“信號處理工程實踐”課程與工程素質培養

李如瑋，毋立芳，竇慧晶

(北京工業大學電子信息與控制工程學院，北京 100124)

我院開設的“數字信號處理”課程是電子信息類大學生必須掌握的基礎知識。為了幫助學生掌握其基本理論，培養學生的工程素質，學院一直開設了數字信號處理實驗，包括卷積的實現、快速傅立葉變換的實現、FIR濾波器的設計和IIR濾波器的設計四個實驗，用來鞏固理論教學。為了進一步提高學生應用理論知識、解決問題的能力和工程素質，去年開始，我院開設了“信號處理工程實踐”課程。

1 “信號處理工程訓練”的課題來源

該課程的教學內容來自于工程實踐，由承擔語音信號處理、圖像信號處理、通信的信號處理等研究工作的幾名教師，從自己的研究方向中提煉出幾個典型的小課題，最終匯成“信號處理工程訓練”課程的設計專題。

(1)語音信號處理

語音信號處理中常要涉及的問題包括語音增強、基音檢測和清濁分類。為此，語音信號處理部分給出了三道設計題:①基于歸一化互相關函數的基音檢測;②基于LMS最小均方誤差法的語音降噪;③語音信號倒譜分析和清濁分類。題①要求學生理解語音信號的產生過程和信號的清濁音特性，然后利用歸一化互相關函數實現信號基音的檢測。題②要求學生根據語音信號的特點，利用不同信噪比的高斯白噪聲對語音進行加噪，利用LMS最小均方誤差法設計實現自適應濾波器來濾除噪聲。題③要求學生理解語音信號的非平穩特性，在信號分幀處理的基礎上，根據短時分析方法實現語音信號的短時傅里葉變換STFT，然后利用倒譜分析，判斷語音信號的清濁性。

(2)圖像信號處理

圖象信號處理部分，給出了三道設計題:①中值濾波器設計及鹽噪聲濾除;②固定場景中動目標的檢測;③圖像噪聲分析與噪聲去除。題①要求學生設計一種中值濾波算法，對圖像中的鹽噪聲進行有效的濾波。題②要求學生采用圖像質心的標定方法，對固定場景的視頻進行動目標檢測。題③要求學生利用已有的信號頻譜分析知識，分析圖象中存在的噪聲頻率，對圖像進行濾波。

(3)通信信號處理

通信信號處理部分的設計題目有:①雙音多頻(DTMF)信號的檢測;②太陽黑子活動周期的分析;③數字音頻回聲系統的信號處理。題①要求學生了解DTMF信號的產生原理及其利用DFT(FFT)對雙音多頻信號進行頻譜分析的方法。題②要求學生了解太陽黑子的基本知識后，用FFT對給定的太陽黑子數據進行分析，確定出太陽黑子的活動周期。題③要求學生了解數字音頻回聲系統的工作原理，然后通過IIR濾波器實現回聲系統的模擬以及回聲系統的信號處理。

(4)一般信號處理

這個部分給出三道設計題目:①心電圖ECG(electrocardiogram)信號工頻干擾噪聲消除;②齒輪振動信號分析;③滾動軸承振動信號分析。題①要求學生通過對ECG信號噪聲的分析，合理設計濾波器，消除工頻噪聲的影響。題②要求學生了解滾動齒輪產生故障的基本原理，通過對振動信號的時域分析，檢測故障。題③要求學生了解滾動軸承產生故障的基本原理，能夠利用信號處理相關知識對滾動軸承振動信號進行時域分析和頻域分析。

2 教學特點和評介模式

該實踐課在大三第二學期開設，緊隨數字信號處理實驗之后，共28學時。在學生選題目之前，教師給學生初步講解各題的應用背景和相關基本知識。學生根據自己的意愿自主選擇所感興趣的題目，通常2人為一組。該課程均要求學生用C語言編程實現，不需要硬件實現。學生借助圖書館或在Internet中查閱專業背景和基礎知識。實踐課上，鼓勵學生在共性問題上討論分析，提出解決方案。教師負責自己所出題目的指導和疑難問題的解答，及時引導學生獲得正確的方法和結論。為了杜絕相同題目學生互相抄襲，相同題目給與不同的實驗數據做實驗。

該課程的評價不再只看實驗報告，著重平時討論的參與和實驗報告的撰寫，評定結題答辯時的思路是否清晰、理論掌握、技術路線、程序是否自己編寫(描述語句的功能)以及實驗結果。課程的評價標準為:參與平時討論10分，思路清晰10分，理論的掌握10分，方法選擇20分，程序編寫20分，實驗結果20分，實驗報告10分，總分100分。通過多元化的考核方式，促使學生能夠深入理解理論知識，提高其綜合應用和解決實際問題的能力，強化其基礎專業知識的掌握[2]。

3 結語

本課程開設了兩年，共300多人接受了該課程的培訓。通過學生反饋，該課程的培訓達到了如下預期的效果。

1)該課程的訓練題目都來自于實踐，培養了學生的工程意識。

2)學生普遍反映鞏固了所學信號處理的理論知識，深刻理解了所學理論知識，理論聯系實際的能力得到提高。

3)學生為了完成課題，必須查閱大量文獻，自學很多新的知識，提高了學生查閱資料、自學以及科研能力。

4)由于要求用C語言實現功能，提高了學生的計算機語言編程的能力。

5)由于每個題目都需要涉及多方面的知識，需要團隊的兩個人通力合作，合理分工，從而培養了學生的團隊合作精神。

[1]范偉，黃賢英.大學計算機教育中的工程素質培養[J].重慶:重慶工學院學報(自然科學)，2008(22)，3:163-166

[2]朱光俊，楊治立，吳明全，等.改革課程考試方法提高學生工程素質[J].重慶:重慶工業高等專科學校學報，2004(6):109-112