芻議電氣信息大類學科的信號處理課程群建設

尚宇

【摘 要】 本文主要闡述了信號處理系列課程的主要研究內容，分析了該課程體系內課程之間、課程與相關課程之間的關系，針對不同專業設計了兩種課程體系Map，并對課程群內課程的整體教學、實驗內容進行了規劃設計。

【關鍵詞】 電氣信息；信號處理；課程體系

近年來，隨著以語言處理、圖像處理、大數據分析處理等為核心技術的人工智能技術的發展，數字信號獲取與處理的技術從制造業領域擴大到農業、醫療、教育、能源、國防等諸多領域，不斷給人類社會帶來更多發展。由此，隨著信號處理理論與方法應用的范圍的擴大，信號處理系列課程也成為國內外各個工科專業的核心課程，除了電子類專業，光電、機電、計算機、生物醫學等各專業也均已開設信號處理系列課程。由于存在著與原有課程體系的銜接，其在教學體系建設和教學內容安排上存在各種問題。

一、課程群建設思路

面向國內外高等教育的發展，跟蹤學科發展，借鑒CDIO 理念，以信號處理課群為背景，拓寬電氣信息類專業知識模塊為突破口，體現“厚基礎，重應用”的特點，構建信號處理系列課程體系，及時引入高等工程教育的教研與科研成果，強化基本方法、基本技能，提高綜合素養，實現具有普適性的學科大類工程基礎教育的目標，并建立可持續發展的良好機制。

由于信號處理系列課程均以數學為主要工具，其理論性和應用性都很強，體系內課程之間及與相關課程之間在內容上具有一定的重疊性，需要分析各門課程內容的側重點，理清課程之間的相互關系以保證課程內容的有效銜接，將其作為一個整體進行優化整合，以形成模塊化的理論教學體系，并在大類知識平臺上建立層次化的實踐教學體系。在該體系下，注重理論與實驗教學的有機融合，注重工程應用能力的培養。

二、理論課程體系構建

1、構建專業相關基礎課程Map

通過深入研究信號處理系列課程在各專業中與前開、后續課程的知識相關性，按照國家“卓越工程師計劃”的要求，按照知識領域、知識點構造知識能力矩陣，理順各知識點的銜接關系，進一步理清對應課程的學期設置，為使其在培養計劃中的設置更為合理奠定基礎。

在電氣信息大類學科中，通識教育的核心課程中，信號處理類課程主要包括信號與系統、數字信號處理兩門核心課程，根據專業需求還有信號分析與處理、DSP 技術及應用以及系列實驗課程等核心課程。結合各專業的開課情況，構建電工電子類專業基礎課程體系Map，如圖1所示，可供開設專業選擇參考。對信號處理類課程整體要求較高的專業可以采用（a），要求較低的專業可以采用（b） 圖結構。各專業可根據實際需要選擇開設的課程及學期學時。

電氣信息類專業的首要專業基礎課程為“電路”（非電專業為“電路分析”）課程，它也是“自動控制原理”以及信號處理系列課程的理論基礎，一般課程群中的基礎課程“信號與系統”需設置在“電路”開課后的學期。“自動控制原理”課程一般可以與“信號與系統”同時開設。若有些專業對信號處理類課程要求不高，建議開設“信號分析與處理”課程，建議學時為64學時（至少48學時），由教學經驗，開設在“自動控制原理”課程之后授課效果較好。

2、建立課程群體系結構

按照信號分析→系統分析→信號的數字處理→系統的實現作為教學體系的組織結構，實現原理、方法和應用的有機結合，構建課群內課程的知識能力矩陣。各專業可選擇與本專業相適應的教學內容及學時，以形成適合本專業的教學內容完善、分工合理的教學體系。建立信號處理課程群內課程的體系結構，如圖2 所示。

課程群中，信號與系統、數字信號處理兩門課程為核心基礎，以連續時間信號與系統的分析和處理為基礎，以離散時間信號與系統的分析和處理為目的。按照目前的技術發展，信號處理的核心概念應主要放在離散域的頻域（即ω域）的分析和處理。

圖2 信號處理課程群體系結構

三、課程群教學內容的整體優化設計

1、“信號與系統”

“信號與系統”課程的傳統內容包括信號分析與線性系統分析兩部分內容。按照研究對象所在時間域分為連續時間和離散時間信號與系統兩種系統；按照處理方法可以分為時域分析方法和變換域分析方法兩類方法。變換域的方法主要概括為頻域（ω域）、復頻域（s域）和Z變換（Z域）。課程中重要的運算方法是卷積積分/卷積和的概念。當今由于計算機技術及各類工程軟件的普及，從變換域的角度，課程重點應放在信號的頻譜分析以及系統的頻率響應上；從時間域的角度，課程重點應放在離散域分析。電路的時域方程求解，逆變換的求解應弱化。

2、“電路”與“信號與系統”

電路課程應主要介紹電路的基本概念和電路定律，其線性電阻電路、線性動態電路時域分析的方法與定理是所有后續課程的基礎。其傳統內容中，除電氣工程專業外，均可適當進行削減，傅里葉級數、復頻域分析等均可放至后續“信號與系統”課程。

3、“信號與系統”與“自動控制原理”

這兩門課程分別是弱電、強電專業的基礎核心課程。主要內容均包含對線性系統進行分析的內容，除了頻域外，其他變換域兩者均有涉及，內容上不可避免存在有重疊，區別僅在涉及的深度與廣度。“自動控制原理”重點在對系統的分析，主要掌握控制系統的基本原理、分析方法，如控制系統的穩定性，可控性等，關注系統的建模、分析和綜合。“信號與系統”課程更為關注信號的分析，尤其是信號的頻域分析，從頻譜分析角度掌握信號和系統之間的關系。

4、“信號與系統”與“數字信號處理”

“信號與系統”是“數字信號處理”的理論基礎，兩者從理論上來說，是同一個理論體系細分后的結果，內容本身并不存在重復，只是由于大多數“數字信號處理”教材，為了保證教學內容的系統性和完整性，往往將抽樣定理、離散信號與系統的時、頻域分析方法等內容再次進行了闡述。

“數字信號處理”的教學內容注重面向工程實際，主要突出數字化方法與技術，其重點內容應放在DFT、FFT算法、數字濾波器有關原理與設計方法。可以將離散時間傅里葉變換、離散傅里葉級數等基礎概念下移，適當增加現代信號處理的內容。

5、“信號分析與處理”

“信號分析與處理”課程為“信號與系統”與“數字信號處理”兩門課程的綜合體，適用于有信號處理知識需求但學時要求無法滿足的專業。實際運行中，若專業開設了“自動控制理論”，建議作為其后續課程開設。該課程由于學時有限，一般只能涉及信號分析與處理的基本原理與分析方法：信號的傅里葉頻譜、抽樣定理、信號的傳輸與濾波、DTFT、DFT、FFT、數字濾波器的基本設計方法等內容。

四、實驗課程體系構建

1、分層次設計實踐教學

整體規劃內容，體現從原理到工程應用，構建與“厚基礎，重應用”培養目標相一致的“軟硬結合，循序漸進，培養創新意識”的信號處理實踐教學培養體系。

仍然按照“信號分析→系統分析→信號的數字處理→系統的實現”組織整個課程群實驗體系的內容，改革實驗方式，注重基礎性實驗，增加綜合性、設計性實驗，其層次結構如圖3所示。

隨著信號處理學科技術的發展，海量存儲器的出現使得用C語言等高級語言在DSP上實現變得更為容易，從而我們可以在實驗室中以更接近于實際工程開發的過程，

用軟硬件結合的方式實現信號處理的設計過程。基于信號處理課程體系整體規劃實驗教學內容，不同專業可以采用不同的實現方案。在整個系列課程的實驗設計中，我們按照同一個內容的基于MATLAB軟件平臺的基礎軟件仿真實驗到DSP或ARM硬件實現的對應關系進行實驗設計，并構造基于實際系統的綜合、設計性實驗，從而讓實驗更接近于實際的數字信號處理系統。

2、基于CDIO理念中的二、三級項目原則來設計實驗內容

將科研項目中的以心電信號處理、汽輪機震動信號處理、語音信號處理等實際數字信號處理系統規劃為二級項目內容（通過綜合課程設計實施），從工程應用的角度出發設計題目，規劃設計課內的三級項目內容，且實驗內容具有從基礎到提高的層次性。

基礎實驗主要包括基本信號運算、典型信號的實現、卷積與相關的實現、連續信號的頻譜分析、離散信號的頻譜分析、時域/頻域抽樣、系統分析等內容；綜合設計性實驗的內容主要是將信號處理系統的各子系統構建的系列的濾波實驗；軟硬結合實驗及綜合設計部分主要放在FFT分析連續信號的頻譜及濾波處理、信號的采樣與濾波，以及用DSP/ARM實現語音、心電信號等信號壓縮、實時濾波、頻譜分析等內容。

3、探索新的實踐教學實施方式

我們在設計的信號分析與處理實驗中，設計了信號分析、系統分析、信號處理綜合實驗三個板塊。由于每個板塊中的實驗內容都具有對應地層次性，各專業可根據教學的深廣度需求靈活選擇與教學配套的內容。如在信號分析板塊實驗中，信號的頻域分析包括周期信號的頻譜、非周期信號的頻譜、信號的時域采樣等內容，可在其中選擇部分內容作為實驗內容，也可以作為課后作業進行練習。對實驗學時較少的專業，還可以將信號處理綜合實驗板塊的內容變更為開放性實驗或大型程序作業環節。

在具體實施中，我們將其作為大型程序設計作業進行了嘗試，有意識培養學生的工程創新、團隊協作意識。具體實施步驟如下：

（1）制定了以二級項目驅動的程序設計任務書。任務書僅提供工程項目背景介紹及需要的設計指標，不提供設計方案，設計需要處理的信號也由學生自行采集。

（2）實施時間：開課中期～課程結束后一周。

（3）實施方式：由教師指定學生成立3人小組，由學生自由分工。采取指定組合的形式是為了更接近實際工作中，個人無法選擇合作伙伴的情況，以鍛煉學生的協作能力。

（4）項目考核：采取撰寫設計報告的方式評定成績。學生需設計報告、源程序。項目組按照規范撰寫項目報告，并在指定時間內提交報告、有關數據、源程序及運行結果，并進行結果分析。學生提交報告時，同時提交自評成績與互評成績，最終學生的個人成績由項目組成績與自互評成績加權進行評定。

從實施效果來看，學生以超乎預料的熱情按時完成了設計任務，并在實施過程中提出了很多建設性意見，收到良好效果。

五、結語

課程體系的內容應是隨著技術的發展不斷更新的，如何面向工程實際構建符合電氣信息類各專業要求的信號處理課程體系，優化教學和實踐教學內容，需要我們持續研究探索。我們希望通過信號處理理論與實驗教學體系的研究和構建，使學生熟悉理論知識，掌握從軟件仿真到硬件處理的系統設計方法和基本技能，培養學生在實踐中發現問題、提出問題并解決問題的能力。

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【作者簡介】

尚 宇（1973.2-）女，河南洛陽人，西安工業大學教授，研究方向：信號與信息處理.