，按照經(jīng)典的證明與講解，一般是通過抽樣脈沖序列與模擬信號(hào)的時(shí)域乘積等于頻域卷積，繼而觀察頻域各平移版本是否存在頻譜重疊來闡述的，在面向應(yīng)用型人才的培養(yǎng)中，完全可以通過對(duì)一個(gè)已知語音信號(hào)的數(shù)字化（不同采樣頻率之下的實(shí)際聲音效果對(duì)比）來展示，給學(xué)生一個(gè)既深刻又簡單明了的切身體驗(yàn)。例如在高保真音樂欣賞中，往往襯有由多種高品質(zhì)樂器或電子合成器合成的背景音，對(duì)于這樣的原始質(zhì)感信號(hào)，以不同的采樣頻率進(jìn)行采樣試聽體驗(yàn)將會(huì)收到意想不到的效果。同樣的，對(duì)于圖片也存在抽樣定理問題，只不過稱作分辨率，抽樣密度越大，圖片的分辨率越高，也就越清晰；若抽樣率不夠，圖片信息就會(huì)發(fā)生混疊——網(wǎng)上有一幅圖片，近視眼戴眼鏡看到的是愛因斯坦，摘掉眼鏡看到的是瑪麗蓮·夢(mèng)露，因?yàn)椴淮餮坨R，分辨率不夠抽樣頻率太低），高頻分量失真被混入了低頻分量，才造成了一個(gè)視覺陷阱。

三、一體化綜合化的實(shí)踐教學(xué)

在電信類課程的實(shí)踐教學(xué)中，為獲取整個(gè)課程群實(shí)踐教學(xué)的理想效果，需要將Matlab、DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、SOPC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、goldwave、WaveEditor等相結(jié)合，總體設(shè)計(jì)開展軟硬結(jié)合、橫跨電信類多門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐項(xiàng)目的劃分力爭由小及大、由簡入難。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的整體規(guī)劃如下：

第一環(huán)節(jié)：電路分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（重點(diǎn)是三大定理、一/二階電路響應(yīng)）；

第二環(huán)節(jié)：信號(hào)與系統(tǒng)Matlab 課后習(xí)題訓(xùn)練及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)踐；

第三環(huán)節(jié)：數(shù)字信號(hào)處理Matlab 課后習(xí)題訓(xùn)練；

第四環(huán)節(jié)：數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)與信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)；

第五環(huán)節(jié)：DSP 與goldwave（或WaveEditor）綜合實(shí)驗(yàn)（圖像、語音）。

在以上各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)踐中，以下幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)需要著重突出應(yīng)用與表現(xiàn)：1.傅里葉變換，在“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中，采用Matlab軟件仿真傅里葉變換；在“DSP原理與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)中，采用 CCS軟件結(jié)合DSP實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換的軟硬件綜合的設(shè)計(jì)；同時(shí)，利用學(xué)生全程實(shí)踐的課外時(shí)間將快速傅里葉變換算法在SOPC 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加以實(shí)現(xiàn)；2.抽樣定理與模擬信號(hào)的數(shù)字化，在“信號(hào)與系統(tǒng)”的教學(xué)實(shí)踐中，用Matlab進(jìn)行仿真分析；在“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)踐鍛煉中，采用 CCS進(jìn)行PCM編碼設(shè)計(jì)，在“語音信號(hào)處理”中通過goldwave（或WaveEditor）工具進(jìn)行直接觀察與感知。3.濾波器原理與設(shè)計(jì)，在“電路分析”與“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中，著重通過實(shí)驗(yàn)箱觀察分析RC電路的響應(yīng)；在“數(shù)字信號(hào)處理”及“DSP原理與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)中，采用CCS軟件與DSP硬件平臺(tái)結(jié)合的方式設(shè)計(jì)實(shí)踐與創(chuàng)新訓(xùn)練；在“數(shù)字圖像處理”和“語音信號(hào)處理”中，采用DSP平臺(tái)和goldwave（或WaveEditor）展示工程應(yīng)用與效果。此外，對(duì)于信號(hào)的運(yùn)算處理及系統(tǒng)的分析也應(yīng)分階段、分層次通過多種手段達(dá)成。如此設(shè)計(jì)實(shí)施一體化綜合化教學(xué)，既利于夯實(shí)學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)，又利于培養(yǎng)他們的工程實(shí)踐能力，更能促成他們對(duì)于多種方法的融會(huì)貫通。

四、結(jié)語

通過對(duì)電信類課程做一體化融合化的組織設(shè)計(jì)，“電路分析”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“DSP原理與應(yīng)用”、“數(shù)字圖像處理”、“語音信號(hào)處理”課程之間教學(xué)安排更加合理，內(nèi)容銜接更加自然，教學(xué)實(shí)施更為有的放矢。在相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，著眼全局，面向課程群做如是設(shè)計(jì)施教，將會(huì)極大地提升教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]endprint