研究生課程《現(xiàn)代信號處理》建設的初探

樓生強

（國防科技大學電子科學學院，長沙 410073）

1 “ 數(shù)字信號處理”系列課程背景

數(shù)字信號處理理論及技術的應用領域涉及雷達、通信導航、自動控制、精確制導、目標識別、圖像處理等技術領域。我校電子科學學院核心系列課程“數(shù)字信號處理”面向我院學科建設和人才培養(yǎng)雙重需求，該系列課程的教學內容建設、教師隊伍建設、教學模式建設、案例教學建設、實驗教學建設等，都是緊緊圍繞著這兩個需求展開的。2012 年，“數(shù)字信號處理”系列課程進入校一流課程建設隊伍，文獻[1]詳細分析和闡述了該系列課程的建設情況。

2 “ 數(shù)字信號處理”系列課程特點

（1）在課程體系設置方面：我校“數(shù)字信號處理”系列課程的課程設置涵蓋三個方面的內容，即：數(shù)字信號處理基礎理論、數(shù)字信號處理最新進展、數(shù)字信號處理理論和技術的實際應用，每隔幾年，相關課程的具體教學內容、授課對象都會根據(jù)學科建設、教學效果、人才培養(yǎng)需求的變化做調整。圖1是我校2012年左右一段時間內，該系列課程體系圖，涵蓋了本科、碩士研究生、博士研究生三個階段的課程體系。

圖1 “數(shù)字信號處理”系列課程體系圖（圖片引用自參考文獻[1]）

（2）在課程教學內容方面：數(shù)字信號處理相關理論和技術是起源于十七和十八世紀數(shù)學的一個學科，從上世紀80年代開始，隨著數(shù)字集成電路技術的發(fā)展，該項技術在這近半個世紀的時間里，經(jīng)歷了建立、興起、快速發(fā)展和廣泛應用的歷程，目前它已是一門內涵十分豐富的獨立學科[2，3]。目前，數(shù)字信號處理技術涉及的基礎理論體系相對成熟、完整，同時其新的理論和技術、新的應用領域又層出不窮。針對這一特點，按下列原則設置課程教學內容：一是數(shù)字信號基礎理論的教學主要由本科生階段的“數(shù)字信號處理（雙語）”、碩士研究生階段的“數(shù)字信號處理（核心）”這兩門課程完成，課程“數(shù)字信號處理（基礎）”和“數(shù)字信號處理（理論與應用）”根據(jù)我校多元化新型軍事人才培養(yǎng)需求而設，根據(jù)軍事技術人才的需求，針對性的調整了課程內容；二是數(shù)字信號處理的新技術和理論教學主要由選修課程“現(xiàn)代信號處理”及我院各研究方向專門開設的選修課程完成；三是數(shù)字信號處理的應用教學主要由選修實驗課程完成。

基礎理論和技術的教學內容相對固定，分兩個階段和層次教學，面向本科生和研究生。數(shù)字信號處理學科最新理論和技術的教學主要面向研究生，數(shù)字信號處理的應用則根據(jù)我院各個研究方向的特點，開設個研究方向共用的數(shù)字信號處理技術的應用實驗，主要面向雷達、導航、通信、信息感知與目標識別等研究方向。

（3）在授課對象方面：2012年之后，為適應數(shù)字信號處理技術與其他技術融合發(fā)展、研究生培養(yǎng)方式的變化，相關課程的授課對象，學習要求做了適當?shù)恼{整，具體措施是模糊了核心課程、選修課程之間的界限，模糊了碩士研究生課程和博士研究生課程的之間的界限，除了保留數(shù)字信號處理（核心）課程為我校電子科學學院碩士研究生的必選課程之外，其他所有碩士研究生課程、博士研究生課程、實驗課程都調整為研究生選修課程，具體選修課程由導師和研究生根據(jù)實際課題研究需求決定。

總之，我院“數(shù)字信號處理”系列課程即著重基礎理論和技術的教學，也重視新理論和技術及應用的教學，以強化學生的研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。“現(xiàn)代信號處理”面向數(shù)字信號處理的新的技術和理論的教學任務，與面向基礎理論和技術教學的“數(shù)字信號處理（雙語）”、碩士研究生階段的“數(shù)字信號處理（核心）”課程，面向應用，尤其是面向我院研究方向共用的應用而開設的實驗課程有不同的建設目標。

3 “ 現(xiàn)代信號處理”課程簡介

我校是首批開設數(shù)字信號處理課程的高校之一，早在上世紀80年代初，采用了Alan V.Oppenhein和Ronald W.Schafer等著的數(shù)字信號處理教材[3]，由皇甫堪教授首先開設了我校的數(shù)字信號處理課程，面向本科生、研究生分別開設兩個層次的課程，本科生課程著重信號的采樣、信號的表征與分析、濾波器和快速算法等內容的教學，研究生著重維納濾波、功率譜估計、同態(tài)濾波等內容的教學。上世紀90年代初，皇甫堪教授又采用了Jae S.Lim和Alan V.Oppenhein等編著的教材[4]，開設了研究生課程“現(xiàn)代信號處理”，主要教學數(shù)字信號處理的最新進展，例如：現(xiàn)代譜估計、快速算法、多維信號處理、多速率信號處理等。2003年，皇甫堪教授總結了多年的教學經(jīng)驗和成果，結合我校電子科學學院各研究方向有關數(shù)字信號處理教學的需求，編著了面向“數(shù)字信號處理（核心）”和“現(xiàn)代信號處理”這兩門課程的教材[5]。2009年[6]、2012 年[7]，2018年，“現(xiàn)代信號處理”教學內容又經(jīng)過了三次調整。從2013年起，該課程為面向全校碩士、博士研究生的選修課程。

4 “現(xiàn)代信號處理”課程教學內容建設

從上文可知，課程“數(shù)字信號處理（雙語）”、“數(shù)字信號處理（核心）”主要面向基礎理論教學，各實驗課程面向數(shù)字信號處理技術的實際應用，尤其是與我校電子科學學院各研究方向聯(lián)系緊密的應用，“現(xiàn)代信號處理”主要面向數(shù)字信號處理最新的技術和成果的教學。三種類別的課程即強化“三基”，即“基本概念，基本原理，基本方法”，又要激發(fā)學生在學習過程中追求“創(chuàng)造性地學習知識，創(chuàng)造性地應用知識，創(chuàng)造性地實現(xiàn)知識的再創(chuàng)造”。基礎性及先進性并重，做好“數(shù)字信號處理”科研成果向教學資源的轉換[1]。

2018年6 月，根據(jù)我院相關研究方向和人才培養(yǎng)需要，對課程內容作了再次修訂，修訂的總體指導原則是：一是本科程教學內容在體現(xiàn)數(shù)字信號處理最新成果和應用的同時，進一步強化其與其他課程教學內容的連貫性，使課程教學內容和其他課程形成一個完整的理論、技術和應用體系；二是在課堂教學中引入我院最新的科研成果，讓科研成果進課堂，通過實際應用成果教學加深學員對相關理論和技術的理解。

修訂后，課程內容主要包括5個相對獨立的專題：高階譜估計及其應用、信號分析及其應用、多速率濾波器及濾波器組、信號的采樣和重構、盲信號處理。表1是各專題主要教學內容。

表1 課程各子專題教學內容列表

其中，高階譜估計及其應用、信號分析及其應用、多速率濾波器及濾波器組、信號的采樣和重構等四個方面的教學內容與“數(shù)字信號處理（雙語）”、“數(shù)字信號處理（核心）”的教學內容聯(lián)系緊密，是這兩門課程教學內容的推廣和拓展，例如：信號的采樣和重構，就是帶寬有限信號采樣的推廣，從信號空間理解信號的離散化和重構過程。而高階譜估計及其應用，從“更高維度”描述隨機過程的統(tǒng)計特性，是基于自相關函數(shù)功率譜估計技術的拓展，信號分析及其應用從“時頻”兩個維度描述信號，是基于傅里葉變換等一維變換信號分析技術的擴展，多速率濾波器及濾波器組技術在通信導航、雷達系統(tǒng)、語音圖像處理等應用領域有廣泛應用，是單速率、單輸入/輸出處理技術的推廣。

為了強化理論與實際的聯(lián)系，各子專題引入了我院最新的科研成果，例如：多速率濾波器在導航信號生成、雷達信號處理、通信信號處理中的應用，采樣定理擴展在信號插值、圖象數(shù)據(jù)壓縮、雷達目標特性描述中的應用，信號分析在連續(xù)波雷達信號處理、語音信號處理中的應用。更多教學案例可以參見文獻[1]。

5 結束語

“現(xiàn)代信號處理”課程是我校“數(shù)字信號處理”系列課程中的核心課程之一，課程建設結合實際應用現(xiàn)狀，緊跟數(shù)字信號處理技術的最新發(fā)展成果，在我校的新型高素質軍事人才培養(yǎng)，國際一流課程建設中，發(fā)揮了應有的作用。■