數字信號處理課程實踐型教學方法研究

楊智明， 彭喜元， 俞 洋

(哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

目前，隨著計算機和大規模集成電路技術的高速發展，數字信號處理理論和方法已成為眾多領域的重要研究內容[1]，并被廣泛應用于圖像處理、數字通信、模式識別、自動控制等眾多領域[2-3]。而工科大學數字信號處理課程作為電類專業重要的專業基礎課程，上承高等數學、信號與系統等基礎課程，下啟數字電路設計、數字信號處理器等專業課程，對于學生整個課程體系的建立起著重要作用。然而由于該課程的理論性和實踐性都很強[4]，學生學習起來普遍較為吃力。具體表現為以下兩個方面：①該課程理論性很強，要求學生有較好的數學基礎，因此學生普遍感到概念抽象，公式繁多，對理論的理解難以透徹；②相對于信號與系統等前期課程，該門課程雖然具有一定的實踐性，但是由于學生知識體系不足，學生難以把本課程的理論應用到實際當中，無法應用理論知識去解決實際工程中存在的問題[5-6]。因此學生普遍將該門課程當作高等數學的延續，無法提高對本課程的學習興趣。

實驗教學作為課堂授課的一個有益補充，可以在一定程度上緩解以上問題。實驗教學主要實現兩方面作用:①幫助學生更好的理解和掌握理論知識以及設計方法，②在對基礎知識和實現技術有所把握的基礎上，進一步完成創新性實驗的設計。目前，由于條件的限制，大多數高校在進行數字信號處理實驗教學的過程中難以建立軟硬件聯合實驗室，因此采用的基本是Matlab，LabView等仿真軟件[7-8]，該方法在一定程度上幫助學生驗證課堂所學理論知識，但其缺點是直觀性不強，無法幫助學生建立完整的應用設計思路和概念。作者近5年來除進行課堂授課外，同時指導學生進行實驗課程的學習，通過對實驗效果的分析發現，由于受到實驗課程內容設置單一，與工程實踐脫節較為嚴重，缺乏軟硬件綜合性實驗條件和硬件設計理念等因素的影響，學生學習興趣依然不大，難以取得良好的效果。

針對以上問題，結合作者多年教學實踐經驗，提出基于綜合性實驗的數字信號處理實踐型教學方法。以日常生活中最常見，學生最容易理解的語音信號為處理目標，設計語音信號采集和處理系統，實現語音信號的獲取、分析和處理，將數字信號處理課程中的信號采集、信號頻譜分析以及信號處理三個部分有機地融為一體。通過綜合性實驗課程的設計，幫助學生理解數字信號處理的過程細節，同時積累工程實踐經驗，掌握硬件設計方法，為后續畢業設計和研究生學習打下良好的基礎。

1 數字信號處理課程教學內容整合

工科大學電類專業數字信號處理課程涉及眾多理論和方法，因此在綜合性實驗中完全覆蓋所有的內容具有一定的難度。經過多年的實踐，本文將數字信號處理課程劃分為以下3個重要的部分：

(1) 信號采集部分。即如何將日常生活中存在的模擬信號轉換為數字信號；

(2) 信號分析部分。利用離散傅里葉變換等工具對信號頻譜進行分析；

(3) 信號處理部分。設計各種類型的數字濾波器對信號進行濾波處理。

因此，本文提出的綜合性實驗針對以上內容展開設計。

如圖1所示為數字信號處理的基本過程。本科數字信號處理課程要求學生掌握的基本知識包括以下3個部分：采樣、分析和處理。為實現以上過程，并使學生理解工程項目設計流程，本文選擇日常生活中最常見、最易獲取的語音信號作為處理對象，設計語音信號處理系統，作為綜合性實驗的載體。

圖1 數字信號處理基本過程

2 語音信號處理系統設計

本文提出的綜合性實踐教學需要借助于語音信號處理系統完成。該系統以數字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、音頻編解碼器為核心，并附加必要的外圍電路。由于DSP具有數據處理和傳輸的并行性，因此能夠極大提高系統的運行效率；此外，DSP具有高速、實時、靈活的特點，可以用有限的存儲空間存儲較多的數字語音信號，完成多種語音處理功能[9]。以此為基礎，利用C語言完成語音信號處理程序，實現多通道語音信號的采集、濾波、壓縮和回放等功能。

2.1 語音信號處理系統硬件設計方案

系統硬件設計如圖2所示。系統首先利用語音輸入電路配合編碼芯片將將需要處理的語音信號進行數字化采樣；然后，將數字語音信號傳至DSP進行處理；最后，利用語音解碼芯片將處理后的數字樣值轉換為模擬信號，并經由語音輸出電路還原成語音信號。

圖2 系統硬件總體結構圖

如圖2所示，本文選用TI公司TMS320VC5509系列DSP作為系統的核心處理器[10]，完成系統的控制、運算處理等功能，并選用TLV320AIC23實現語音接口電路[11，12]。在硬件接口方面，TMS320VC5509多通道緩沖串口時序和音頻模塊AIC數據接收和發送時序可實現無縫連接，便于進行控制[13]。此外，為完成與主控計算機的交互，選擇USB接口芯片CY68013實現程控命令與信號處理結果的傳輸[14]。

2.2 語音信號處理系統軟件設計方案

硬件設計完成后，需要編寫相應的DSP軟件實現語音信號處理功能[15]。軟件設計包括系統軟件和信號處理軟件兩部分。其中系統軟件實現系統控制、人機接口、數據輸入/輸出管理等功能。而信號處理軟件主要完成特定的語音處理功能。圖3為本文的軟件設計流程圖。

圖3 軟件流程圖

如圖所示，本文在TI公司專用開發環境CCS下開發軟件應用程序[16]。其組成包括主程序框架、初始化程序以及相應的中斷處理程序。DSP初始化程序的主要功能是設置DSP系統的工作狀態；而外圍接口芯片初始化程序主要完成USB接口芯片以及語音接口芯片TLV320AIC23的初始化功能，包括設置其工作模式等。同時DSP系統采用中斷方式處理外圍芯片提出的服務請求，實現語音信號的采集、分析、處理、回放等功能，并實現語音數據及處理結果的實時傳輸與存儲功能。

本文開發的語音處理系統功能明確、結構精簡，摒棄了現有數字信號處理課程硬件實驗箱功能繁雜、體積龐大的缺點，所需硬件基礎和編程基礎都比較少，非常便于學生理解和掌握，特別是其具有較好的便攜性，可以在任何地點進行數字信號處理實驗驗證工作。另外，語音信號也是日常生活中的常見信號形式，便于獲取和理解，因此本文設計的平臺可以很好地完成面向工程實踐數字信號處理課程硬件實驗功能，作為課堂教學和Matlab仿真實驗的有益補充，幫助學生感受工程實踐項目所帶來的成就感，以此激發學生的學習興趣。

3 數字信號處理實驗課程設計及實施方法

3.1 數字信號處理綜合性實驗設計

借助于本課題設計的語音信號處理平臺，可以進行面向工程實踐的綜合性課程設計工作，在進行課程設計的過程中，主要是按照以下原則進行：

(1) 為避免學生課程設計內容出現重復性較大問題，本文將課程設計題目按照信號處理流程進行分解，即多設計一些題目供同學們選擇；

(2) 考慮到學生能力上的差異，無法要求每一位同學都獨立完成相應的課程設計，因此課程設計采用小組方式進行，但小組成員必須要分工明確；

基于以上兩方面原則，在實踐教學中采用的課程設計題目包括以下幾個部分：

3.1.1信號采集部分

(1) 實驗目的。驗證采樣定理,采樣頻率大于信號最高頻率2倍，為獲得良好效果，采樣頻率為信號最高頻率的3～5倍。

(2) 實驗過程。利用語音信號處理系統采集語音信號，語音信號包括正常的語音信號(頻率范圍小于3 kHz)，音樂信號(頻率范圍小于20 kHz)等，指導學生通過設置不同的采樣頻率，觀察信號采樣過程中損耗，從而驗證采樣定理說明的內容。

3.1.2信號分析部分

(1) 實驗目的。利用離散傅里葉變換及其快速算法對信號進行頻譜分析。

(2) 實驗過程。對采集到的語音信號進行頻譜分析，語音信號包括正常的語音信號，音樂信號，以及混疊有噪聲的語音信號和音樂信號，觀察信號頻譜，指導學生調整采樣頻率，采樣點數，觀察調整前后的分析結果，分析頻譜分析范圍、頻率分辨率等頻域分析指標與采樣頻率，采樣點數等時域控制指標之間的關系，從而幫助學生明確實際工程項目中采樣頻率、采樣點數等關鍵技術指標的選擇方法。

3.1.3信號處理部分

(1) 實驗目的。設計數字濾波器，對混雜噪聲的語音信號進行濾波處理。

(2) 實驗過程。利用TMS320VC5509處理器提供的算法設計IIR數字濾波器及FIR數字濾波器，指導學生選擇濾波器類型和參數，獲得濾波器傳遞函數。對于以上部分實驗獲取的混雜有噪聲的語音信號進行濾波處理，比較處理前后語音信號的播放效果，從而驗證設計濾波器的有效性。

以上3部分實驗是一個有機的整體，包括了數字信號處理3個最關鍵的內容：信號采集、信號分析和信號處理，同時還鼓勵學生自行擬定課題，充分發揮其自主性和能動性。

3.2 綜合性實踐教學方法實施步驟

在實踐教學具體實施過程中，采用以下步驟進行：

(1) 前期調研。學生在教師指導下選定題目，并擬定項目實施的大致方案；

(2) 學生自學。學習DSP硬件知識及其編程方法；

(3) 工程實踐。以實驗室和課后實驗的方式進行具體的工程實踐；

(4) 課堂討論。在每學期期末，安排每個小組的學生以5～10 min時間，進行課堂報告，對本學期實驗情況進行總結，同時由教師組織進行課堂討論。

以上方法可以總結為ISED方法，即前期調研(Investigation)，自學(Self-learning)，工程實踐(Engineering practice)以及課堂討論(Discussion in class)4個部分。通過以上綜合性實驗步驟，不僅可以幫助學生更好的理解課堂學習的知識，實現學以致用；還能夠實現對學生的自主學習能力、表達能力等綜合素質的培養。

4 結 語

數字信號處理課程是工科大學電類專業重要基礎課程，本文針對其理論性和實踐性均較強的特點，提出了一種面向綜合性實驗的實踐教學方法，并設計語音信號采集系統作為實驗載體。該平臺結構功能明確、結構精簡，適合工科大學高年級本科生知識基礎，可以方便的幫助學生展開綜合性實驗設計，通過工程實踐激發學習興趣。作者所在課程組于2010～2013年4個學年度，按照以上實踐教學方法，并借助于語音信號處理實驗平臺展開綜合性實驗教學方法的嘗試工作。實際教學情況以及學生課后反饋意見表明，通過以上方法，充分的調動學生的學習積極性，幫助學生做到帶著問題去學習，并體會到學以致用的樂趣。同時，課堂報告及討論，幫助學生鍛煉組織材料及表達的能力，為其后續本科畢業設計及研究生工作奠定基礎。

[1] 喬瑞萍.TMS320C54X DSP原理及應用[M].西安: 西安電子科技大學出版社, 2005.

[2] Sanjit Mitra. Digital Signal Processing—A Computer-Based Method, Third Edition[M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. 2005.

[3] Oppenheim A V, Schafer R W. Discrete-Time Signal Processing[M]. 2nd ed. Prentice Hall International, 1999.

[4] 王秋生, 袁海斌. 數字信號處理教學方法的探索與實踐[J]. 電氣電子教學學報, 2008, 30(8): 87-89.

Wang Qiu-sheng, Yuan Hai-bin. Teaching Probe and Practice to Digital Signal Processing[J]. Journal of EEE, 2008, 30(8): 87-89.

[5] 倪振文, 王俊年, 劉昆山. 電子信息類專業實踐教學體系改革的研究[J]. 實驗室研究與探索, 2004, 23(2): 52-55.

Ni Zhen-wen,Wang Jun-nian,Liu Kun-shan. Study and Exploration of Electron Information Specialty Practice Education[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2004, 23(2): 52-55.

[6] 朱金秀, 張 卓, 朱昌平．數字信號處理課程實驗教學研究與實踐[J]．實驗室研究與探索, 2008, 27(5)：96-98．

Zhu Jin-xiu, Zhang Zhuo, Zhu Chuang-ping. Experimental Teaching Research and Practice of Digital Signal Processing Course[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2008, 27(5)：96-98．

[7] 沈媛媛. 基于Matlab的數字信號處理綜合性實驗設計[J]. 實驗室研究與探索，2009, 28(8)：60-62.

Shen Yuan-yuan. The Comprehensive Experimental Design of Digital Signal Processing Based on Matlab[J].Research and Exploration in Laboratory, 2009, 28(8)：60-62.

[8] 陳玲玲, 劉 陽, 秦麗敏. 基于LabVIEW的數字信號處理實驗平臺設計[J]. 吉林化工學院學報, 2011, 28(11): 66-69.

Chen Ling-ling，Liu Yang，Qin Li-min. Design of DSP Experimental Platform based on LabVIEW[J]. Journal of JiLin Institute of Chemical Technology, 2011, 28(11): 66-69.

[9] 胡 瑛, 胡安峰．一種基于TMS320VC5509的語音處理系統的設計[J]．電子科技, 2009, 22(5)：34-35．

Hu Ying, Hu An-feng. Design of a Speech Processing System Based on TMS320VC5509[J].Electronic Science and Technology, 2009, 22(5)：34-35．

[10] 楊娟娟, 黃鄉生, 宋大杰．基于TMS320VC5509A的圖像采集處理系統[J]．國外電子測量技術,2011, 30(6)：65-68．

Yang Juan-juan Huang Xiang-sheng, Song Da-jie. The image acquisition and processing system based on TMS320VC5509A[J].Foreign Electronic Measurement Technology, 2011, 30(6)：65-68．

[11] 王紫婷, 姚曉通，張華衛.基于TMS320C5402在語音信號處理中的研究[J]. 蘭州交通大學學報, 2004, 23(3):44-47.

Wang Zi-ting, Yao Xiao-tong, Zhang Hua-wei. Study Based on TMS320C5402 in Processing of Phonetic Signal[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2004, 23(3):44-47.

[12] 李雙勛, 歐建平. TLV320AIC23在音頻處理中的應用[J]. 國外電子元器件, 2003(10): 16-19.

Li Shuang-xun Ou Jian-ping. The Application of TLV320AIC23 in Audio Processing[J]. International Electronic Elements, 2003(10): 16-19.

[13] 孫國華, 揭建英. 基于DSP的多通道音頻信號處理平臺的設計[J]. 微型機與應用, 2011, 30(13): 10-12.

Sun Guo-hua, Jie Jian-ying. Design of multi-channel audio signal processing platform based on DSP[J]. Microcomputer & its Applications, 2011, 30(13): 10-12.

[14] 羅向東．基于FPGA與CY7C68013A的USB接口系統設計[J]．國外電子測量技術, 2010, 22(4)：96-98．

Luo Xiang-dong. Design of USB Interface Based on FPGA and CY7C68013A[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2010, 22(4)：96-98．

[15] 彭啟琮. DSP集成開發環境:CCS及DSP/BIOS的原理與應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004.

[16] 史明泉. 基于DSP的FIR濾波器的C語言算法實現[J]. 無線電工程, 2011, 41(1): 13-15.

Shi Mingquan. Implementation of C language Algorithm of FIR Filter Based on DSP[J]. Radio Engineering, 2011, 41(1): 13-15.