通信工程《數字信號處理》課程的改革與建設

李光平 劉圣海 文元美

摘要：數字信號處理作為通信工程專業一門重要的專業基礎課程，隨著數字化和信息化的迅速發展，其地位越益重要。通過該課程改革和建設，擺脫以往課堂教學紙上談兵和課外作業僅局限于數學推導的局面，讓學生明確課程學習目的和知識的應用領域，調動學生學習的積極性和主動性，培養學生利用理論知識解決工程實踐問題的能力。

關鍵詞：數字信號處理；課程改革和建設；通信工程；能力培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0126-02

一、工科院校的數字信號處理課程面臨的現狀

1.《數字信號處理》與先修課程《信號與系統》內容銜接脫節。信號與系統是大二第一學期開設的一門專業基礎課，是數字信號處理的先修課程，學生對信號與系統知識的熟練程度直接決定了是否能夠快速理解數字信號處理課程中的數學推導。而數字信號處理課程的開設時間是在大三第一學期，通常學生們對信號與系統的知識點已經陌生，造成了對數字信號處理課程學習的困難。

2.數字信號處理課程理論性強，數學公式推導多。該課程要求數學基礎較高，內容比較抽象，需要使用數學語言對問題進行描述，缺少直觀性。但因聯系工程實踐緊密，這些特點向教學工作提出了嚴峻的挑戰，很容易出現“講不清，學不明，用不上”的情況。

3.學生語言編程能力弱。數字信號處理技術有很強的實踐性，學生缺乏扎實的工程實踐背景，對Matlab，HDL等編程語言基礎知識缺乏，導致學習過程和實踐環節非常被動。

4.課程內容豐富與課時較少矛盾突出。數字信號處理課程內容十分豐富且涉及面廣，學習過程難度增加，但分配的學時有限，內容豐富和學時較少的矛盾突出，不但給掌握知識帶來障礙，而且給教學過程帶來不便。

5.科學研究需求給課程教學內容選擇帶來挑戰。由于通信專業學生科學研究側重于通信系統的設計，因此需要對通信信號在處理算法的理論和實踐上進行拓展，以滿足通信專業學生的課題需求，現有的教材這方面內容包羅萬象，如何合理選擇教學和實踐內容，直接關系到教學內容的完整性、系統性和實用性。

6.軟件無線電平臺的出現給數字信號處理實驗和課程設計帶來新機。現有實驗和課程設計均是在Matlab平臺上去實現算法。Matlab是個虛擬的軟件平臺，跟實際的工程實踐還有距離，軟件無線電平臺可為工程產品設計提供原型驗證，讓學生們能真正接觸到實際的工程應用。

二、針對以上現狀，我們進行的課程改革和建設

1.教學內容改革。結合教學計劃的修訂工作，對數字信號處理課程的教學計劃和教學內容進行修訂。增加該課程與先修課程《信號與系統》的銜接內容；增加與通信系統設計有關的多抽樣率數字信號處理知識點的教學；設計側重工程應用的多個課程實驗和綜合性的課程設計。數字信號處理課程基本上可以分為以下兩大塊內容：信號分析（圖1）和數字系統設計（圖2）。其中虛線框部分表示課程改革中新增加的內容。由于數字信號處理課程與信號與系統課程開設時間相差一個學期，大部分學生對信號與系統中傅里葉級數、傅里葉變換、拉普拉斯變換的知識已經生疏，因此在數字信號處理課程中，首先增加了對這些基本概念的回顧，也將所有的變換串聯起來。在數字系統設計部分，新增加的多抽樣速率信號處理、有效字長效應和軟件無線電平臺實現都是跟通信系統設計和工程實踐聯系最為緊密的部分。

2.教學方法和手段改革。開放教學手段，加快建設立體化教學資源。利用surface電腦授課，將課堂上所有手寫的數學推導及教學錄音保存下來，以供學生課后隨時溫習；建立交互式的《數字信號處理》課程網站以及具有豐富課程資源的手機APP，以便學生利用手機、平板或個人電腦下載、查看課堂資源。課程調查中發現，不少學生更喜歡傳統教學方式下的師生課堂交流。這是因為課堂教學從一定程度上講是教師的表演，是師生心靈、情感的交流，而一般多媒體教學形式下，教師的表情、神態對學生影響減弱，從而忽視了多媒體教學手段所應遵循的輔助性原則，忽視了教學中的重要環節——師生之間的情感交流。而如何實現多種教學手段的有機結合，達到最佳的課堂教學效果，還需要進一步探索。

3.課程實驗及課程設計硬軟件平臺建設。利用Matlab中的信號處理工具箱來輔助設計數字濾波器，引入最新的軟件無線電平臺AES-ZSDR3-ADI-G來驗證算法，讓原本枯燥、抽象的理論教學變得生動、形象。同時，通過實踐環節培養了學生分析和解決實際問題的能力，也對課堂教學內容有更深的理解。AES-ZSDR3-ADI-G平臺的射頻模塊是由ADI公司推出的AD-FMCOMMS3-EBZ-FMC，里面包含的AD9361射頻芯片支持從70MHz到6GHz的載頻。基帶芯片是Xilinx公司的ZC706 SoC模塊。該平臺與Matlab的simulink連接，可驗證學生設計的數字濾波器的優劣。

4.考試方法改革。采用閉卷、課程實驗、課程設計對學生進行測試，判斷學生掌握課堂內容的程度，考試題目側重于考查學生對概念的理解以及利用理論知識來解決實際問題的能力，提高課程設計成績在總成績中的比重，實現科學判定、教考分離。逐步過渡到閉卷考試（50%），課程設計（30%），課程實驗（20%）的綜合評測模式，改變以往學生考前死背公式，臨時抱佛腳，混過考試的現象。通過這種綜合評價模式的考核，讓學生能夠真正理解數字信號處理的基本概念、基本原理。

綜上所述，本課程改革和建設教學內容上增加與先修課程的銜接，增加與通信系統設計相關的多抽樣速率信號處理知識，設計多個偏重工程實踐的課程實驗及綜合性的課程設計。授課方式上與移動互聯網相結合，構建立體化的教學資源。手寫電腦surface授課，代替了傳統的黑板，使課堂中所有的數學推導均可保存；適合手機、平板電腦瀏覽的課程網站的完善以及手機APP的開發讓學生們可以隨時隨地訪問教學資源，瀏覽課件，鞏固學習。課程設計與實驗上與最新的軟件無線電平臺結合，將Matlab設計的數字系統在平臺上調試、驗證，有助于學生了解工程實際需求，培養學生運用理論知識解決實際工程問題的能力。

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