數字信號處理課程改革探索

郭秀梅

山東農業大學信息科學與工程學院 山東泰安 271018

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數字信號處理課程改革探索

郭秀梅

山東農業大學信息科學與工程學院 山東泰安 271018

摘 要：數字信號處理課程是電子、通信類專業的必修課程，針對該課程實用性強、內容抽象難懂等特點，結合我校學生學習的實際情況對該課程進行了相應的教學改革。在理論教學環節：豐富教學手段和方法，注重形象化教學，強調抽象的概念的物理意義，凸顯Matlab工具和微課堂在理論教學中的作用。實驗教學環節：注重學生動手能力的訓練，培養學生理論聯系實際、分析解決實際問題的能力。實踐表明該課程教學改革取得了良好的效果。

關鍵詞：數字信號處理；理論教學改革；實驗教學改革

數字信號處理是高等院校電子信息、通信工程類等專業的核心專業課之一，是后續學生解決實際問題必不可少的理論工具。由于該課程具有理論性強，概念抽象，理論和實踐并重等特點，加上學生數學基礎相對薄弱，信號與系統課程的知識掌握、理解不到位，導致學生在學習本課程時具有一定的困難。如何更好地幫助學生系統地掌握和理解該課程中的基本概念、原理，培養學生將所學知識運用到實際問題中能力，以適應人才培養需求，是本課程教學過程中所要解決的關鍵問題。我們結合本校學生的實際情況，從理論和實踐兩方面進行相應改革，經過兩學期的教學驗證，效果顯著。

1 理論教學改革

1.1 整合教學內容

數字信號處理課程在內容安排上具有承前啟后的作用，先修課程為信號與系統，后續課程為DSP原理及應用，這3門課程形成信號與系統課程體系。它們在內容上存在一定的交叉和重復。我校數字信號處理課程安排在大三上學期，理論課僅有40個學時，如何在有限的時間內傳授給學生最多的知識量成為一個關鍵問題。為此我們與信號與系統、DSP原理及應用任課教師就3門課程之間的重復內容進行研究，明確分工，制定統一的教學大綱，使得每門課程教學內容簡單明了，并且滿足后續課程的需要。數字信號處理課程的核心教學內容［1］由離散傅里葉變換和數字濾波器設計兩大主線構成。圍繞這兩個主線，遵循以講授基本概念原理、掌握基本技能為主，兼顧內容的系統系和完整性，確定了數字信號處理課程的教學內容［2］如圖1所示。

圖1

1.2 豐富教學手段和方法

數字信號處理這門課程存在概念多、抽象難以理解，公式推導煩瑣等問題，如何將枯燥抽象的概念形象化展現給學生，僅靠傳統的教學方式遠遠不夠，現代化的教學手段和豐富多樣的教學方法顯得尤為重要。在實際的教學過程中，我們采用板書和多媒體教學相結合的方案。兩種方式相互補充，揚長避短。對于一些公式的推導，如果采用多媒體教學的話，屏幕內容翻新太快，學生來不及思考，因此這部分內容采用板書。對于難以接受的抽象概念，學生需要形象直觀的認識，我們利用圖形和動畫，使難以理解的內容形象化。比如頻域這個概念，學生接受起來就相當吃力。如何讓學生將時域信號與它的頻譜形象直觀的對應起來呢？我們可以通過板書推導出信號頻域變換公式，然后通過圖形的方法，讓學生理解頻域的概念。圖2中的a圖代表一個時域信號，b圖代表a信號有哪些正弦波信號合成，我們把b圖在z軸方向上投影，投影后的橫軸為頻率大小，縱軸代表該頻率的正弦波的幅度，便可得到c圖。c圖代表的是該時域信號哪些頻率的正弦波構成，相應的幅度各為多少，即為改時域信號的頻譜。這樣學生可以對頻域有了比較直觀的認識和理解。

圖2 頻譜的形成過程

講授奈奎斯特抽樣定律，我們制作了Flash動畫演示整個抽樣過程，通過動畫分別演示抽樣頻率小于、等于、大于2倍信號最高頻率時的現象，讓學生形象直觀的加深了對抽樣定理的理解和記憶。因此多樣化的教學手段對課堂教學效果起著非常重要的促進作用。

1.3 凸顯Matlab的作用

Matlab具有強大的數據分析、處理［3，4］和人機交互功能，它針對信號處理與分析有專門的工具箱和數學函數，方便我們對信號進行傅里葉變換、時域和頻域分析、數字濾波等處理。例如：計算數據的離散快速傅時葉變換的FFT，IFFT，FFT2，IFFT2，CZT和濾波器設計的FIR1，FIR2，BUTTER、BUTTORD，CHDBY1，CHEB1ORD，CHDBY2，CHEB2ORD，ELLIP，ELLIPORD等，同時Matlab還提供了數字信號處理工具箱，這些工具可以是我們很容易地將抽象難懂的問題形象化展現給學生，便于學生掌握和理解。

例如很多同學難以理解高密度譜和高分辨率譜，為什么只有增加信號有效長度才能提高頻率分辨率，而序列后面補零不改變分辨率？例如圖3中的時域信號，當取0≤n≤9時，從相應10點DFT圖形中無法看出相關的頻譜信息；如果該信號后面補90個零點，然后100點的DFT，從相應頻譜圖中可以看出，此時的譜線相對于10點DFT的譜線相當密，故稱為高密度譜線圖。但是從100點的DFT頻譜圖中，也很難看出信號的頻譜部分。如果我們對x（n）加長取樣數據，得到長度為N=100的序列，再做100點的DFT時，此時相應的X（k ）圖中可以清晰地看到信號的頻譜成分，這稱為高分辨頻譜。這樣學生就對這兩個概念有了直觀的認識，加深了對它的理解。因此在教學過程中，我們加大了Matlab仿真圖的比重，實踐表明，該方法可以有效地幫助學生理解抽象的概念，增強了課堂教學效果。

圖3 高密度譜和高分辨率譜

2 實驗教學改革

數字信號處理課程是一門理論和實踐相結合的課程，如果僅僅講授理論知識，達不到學以致用的效果，因此我校增加了實驗教學環節，從本學期將實驗課時由8個增加至16個。實驗分為基礎性驗證實驗、綜合性設計實驗，以滿足不同層次學生的需求?；A性驗證實驗安排在學生學完具體的知識點，緊跟著上機用Matlab編程驗證，這樣便于學生及時對所學理論有形象直觀的認識。綜合性設計實驗是涉及本課程的綜合知識，讓學生解決一些實際問題的實驗。通過實驗，學生不僅學會了用軟件分析解決問題的方法，同時加深課堂所學知識的理解。例如在濾波器設計時，對于同樣的設計指標，可以讓學生分別用IIR和FIR濾波器實現，IIR濾波器可以采用沖擊響應不變法，也可以采用雙線性變換法，既可以用巴特奧斯濾波器逼近，也可以采用切比雪夫濾波器逼近，充分發揮學生的潛能。編寫完程序，分析頻譜特性，并能用濾波器實現信號去噪功能。這樣一個綜合型設計實驗可以讓學生更好地理解濾波器的設計過程和具體應用，加深學生對濾波器這部分知識的理解和把握。圖4為語音信號去噪仿真圖，學生通過分析結果，并通過Matlab聲音還原函數，讓學生通過傾聽語言信號去噪前后的效果，讓學生深刻理解濾波的神奇作用。

圖4 語音信號去噪處理

3 結束語

隨著數字化快速發展，數字信號處理的重要性日益增加，提高數字信號處理的教學質量和效果有著非常重要的意義。本文結合我校的實際情況，針對數字信號處理課程的特點，從理論教學和實驗教學兩個環節進行相應的教學改革，下一步準備引進網絡教學課堂因素，把學生難以理解的知識點用微課的形式展現。這些有益的探索和嘗試，教學效果得到顯著提高。

參考文獻

［1］程佩青.數字信號處理教程［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［2］丁玉美.數字信號處理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［3］英格爾（Ingle V.K.）.數字信號處理（MATLAB版）［M］.第2 版.劉樹棠，譯.西安:西安交通大學出版社，2008.

［4］陳懷琛.數字信號處理教程：MATLAB釋義與實現［M］.第3版.北京:電子工業出版社，2013.

Exploring the Teaching Pattern of Digital Signal Processing

Guo Xiumei
School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Taian， 271018， China

Abstract:The course of digital signal processing course is a required course for the specialist students of electronics and communication. Because DSP is a practical course， and the content is very abstract， we propose teaching reform to the course combined with the actual situation of the students in our school. In theory teaching， we enrich the teaching methods， pay attention to visual teaching， emphasize the physical meaning of the abstract concept， and highlight the role of matlab. In the experiment teaching， we pay attention to the training of the student beginning ability， train the students' ability to integrate theory with practice and the ability of of analyzing and resolving problems. Practice shows that the teaching reform has obtained the good effect.

Key words:digital signal processing； reform of theory teaching； reform of experiment teaching

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：郭秀梅，講師，博士。

基金項目：山東農業大學信息學院教研項目。