電氣工程專業(yè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程改革研究與實(shí)踐

摘要：針對(duì)電氣工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，探討了面向該類專業(yè)的“數(shù)字信號(hào)處理”課程的體系結(jié)構(gòu)、授課內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改革研究與實(shí)踐，并圍繞課程改革進(jìn)行了教材建設(shè)。

關(guān)鍵詞：電氣工程；數(shù)字信號(hào)處理；課程改革

作者簡(jiǎn)介：歐陽(yáng)華（1978-），女，湖北仙桃人，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授；錢美（1974-），男，江蘇鹽城人，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，講師。（湖北 武漢 430033）

基金項(xiàng)目：本文系海軍工程大學(xué)2011年教育科研課題的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）23-0054-02

數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing）是從20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科，它以數(shù)字計(jì)算機(jī)和專用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)為工具，用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、濾波、變換、估計(jì)等處理。[1]

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，隨著其基本理論、方法和技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，“數(shù)字信號(hào)處理”課程已經(jīng)不僅是傳統(tǒng)的無(wú)線電技術(shù)專業(yè)的必修課程，而且已成為許多工科專業(yè)的共同基礎(chǔ)。由于該課程特定的發(fā)展歷史，該課程的體系結(jié)構(gòu)、授課內(nèi)容、成熟教材大部分是針對(duì)電子工程專業(yè)的，對(duì)于電氣工程專業(yè)學(xué)員的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)來(lái)說并不適合。電氣工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)沒有“信號(hào)與系統(tǒng)”課程作為先導(dǎo)，必須先給學(xué)員補(bǔ)充信號(hào)分析與系統(tǒng)分析的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。另外，電氣工程專業(yè)涉及的強(qiáng)電信號(hào)頻率相對(duì)較低，信號(hào)幅值較高，而且多為緩變信號(hào)，信號(hào)處理的對(duì)象與方法與弱電略有不同。因此有必要進(jìn)行課程體系和內(nèi)容的改革，并建設(shè)適合電氣工程專業(yè)的“數(shù)字信號(hào)處理”入門基礎(chǔ)課程教材。

電氣工程專業(yè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程改革研究與實(shí)踐以專業(yè)建設(shè)為導(dǎo)向，在課程體系、課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上作深入的探討，并圍繞課程改革進(jìn)行了教材建設(shè)。

一、國(guó)內(nèi)高校電氣工程專業(yè)開設(shè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的基本情況

20世紀(jì)80年代末我國(guó)在無(wú)線電專業(yè)研究生和部分高年級(jí)本科生教學(xué)中引入“數(shù)字信號(hào)處理”課程，隨后推廣為電子信息類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。

電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)[2]涉及電力系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力電子裝置及系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)等，具有強(qiáng)弱電結(jié)合、軟硬件結(jié)合、電氣工程專業(yè)知識(shí)與自動(dòng)化信息基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)合和專業(yè)面寬的特點(diǎn)。電氣系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)都廣泛地涉及信號(hào)分析和處理技術(shù)。自動(dòng)化系統(tǒng)中按一定的控制規(guī)則得出的控制信號(hào)、系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的確定、系統(tǒng)測(cè)量噪聲的剔除，直至自適應(yīng)控制、智能控制等都通過信號(hào)的分析和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)、電力系統(tǒng)的故障分析和診斷、電力系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量分析與控制等更是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的直接應(yīng)用例子。隨著電工學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域的作用和影響必將越來(lái)越大。

因此，信息科學(xué)學(xué)科的核心課程——“數(shù)字信號(hào)處理”也成為電氣工程學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課。電氣工程學(xué)科該課程不能照搬作為信息科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)的“數(shù)字信號(hào)處理”，而應(yīng)根據(jù)培養(yǎng)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)人才的需要安排具體內(nèi)容，既要補(bǔ)充“信號(hào)與系統(tǒng)”中信號(hào)與系統(tǒng)以及頻譜的基本概念，又不能重復(fù)“電路原理”和“自動(dòng)控制理論”的內(nèi)容；既要為專業(yè)課提供必要的基本概念和基本原理，又不能變成簡(jiǎn)單的專業(yè)知識(shí)介紹。電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)“數(shù)字信號(hào)處理”應(yīng)有它自己的教學(xué)內(nèi)容和體系。

正是為了適應(yīng)這一學(xué)科建設(shè)和發(fā)展的需求，各高等學(xué)校電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)越來(lái)越重視類似于“數(shù)字信號(hào)處理”課程的建設(shè)。[3]西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院自動(dòng)化系將“數(shù)字信號(hào)處理”列為自動(dòng)化專業(yè)核心課程，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院將“信號(hào)分析與處理”課程列為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)（包括科學(xué)技術(shù)型和工程技術(shù)型）專業(yè)基礎(chǔ)課程，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院也開設(shè)了“信號(hào)分析與處理”課程。[4]2000年海軍工程大學(xué)在電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等三個(gè)專業(yè)中新開設(shè)了“數(shù)字信號(hào)處理”課程。[5]

二、課程體系的改革

根據(jù)前述在電氣工程學(xué)科開設(shè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的目的及意義，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)背景，我們?cè)谙鄬?duì)穩(wěn)定中追求變革，研究適合電氣工程專業(yè)需要且與當(dāng)代信息科學(xué)發(fā)展相適應(yīng)的課程體系。根據(jù)培養(yǎng)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)人才的需要安排具體內(nèi)容，補(bǔ)充“信號(hào)與系統(tǒng)”中信號(hào)與系統(tǒng)以及頻譜的基本概念，將拉普拉斯變換原理與應(yīng)用放在“電路原理”中講授，將狀態(tài)空間移至“自動(dòng)控制原理”課程講授。強(qiáng)調(diào)信號(hào)分析和處理的基本原理和方法。

在課程框架設(shè)計(jì)上注重學(xué)員的能力培養(yǎng)，突出數(shù)字信號(hào)分析是基礎(chǔ)，數(shù)字系統(tǒng)分析是橋梁，仿真分析為手段，實(shí)現(xiàn)原理、方法和應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合。在內(nèi)容安排上積極引入信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展成果，優(yōu)化課程體系，更新教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上緊貼專業(yè)應(yīng)用背景，做到學(xué)以致用。

三、教學(xué)內(nèi)容的改革

教學(xué)內(nèi)容改革的基本思想是，在理論上研究如何以當(dāng)代信息科學(xué)的觀點(diǎn)講授經(jīng)典理論；在實(shí)踐上研究如何突出工程應(yīng)用軟件的應(yīng)用，如何突出信號(hào)處理技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用。

課程教學(xué)內(nèi)容的改革主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。

1.根據(jù)專業(yè)的特點(diǎn)精選內(nèi)容，避免重復(fù)，注意銜接

在自動(dòng)控制理論中對(duì)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了充分的介紹和講解，離散系統(tǒng)的基本知識(shí)和Z變換學(xué)生已經(jīng)學(xué)過。所以在教學(xué)中僅簡(jiǎn)單介紹這部分內(nèi)容。考慮到電氣工程專業(yè)主要對(duì)過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中的一些模擬量進(jìn)行處理，為此，適當(dāng)增加數(shù)據(jù)采集和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換方面的內(nèi)容。在教學(xué)中，由連續(xù)信號(hào)分析過渡到離散信號(hào)分析，便于學(xué)生鞏固和應(yīng)用以前所學(xué)的知識(shí)。

2.注重經(jīng)典理論與現(xiàn)代電氣技術(shù)的結(jié)合

課程教學(xué)效果成敗的關(guān)鍵不在于學(xué)生認(rèn)識(shí)和記憶了多少定義、定理的條文，而應(yīng)注重正確引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析典型的物理問題。[6]雖然信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域由傳統(tǒng)的電氣工程向電氣工程擴(kuò)展，但許多經(jīng)典理論只需稍微補(bǔ)充、修正即可適用于電氣工程領(lǐng)域。把握好這一原則將有利于在講述傳統(tǒng)內(nèi)容的過程中充分體現(xiàn)時(shí)代氣息，處理好經(jīng)典理論的闡述與最新技術(shù)引進(jìn)的相互融合。例如在建立“信號(hào)傳輸”概念時(shí)，可以從全球定位系統(tǒng)、個(gè)人通信技術(shù)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)例引入，營(yíng)造了當(dāng)代信息科學(xué)飛速發(fā)展的濃厚氣氛。同時(shí)，介紹信息流、能量流、管理流互動(dòng)的智能電網(wǎng)的概念，實(shí)現(xiàn)電氣電子的交叉融合。

3.理論聯(lián)系實(shí)際，注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

我們注重講清基本概念和方法，介紹信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用，不過分強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)和證明。例如講解頻譜分析時(shí)，介紹其在微機(jī)保護(hù)、故障診斷、頻率跟蹤檢測(cè)方面的應(yīng)用。

為了加強(qiáng)MATLAB實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)基本概念和理論的理解，在理論教學(xué)中隨時(shí)滲透MATLAB的應(yīng)用，不少例題在理論求解后給出MATLAB實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，兩相對(duì)照，既掌握了理論推導(dǎo)方法，也實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。MATLAB的應(yīng)用使學(xué)生養(yǎng)成積極思考、善于推導(dǎo)的良好習(xí)慣，又使學(xué)生深入理解必要的物理概念。課堂PPT中，大部分波形圖均是由MATLAB繪制，尤其是講授濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，直接調(diào)用FDATool工具箱，幫助學(xué)生掌握設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)和方法。在作業(yè)中，也有一些MATLAB仿真小作業(yè)，這也是國(guó)內(nèi)外大部分院校采取的方法。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改革

如何通過實(shí)踐環(huán)節(jié)來(lái)培養(yǎng)工科大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)以及如何更好地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題已成為當(dāng)前高等院校工科專業(yè)教學(xué)改革的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題。“數(shù)字信號(hào)處理”課程開課伊始就是理論與實(shí)驗(yàn)算法并重，其實(shí)驗(yàn)體系較為完善。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面改革的基本思想是立足基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，注重綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

MATLAB仿真軟件使用簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，兼有豐富的工具箱和軟件包，因此首選MATLAB作為實(shí)驗(yàn)仿真工具。具體而言，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為五個(gè)：實(shí)驗(yàn)一——信號(hào)的時(shí)域分析。實(shí)驗(yàn)二——信號(hào)的頻域分析。實(shí)驗(yàn)三——濾波器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生掌握MATLAB語(yǔ)言的基本使用方法，并能夠采用該語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)四——信號(hào)的抽樣與恢復(fù)，該實(shí)驗(yàn)是綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生根據(jù)信號(hào)頻譜分析得到的頻率成分，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的抽樣與恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)五——信號(hào)濾波，該實(shí)驗(yàn)是自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合應(yīng)用信號(hào)頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。

此外，作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)改革的一個(gè)方向，在課堂上給學(xué)員進(jìn)行了LabVIEW虛擬實(shí)驗(yàn)演示。LabVIEW虛擬儀器和MATLAB仿真軟件各有利弊。MATLAB編程過程類似于數(shù)學(xué)演算，并具有強(qiáng)大的命令集和信號(hào)處理工具箱，是目前數(shù)字信號(hào)處理的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，對(duì)于訓(xùn)練學(xué)員信號(hào)處理的算法實(shí)現(xiàn)技巧、培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力極有裨益，但對(duì)圖形支持不夠，編程較為復(fù)雜。LabVIEW虛擬儀器使用獨(dú)特的圖形化編程技術(shù)，用軟件代替儀器功能，人機(jī)界面友好，使用方便，將其應(yīng)用于“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)，使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會(huì)和理解“數(shù)字信號(hào)處理”課程的分析方法和處理結(jié)果。但若作為本科實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，則由于學(xué)時(shí)和學(xué)員知識(shí)結(jié)構(gòu)限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將會(huì)限于演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)員綜合利用DSP理論分析和解決實(shí)際問題的能力。因此，是否在實(shí)驗(yàn)中引入LabVIEW虛擬儀器，是完全替代MATLAB還是兩者互為補(bǔ)充，這個(gè)問題教研組還在進(jìn)一步的考慮之中。

四、“數(shù)字信號(hào)處理”教材建設(shè)

課程建設(shè)，教材為先。為體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理基本概念、原理和方法，結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的需求，我們特編寫了《數(shù)字信號(hào)處理》教材。教材內(nèi)容豐富，強(qiáng)調(diào)基本理論、基本概念和基本方法，注重內(nèi)容的時(shí)代性和前沿性，將計(jì)算機(jī)仿真工具M(jìn)ATLAB與教材內(nèi)容緊密結(jié)合，增設(shè)了相應(yīng)的例題與習(xí)題，充分體現(xiàn)了經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合，基本理論與工程技術(shù)相結(jié)合，解析方法與計(jì)算機(jī)輔助分析相結(jié)合的特點(diǎn)。全書條理清楚，深入淺出，有實(shí)例，便于自學(xué)。教材緊緊抓住數(shù)字信號(hào)這條主線，重點(diǎn)介紹信號(hào)處理、分析的基本原理和方法。補(bǔ)充“信號(hào)與系統(tǒng)”中信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念，強(qiáng)調(diào)傅里葉變換、頻譜和頻率響應(yīng)的概念。盡量避免與“自動(dòng)控制原理”和“電路分析”的內(nèi)容重疊，弱化拉普拉斯變換的地位。教材另外一個(gè)重要的特點(diǎn)是將MATLAB這個(gè)工具在信號(hào)處理技術(shù)中的應(yīng)用貫穿于全書，使學(xué)員在學(xué)習(xí)了基本概念、方法后能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，一方面能加深對(duì)基本概念、原理的理解，一方面為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)、科學(xué)研究打下良好基礎(chǔ)。

長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)生感覺“數(shù)字信號(hào)處理”等課程內(nèi)容難學(xué)難用，主要原因是信號(hào)處理類課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，學(xué)生沒有將理論與實(shí)踐相結(jié)合，造成對(duì)數(shù)字信號(hào)處理原理和方法的理解不深刻，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用不靈活。我們根據(jù)多年來(lái)的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，編寫了“信號(hào)分析與處理”實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，作為內(nèi)部講義以供學(xué)員使用。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書分為三個(gè)模塊：信號(hào)的分析與處理、系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)、信號(hào)處理綜合應(yīng)用。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文探討了電氣工程專業(yè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程改革研究的一些思考和做法。課程改革與建設(shè)是一個(gè)需要持之以恒而又與時(shí)俱進(jìn)的工作，其間總會(huì)產(chǎn)生新的問題，形成新的看法，我們將進(jìn)行進(jìn)一步研究討論，做好教書育人工作。

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（責(zé)任編輯：劉輝）