MATLAB輔助DSP技術(shù)課程的教學(xué)探索

摘 要：將MATLAB仿真引入“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)中，結(jié)合MATLAB仿真講解與DSP技術(shù)緊密相關(guān)的數(shù)字信號處理基本理論，將MATLAB輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計貫穿到DSP技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)過程中，有助于學(xué)生對DSP技術(shù)抽象的理論原理與實際仿真效果相結(jié)合的理解。

關(guān)鍵詞：MATLAB DSP技術(shù) 教學(xué)研究

中圖分類號：G4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0147-02

目前，數(shù)字信號處理技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字信號處理器件（DSP，Digital Signal Processing）的功能也越來越強大。MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的一種科學(xué)計算軟件，在科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等多種領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。把MATLAB和DSP開發(fā)工具結(jié)合在一起，可以像操作MATLAB變量一樣來操作TI DSP的存儲器或寄存器[1～3]。“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程重點是DSP芯片的基本原理和常用DSP芯片的應(yīng)用，要求學(xué)生熟悉DSP芯片開發(fā)工具及使用方法，掌握DSP系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法，具備從事DSP系統(tǒng)開發(fā)的能力。在DSP技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，教學(xué)過程中理論和實踐銜接不明確，對學(xué)生真正進行DSP系統(tǒng)工程設(shè)計也缺乏實質(zhì)性的幫助。如何將理論與DSP技術(shù)課程很好地結(jié)合起來，是我們需要探索的問題。

在數(shù)字信號處理與MATLAB語言相結(jié)合的方面，國內(nèi)外教材已經(jīng)有了多種模式[4～5]，但是目前通過MATLAB輔助DSP技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)的相關(guān)研究還很少。本文提出通過MATLAB輔助DSP技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)，結(jié)合典型實例進行講解，有助于學(xué)生對DSP技術(shù)抽象的理論原理與實際系統(tǒng)工程設(shè)計相結(jié)合的理解。

1 教學(xué)方法的改革思路及方案

1.1 改革與實踐方案

為了解決“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程中存在的問題，采取MATLAB輔助DSP技術(shù)課程教學(xué)的方法，從兩方面開展：一方面針對選修D(zhuǎn)SP技術(shù)及應(yīng)用課程的學(xué)生具備數(shù)字信號處理相關(guān)理論基礎(chǔ)的情況，將MATLAB語言引入教學(xué)過程中，通過MABLAB仿真語言所具有的功能函數(shù)，對數(shù)字信號處理基本關(guān)鍵概念結(jié)合直觀演示進行詮釋。另一方面，基于MATLAB來開發(fā)DSP系統(tǒng)的思想，結(jié)合典型的FIR濾波器實例以及CCSLink工具的使用方法，把DSP系統(tǒng)設(shè)計中的算法仿真、系數(shù)產(chǎn)生、結(jié)果驗證、用戶界面等環(huán)節(jié)交由MATLAB完成，將MATLAB輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計的思想貫穿到“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)中去。

1.2 基于MATLAB的DSP系統(tǒng)設(shè)計

集成在MATLAB中的CCSLink工具提供了MATLAB、TI DSP及其集成開發(fā)環(huán)境CCS的雙向連接，使得可在MATLAB環(huán)境下對CCS和DSP目標(biāo)板進行包括內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交互以及控制DSP程序的運行等操作。在DSP技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)過程中，對于將MATLAB輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計用于教學(xué)方面，在不過于考慮DSP代碼效率低以及難對代碼進行匯編級優(yōu)化，在產(chǎn)品開發(fā)中實用性很差等問題的情況下，可以充分利用MATLAB強大的可視化、數(shù)據(jù)處理和分析工具對DSP中的數(shù)據(jù)進行分析和再處理，以輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計，可以顯著地提高初學(xué)者學(xué)習(xí)DSP技術(shù)及其應(yīng)用課程的效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)實現(xiàn)

2.1 教學(xué)實現(xiàn)方式

利用CCSLink可實現(xiàn)MATLAB與CCS以及目標(biāo)DSP之間的數(shù)據(jù)交互，包括使用與CCS IDE的連接對象、與RTDX（Real-Time Data Exchange）的連接對象以及嵌入式對象三種工作方式。為了便于“DSP技術(shù)及應(yīng)用”教學(xué)實現(xiàn)，我們重點將第一種實現(xiàn)方式穿插到MATLAB輔助DSP技術(shù)課程教學(xué)過程中去，結(jié)合具體的、簡單的、典型的工程實例開展講解，利用與CCS IDE的連接對象創(chuàng)建CCS IDE和MATLAB的連接，從MATLAB命令窗中運行CCS IDE中的應(yīng)用程序，查詢目標(biāo)DSP的狀態(tài)信息，修改或讀取目標(biāo)DSP的存儲器或寄存器中的數(shù)據(jù)，并調(diào)試DSP程序。

2.2 課程教學(xué)實例

數(shù)字濾波器是一個采用有限精度算法實現(xiàn)的線性非時變離散系統(tǒng)，它的設(shè)計首先根據(jù)實際需要確定其性能指標(biāo)，再求得系統(tǒng)函數(shù)H（z），最后采用有限精度算法實現(xiàn)。DSP芯片有專用的數(shù)字信號處理函數(shù)可調(diào)用，實現(xiàn)FIR濾波器相對簡單，為了充分將MATLAB輔助DSP技術(shù)及應(yīng)用課程的教學(xué)，通過MATLAB中的CCSLink工具來進行DSP的輔助設(shè)計。

通過建立MATLAB/Simulink模型，根據(jù)所需設(shè)計低通濾波器技術(shù)指標(biāo)來確定濾波器的階數(shù)和截止頻率等參數(shù)，然后結(jié)合MATLAB產(chǎn)生的濾波器系數(shù)，并編寫DSP濾波主程序，在DSP的CCS集成開發(fā)環(huán)境中將編譯鏈接的工程代碼加載到目標(biāo)DSP板上，DSP采用TMS320VC5416實現(xiàn)，實驗教學(xué)部分結(jié)合SEED-DEC5416 DSP實驗箱進行。利用CCSLink提供的與CCS相連接的對象，在MATLAB環(huán)境中通過運行MATLAB程序代碼可以運行已經(jīng)加載到目標(biāo)DSP中的應(yīng)用程序，從而在MATLAB環(huán)境下直接更新DSP輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。在MATLAB輔助DSP的FIR濾波器教學(xué)實例中，除了算法仿真以及系數(shù)產(chǎn)生部分由MATLAB輔助完成以外，還可以通過MATLAB的可視化功能輔助FIR濾波器圖形用戶界面的設(shè)計，增加修改參數(shù)以及繪制DSP輸入輸出數(shù)據(jù)的時域及頻域信號等控制操作功能。

將MATLAB的各項功能充分引入到“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)過程中，同時調(diào)整教學(xué)大綱，合理安排學(xué)時，利用CCSLink輔助設(shè)計基于TMS320VC5416的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，結(jié)合典型實例進行講解，可以達到利用MATLAB輔助DSP技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)的目的，而利用MATLAB的GUI工具設(shè)計相應(yīng)的圖形用戶界面，也進一步加深學(xué)生對DSP技術(shù)及應(yīng)用的理解。

3 結(jié)語

將MATLAB仿真語言引入“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)中，將DSP技術(shù)相關(guān)的理論知識結(jié)合典型實例進行講解，使學(xué)生加深了DSP技術(shù)課程所需要的數(shù)字信號處理基本理論的理解，進而增強了對DSP技術(shù)抽象的理論原理與實際系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合的理解。充分利用MATLAB中強大的可視化、數(shù)據(jù)處理和分析工具，將MATLAB輔助DSP系統(tǒng)設(shè)計的思想穿插于“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)中，在提高了授課靈活性的同時，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

參考文獻

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