數字信號處理研究型實訓課程的教學探索與實踐

林連冬

(黑龍江大學電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著大學畢業生就業形勢的改變，在新的世紀里高等教育除了注重培養理論基礎扎實的學生外，還要注重培養學生的實際動手操作、知識的綜合運用、獨立解決問題，以及科技論文寫作等能力，才能培養出滿足社會需要的實用型人才[1]。因此，實訓教學作為提高學生分析問題、解決問題的能力和培養學生創造性思維的重要手段，受到越來越多的重視[1，7]。

為了滿足培養應用型人才的需要我校電子工程學院的各個專業從2010年開始研究設立符合各專業特色的電子類實訓課程，其目的就是把各專業的主干課程聯系起來，理論聯系實際，讓學生通過獨立完成一個完整的電子系統開發實驗加深專業知識的理解，培養實際操作能力。本文以電子信息科學專業的DSP技術實訓課程為例，從電子類專業實訓課程的題目設計原則、實驗課程內容設計、實訓類課程教學考核方法以及教學經驗，教學中的不足和改進方案等方面進行了闡述。為今后開展各類研究型實訓課程的教學工作進行了有益的探索與實踐[8]。

1 DSP實訓課程題目設計原則

首先依據我校電子工程學院的辦學特色，并根據我校電子工程學院的師資、教學科研、實驗室建設情況及社會對信息類人才的需求等情況，確定了我院電子信息科學專業才培養模式:即培養電子系統設計及信號與信息處理方向的專業人才。培養學生熟悉電子系統的設計理論、設計方法、信號與系統的基礎理論，掌握各類信息獲取、處理、傳輸等技術。能夠熟練地使用數字信號處理器、數字信號仿真分析工具，掌握常用的電路系統開發工具同時具備較強的工程設計和開發應用能力[2]。

DSP實訓課程題目設計的首要原則是要符合我院電子信息科學專業的人才培養方案。其次還應該結合DSP實驗室的特點來制定，DSP驗室主要是通過面向現代數字信號處理工程的教學實驗，突出技術實用性和現代性等特點，切實提高學生的工程應用能力與科技創新能力。最后題目的設計還應該體現在課程體系中的不同課程之間的相互關聯性，這樣才能更加接近實際應用，鍛煉和提高學生對知識的綜合運用能力。

由于DSP實訓課面向大三學生開設，在此之前學生們已經學習過“信號與系統”、“模擬電路”、“數字電路”、“數字信號處理”、“數字電路”、“微機原理”等專業課程。按以上原則選擇的實訓題目是基于DSP技術的DTMF信號產生與Goertzel檢測算法的實現[3]。

2 DSP實訓課程內容的具體設計

雙音多頻 DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令，具有很強的抗干擾能力和較高的傳輸速度，可以在數據通信系統中廣泛地用來實現各種數據流和語音等信息的遠程傳輸。

將DTMF信令的產生與檢測工作集成到一個基于數字信號處理器(DSP)的系統中，是一個能夠綜合訓練數字信號處理系統設計能力的實訓題目[4]。

DSP實訓的教學環節主要包括:① DTMF信號的產生算法原理——數字振蕩器的設計原理，DTMF信號的檢測原理——Goertzel檢測算法原理;② 基于Matlab2012的DTMF信號產生與檢測算法GUI仿真程序設計與驗證;③基于TMS3205402的硬件系統設計;④基于CCS500的DSP程序設計和驗證;⑤系統調試等內容。下面討論教學中的一些關鍵問題。

2.1 DTMF信號產生原理

DTMF編碼，將8個頻率分為高頻群和低頻群兩組，分別作為列頻和行頻，每一個按鍵的頻率模式由來自于列頻和行頻的兩個頻率疊加而成。DTMF信號的生成方法有三種，計算法、查表法和數字正弦振蕩器。用計算法求正弦波的離散序列值程序設計容易，但實際應用時會占用計算時間，使系統運行速度變慢。查表法是先通過Matlab將正弦波的序列值計算出來并寄存在存儲器中，運行時只要按順序和一定的速度取出便可。這種方法要占用較多的存儲空間，但是速度快。第三種方法是利用數字振蕩器來實現不同頻率信號的疊加，這種方法通過迭代的方法計算出不同頻率的正弦信號序列，結構簡單，運算速度快，節省內存，因此在實際應用中我們選擇了這種方法[6]。

數字振蕩器的本質是，使用一個 IIR(Infinite Impulse Response)濾波器，通過把它的極點放在單位圓上面來產生振蕩[8-15]，

可以得到正弦序列x(n)的z變換為:

式(2)設計一個二階IIR濾波器，使其系統傳遞函數就是正弦序列x[n]的z變換。系統傳遞函數為:

由傳輸函數得出該系統為二階系統，在單位圓上有2個復共輒極點，由極點位置可以得出，系統的單位脈沖響應為一恒定幅度的振蕩信號，即所需的正弦信號。由系統函數求得差分方程:

式(4)是一個二階差分方程，其單位沖激響應就是sin wt。由式(3)可得數字振蕩器系統流程圖如圖1所示:

圖1 數字振蕩器系統流程圖

2.2 數字振蕩器的設計和仿真驗證

由式(3)可知，系統參數如下:

式中:f0為輸出信號的頻率;k為正弦信號的幅值;fs為采樣信號頻率(8 kHz);w0為歸一化數字頻率。

根據上面的參數，代入輸出信號的頻率可以得到產生不同頻率正弦信號所需要的參數(見表1)。

表1 數字振蕩器參數表

基于CCS500的數字振蕩器DSP調試結果如圖2數字按鍵‘1’的產生仿真圖所示，其中(a)圖是697 Hz+1 209 Hz的時域圖形(即代表數字按鍵‘1’);圖(b)是頻譜圖結果。通過圖2可以看到仿真結果和預期結果一致。

圖2 數字按鍵‘1’DTMF信號產生仿真圖

2.3 DTMF信號的檢測算法實驗結果驗證

DTMF信號檢測算法即是對輸入信號進行頻譜分析并從中搜索出有效的行頻和列頻。計算數字信號的頻譜可采用DFT及其快速算法FFT而采用Goertzel算法要比FFT更快。因為對于DTMF信號只用關心其8個行頻/列頻及其二次諧波信息即可(二次諧波的信息用于將DTMF信號與聲音信號區別)。此時Goertzel算法能更快速地在輸入信號中提取頻譜信息。

Goertzel算法的系統差分方程:

系統的輸出方程:

因為只需要知道被檢測信號譜值的信息，所以對式(5)取模，得到式(6)。可以看到，在實際的運算中已經不包含復數運算。

DTMF信號檢測的仿真圖如圖4所示。

圖4 DTMF信號檢測圖

DTMF系統的輸入信號是由矩陣鍵盤得到的信號，輸出的判斷結果由液晶顯示器進行顯示，這里矩陣鍵盤的讀取與控制我們采用HD7279A芯片，HD7279A是一款具有SPI串行接口的器件，可直接驅動8位共陰式數碼管及管理最多64鍵鍵盤，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能，大大簡化電路設計，占用資源極少。液晶顯示采用LCM12864芯片，為了減少系統電路的復雜性，以及系統的靈活配置，我們采用CPLD芯片作為外圍芯片與TMS54C02之間的連接控制芯片。由于篇幅的限制，這里我們不再對電路功能和原理進行闡述[5]。

3 DSP實訓課程的考核方法

參與實訓課程的班級有40名學生，為了能夠對每一個學生的學習效果進行有效的監督和考核我們采取了如下方法:

(1)分組考核制。把學生按照4人一組分成10組，以小組為單位獨立完成設計。每個小組成員負責一個方向的工作。比如，1個同學負責Matlab程序設計，另外1個負責CCS程序開發及設計，第3個同學負責電路設計，最后1個同學負責FPGA程序開發及撰寫報告。

(2)考核形式。為了使每個同學都能夠在實驗中有所收獲，除了按照最后的報告給成績外，我們還要求每個小組的學生都要以答辯的形式進行考核。

(3)考核成績。考核總成績由平時成績+作業成績+答辯成績等三部分組成，所占比例分別為10%，40%，50%。所以答辯成績對于學生來說非常重要，因此也就督促學生們在上課時更加認真的準備。

4 教學中的不足和改進方案

經過一個學期的教學工作，我們總結出工作中存在以下一些不足和待改進的地方，以及改進方案。

(1)實驗題目數量不足。從效果上看不能完全的保證杜絕不同組之間進行抄襲的現象，解決方案:開發更多的實驗題目，比如數字濾波器，數據采集等，最好是保證每一組都有不同的任務。

(2)實驗學時的限制。應該讓每一個組員都能夠熟悉并動手實踐軟件設計，硬件設計，報告撰寫等工作，但由于學時的限制，現在每個人只能完成整個設計的一部分工作。解決方案:增加實驗學時。

(3)互動不足。由于實訓實驗屬于開放性實驗，大多數時間都是由學生自主學習，并完成設計，因此在遇到問題時，不能及時求助老師。解決方案:建設實驗教學網站，在網站上發布學習計劃，各種資料，并回答學生的問題，對論文設計工作進行在線指導。

5 結語

討論了綜合實訓類課程合理的設計實驗題目，規劃實驗內容，完善實驗考核形式的重要性。并且通過基于DSP的DTMF信號檢測系統設計這個完整的例子，解釋了綜合實訓類實驗課程的教學過程和教學方法。通過一個學期的實訓課程教學，我們發現這種綜合設計性的實訓類課程非常受學生的歡迎，激發了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果，同時也激勵我們開發更多地綜合性實訓類的實驗題目，滿足學生們的學習愿望。

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