“數(shù)字信號處理”課程教學方法探索與研究

賀偉?陳國振

摘要：“數(shù)字信號處理”是電子信息及其通信工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，數(shù)字信號處理技術(shù)在通信、生物醫(yī)學、故障檢測和航空航天等多個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。為進一步提升教學質(zhì)量，培養(yǎng)合格的專業(yè)技術(shù)型人才，從相關(guān)專業(yè)課程優(yōu)化整合、教學方式方法探索以及實踐環(huán)節(jié)等方面深入探討，對本門課程的教學方法改革做了良性的探索工作，且實踐證明效果良好。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；教學質(zhì)量；課程優(yōu)化；實踐；探索

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0159-02

“數(shù)字信號處理”是電子信息及其通信工程專業(yè)的一門重要專業(yè)必修課程。數(shù)字信號處理的處理對象是數(shù)字信號，處理方式是數(shù)值運算，信號處理相比較具有許多優(yōu)點，諸如：靈活性高；高精度和高穩(wěn)定性；便于大規(guī)模集成；對數(shù)字信號可以存儲、運算，系統(tǒng)可以獲得高性能指標等。自1965年以來，這門學科基本形成了一套完整的理論體系，在語音、雷達、聲納、地震、圖像、通信、生物醫(yī)學、遙感遙測、地質(zhì)勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領(lǐng)域已取得了廣泛的應(yīng)用。該門課程作為普通高等本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要學習其基本理論和基本分析方法。[1]該門課程是一門理論和實踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合的課程。針對數(shù)字信號處理的這些特點，同時為幫助學生理解和掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理及其分析方法，鍛煉學生應(yīng)用所學知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)工程實踐創(chuàng)新能力。為此，課程組對“數(shù)字信號處理”課程教學方法，不斷探索研究，經(jīng)過不懈努力，筆者對該課程及其先修課程進行了優(yōu)化整合，探索課堂教方法，重視實踐環(huán)節(jié)，提高該門課程的教學效果。

一、“數(shù)字信號處理”及其與先修課程的整合

“高等數(shù)學”、“工程數(shù)學”、“信號與系統(tǒng)”是學習“數(shù)字信號處理”的先修課程。其中“高等數(shù)學”和“工程數(shù)學”屬于基礎(chǔ)課程，而“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”是兩門核心專業(yè)課程，為今后學習“現(xiàn)代數(shù)字信號處理”和“DSP技術(shù)”等起著基礎(chǔ)鋪墊作用。對“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”進行優(yōu)化整合大體思路如下：

第一，“信號與系統(tǒng)”這門課程主要內(nèi)容包括兩大系統(tǒng)和三個變換，分別為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換。這些是學習“數(shù)字信號處理”的基礎(chǔ)，“數(shù)字信號處理”的主要內(nèi)容包括：時域離散信號與時域離散系統(tǒng)；時域離散信號與系統(tǒng)的頻域分析；離散傅立葉變換（DFT）；快速傅立葉變換（FFT）；時域離散系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分析法；IIR濾波器的設(shè)計；FIR濾波器的設(shè)計。這些又都是“信號與系統(tǒng)”在離散系統(tǒng)中的進一步擴展和延伸。第二，在“數(shù)字信號處理”學習過程中，對于離散信號與離散系統(tǒng)、Z變換等內(nèi)容由于已經(jīng)在“信號與系統(tǒng)”課程中進行了相應(yīng)的分析學習，故而可以考慮把課堂讓給學生，告訴學生重點、難點，以及要求突出數(shù)字信號處理和系統(tǒng)的分析。讓學生在課下查閱文獻及參考資料，并抽同學在下次課上對該部分內(nèi)容進行講授，這樣可以充分調(diào)動學生的積極性以及學習熱情。第三，能正確區(qū)分傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換和離散傅里葉變換這四大變換的數(shù)學概念、物理概念和工程概念。[2]在學習完“數(shù)字信號處理”中的DTFT和DFT之后，上面提到的四種變換將全部學完，筆者到時候要引導(dǎo)學生對這幾種變換進行歸類總結(jié)。

通過對“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”兩門課程內(nèi)容的剖析和梳理，對其相關(guān)內(nèi)容進行優(yōu)化整合，使其各自在保持相對獨立和完整的前提下，能夠進行深入的融會貫通，形成有機統(tǒng)一的專業(yè)課程體系。另外，在教學方式和方法、實踐教學手段以及師資隊伍建設(shè)等各個環(huán)節(jié)有待進行深入研究。

二、教學方法探索

1.傳統(tǒng)教學與多媒體授課相結(jié)合

“數(shù)字信號處理”是建立在數(shù)學基礎(chǔ)上的一門學科，它承襲了數(shù)學的基本特點，課程中概念定理偏多、公式繁多，課堂上若僅僅憑借PPT課件，難以讓學生對概念有深入的理解和系統(tǒng)的認識，尤其在公式推導(dǎo)過程中，多媒體軟件所表現(xiàn)出的不足就會更加明顯。[3]傳統(tǒng)教學中的板書授課速度相對較慢，利于學生思考，在板書的過程中可以邊寫邊進行講解，誘導(dǎo)深入，由淺入深，循序漸進，把知識的銜接點在黑板上通過推導(dǎo)展現(xiàn)給同學們。再者長期的多媒體教學形式過于單一，學生在思想上也容易產(chǎn)生厭倦情緒，適時加入板書可以起到提高學生注意力的效果，這樣才可以使學生從根本上接受新知識，并對其理解、掌握和應(yīng)用。

板書教學在數(shù)學講授中具有較好的效果，可是在“數(shù)字信號處理”這門課的課堂全部用板書授課就會使課堂變成數(shù)學理論課，給學生一種繁瑣、枯燥的感覺。再者板書過于單調(diào)，難以滿足授課中遇到的抽樣、卷子、頻譜分析、信號濾波等比較抽象難懂的知識點。而多媒體軟件，諸如Flasf和PPT等，具有形象生動的特點，把多媒體軟件授課引入課堂輔助傳統(tǒng)授課方式，就可以將抽象問題形象化，復(fù)雜問題簡單化，創(chuàng)造出寬松的授課環(huán)境，激發(fā)學生學習激情，提升學習效率。

Matlab軟件由于其較好的仿真效果，可以把抽象化的概念理論直觀化，通過軟件仿真把一系列的理論概念以圖片或聲音的形式呈現(xiàn)給人們，正是Matlab仿真軟件的這些特點使其在數(shù)字信號處理方面具有很廣的應(yīng)用范圍。把Matlab軟件引入課堂，可以使理論和工程實踐結(jié)合更加緊密，使復(fù)雜抽象的理論概念得以直觀的演示，并使學生能對其所學的理論知識在實際應(yīng)用中有一個初步的認識。

圖1為一個長度為16點的有限序列x[k]=cos（2πrk/N），N=16，r=4，利用Matlab計算16點序列x[k]的512點DFT。從圖1可知對x[k]序列進行512點的DFT，可以得到頻譜函數(shù)X（ejΩ）更為全面的細節(jié)，由于序列N點的離散Fourier變換XN[m]就是序列DTFT X（ejΩ）一個周期內(nèi)的N個等間隔抽樣。[4]序列x[k]進行16點的DFTX[m]可以完全恢復(fù)原始序列x[k]。

傳統(tǒng)教學與媒體授課相結(jié)合，圖形并茂，聲音和動畫相輔助，充分利用課堂資源，調(diào)動學生積極性，在有限的時間內(nèi)，給學生提供更多的信息量，彰顯素質(zhì)教育的主旨，將理論和實踐有機結(jié)合，使學生學會多角度、多層次地思考解決問題。

2.課堂和課下相結(jié)合

當今社會電子信息、Intel網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，人們每天接收的信息日益增大，學生們對不懂的知識習慣求助于網(wǎng)絡(luò)，這也為學生們自主學習創(chuàng)造了條件。“數(shù)字信號處理”這門課程理論性較強，數(shù)學公式偏多，不少學生在不知道其學習意義的前提下，往往容易被數(shù)學公式所累，失去學習興趣。為了提高課堂效果，可以在課堂上留出十分鐘左右的時間介紹下次課所要講授的重點，并給出相應(yīng)的專業(yè)論壇，讓學生通過網(wǎng)絡(luò)資源去自己了解相應(yīng)課程內(nèi)容的重點、難點以及在生活中的應(yīng)用。在下次課開始時老師可以根據(jù)學生的自學情況讓其自由發(fā)言，講述本次課自身的認識、應(yīng)注意的環(huán)節(jié)和在工程實踐中的應(yīng)用價值。

“數(shù)字信號處理”這門課程需要掌握的細節(jié)性知識較多，全部把希望寄托于課堂，所能達到的效果只能是差強人意，這就要求學生們在每節(jié)課之后要多做總結(jié)和復(fù)習。為了使復(fù)習更具有目的性，可以把《數(shù)字信號處理多媒體CAI教程》推薦給同學們，由于多媒體CAI課件是經(jīng)過教學目標確定、教學內(nèi)容和任務(wù)分析、教學活動結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計而成，重點難點突出，具有友好的人機交互性能，讓多媒體CAI課件來輔助學生課后復(fù)習和預(yù)習可以起到事半功倍的效果。例如，在講解過奈奎斯特定理之后，為了更進一步理解奈奎斯特定理以及在不同抽樣頻率情況下，對信號頻譜的影響，圖2所示即為在自然抽樣方式下小于二倍信號最高頻的信號時頻域的顯示圖。從圖2可以清晰得出奈奎斯特抽樣定理的基本特征，可見借助多媒體CAI課件來復(fù)習這些知識點會起到強化加深的效果。

三、重視實踐環(huán)節(jié)

實踐環(huán)節(jié)是做到理論聯(lián)系實際的根本，把課堂上所學的理論知識加以靈活應(yīng)用，更好地為生產(chǎn)生活服務(wù)，這是實踐環(huán)節(jié)的出發(fā)點。

1.Matlab仿真軟件

Matlab語言在學術(shù)界和工程界被廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為科研工作人員進行數(shù)值計算、系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理與交流的事實標準平臺。Matlab軟件語法簡單，語句和數(shù)學描述近似，能夠?qū)?fù)雜的信號處理及仿真算法用簡潔的代碼表達，便于學習、交流和仿真驗證，[5]并且具有完備的電子信息專業(yè)專用的函數(shù)庫和工具箱，可以大幅度提高研發(fā)和設(shè)計的效率。

數(shù)字信號處理中涉及到的離散Fourier變換、離散Fourier變換快速算法、IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計以及功率譜估計等都可以讓學生在實驗課上借助于Matlab仿真軟件進行仿真實現(xiàn)和驗證。學生通過實時編程仿真對所學理論知識進行形象化和直觀化的實現(xiàn)，切實加強學生對相關(guān)理論的認識和把握，提高學生積極主動學習的能力，增進其探索精神，為將來步入工作崗位打下較強的工程實踐基礎(chǔ)。

2.DSP實驗平臺

數(shù)字信號處理課程設(shè)計是實踐環(huán)節(jié)的延伸，學生通過為期一周的課程設(shè)計初步了解DSP實驗設(shè)備的基本使用方法，能進行熟練的編程和調(diào)試操作，熟悉DSP編程環(huán)境和基本工作原理，掌握CCS軟件使用方法。圍繞相應(yīng)的培養(yǎng)目標給學生下達任務(wù)書，讓學生親自動手操作DSP開發(fā)試驗裝置，真切感受到理論知識在實際中的應(yīng)用。筆者試驗室所提供的DSP芯片是TMS320C64X系列，通過該試驗開發(fā)平臺引導(dǎo)學生用C語言在CCS上進行編程調(diào)試實現(xiàn)FFT算法、卷積算法、FIR和IIR算法，對程度較好的同學可以嘗試做一些類似于交通燈控制、數(shù)碼管顯示、實時濾波和信號發(fā)生等試驗。通過對DSP試驗平臺的操作訓(xùn)練，加深了解DSP芯片的相關(guān)功能，培養(yǎng)學生的動手能力，使學生學會如何利用工具手冊來解決未知問題，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才做好充分的準備。

四、結(jié)束語

“數(shù)字信號處理”是一門必修專業(yè)課程，并且難度相對較大，為了使學生學好本門課程，更好地為今后學習和工作服務(wù)，多年來課程組老師在教學內(nèi)容、方式方法、實際環(huán)節(jié)探索等方面都做了探索性的嘗試和改革。通過多年的實踐及其學生反饋，證明教學改革取得的效果良好，為廣大師生一致認可。

通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)日新月異，數(shù)字信號處理技術(shù)和手段飛速發(fā)展，諸如：HHT、盲源分離和壓縮感知等新型理論和算法不斷涌現(xiàn)，作為一名專職教師，有責任和義務(wù)把新知識、新技術(shù)和新理論引入到課堂中，在不斷學習、變革中把握專業(yè)發(fā)展動態(tài)，豐富和深化課堂內(nèi)容，更好地為學生服務(wù)，為社會發(fā)展培育出合格的專業(yè)技術(shù)型人才。

參考文獻：

[1]丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理[M].第2版.西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[2]蔡成林，吳海燕，楊玲.“數(shù)字信號處理”教學改革的研究與探索[J].湖南人文科技學院學報，2011，（2）：137-139.

[3]郭淑婷，牛瑩.“數(shù)字信號處理”課程教學方法探索[J].中國電力教育，2011，（23）：78-79.

[4]陳后金，薛健，胡健.數(shù)字信號處理[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[5]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

（責任編輯：王意琴）