項目教學法在“數字信號處理”課程教學中的應用

潘小紅

摘 要：針對“數字信號處理”課程具有理論性較強、難學的特點，文章提出了項目教學法，以指導學生進行的一個綜合項目“基于水下語音信號的數字傳輸設計與Matlab仿真”為例，介紹數字信號處理課程的項目教學法。通過學生反饋，該方法可以提高學生的學習積極性和實踐動手能力，效果較好。

關鍵詞：項目教學法；數字信號處理；電信專業

“數字信號處理”課程是一門理論性較強的課程，數學推導多，學生往往感覺枯燥無味，學習興趣也不高，他們也不清楚學習這門課的意義[1-3]。目前，很多高校老師開展了教研教改工作[4-9]，并在課堂教學上對每個單一的理論知識點引入了Matlab仿真，可以幫助學生們對理論知識的理解，但同學們對數字信號處理系統的設計還是無從下手。采用項目教學法，通過設計綜合性實驗項目可以將數字信號處理課程中的所有知識點融合，便于學生進行系統的學習，大大提高學習效率。

1 項目教學法設計

“數字信號處理”是電子信息工程專業的核心課程，教學內容包括離散時間信號與系統的時域分析、離散時間信號與系統的變換域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、數字濾波器的結構和數字濾波器的設計。結合教學內容，為學生提供了綜合性項目題目進行訓練，培養學生分析問題和解決問題的能力[10]。本文以指導學生進行的一個綜合項目“基于水下語音信號的數字傳輸設計與Matlab仿真”為例，介紹數字信號處理的項目教學法。在整個教學過程中，學生作為主體，教師引導學生用所學的理論知識解決實際問題。

2 項目的實施

水下語音信號數字傳輸系統主要包括發送端部分、接收端兩部分。發送端部分由水下語音信號輸入模塊、A/D轉換模塊、數字調制模塊、D/A轉換模塊組成，并由發射機將模擬信號轉化為聲音信號后再與噪聲信號共同在水聲信道中傳輸送達到接收機。接收機將聲音信號轉化為電信號。接收端由濾波模塊、A/D轉換模塊、數字解調模塊和譯碼模塊、D/A轉換模塊和水下語音信號輸出模塊組成。要求同學們根據工作原理畫出如圖1所示的系統框圖。

2.1 水下語音信號采集處理模塊

讓同學們錄制一段自己的聲音信號，再通過采樣、量化和編碼可以將電信號轉化為數字信號。由于音頻信號的頻率是300 Hz～3.4 kHz，引導同學們分析對水下語音信號的采樣頻率為什么是8 kHz呢？從而引出采樣定理。接著讓同學們查閱水下語音信號的特點后，再來理解采用13折線A律的非均勻量化。編碼采用PCM，如圖2所示。

2.2 數字調制解調模塊

對同學們進行提問水下語音通信是否存在環境干擾呢？為了提高通信質量，提出對信號進行調制的思想。設調制信號的最高頻率是fm，在信道擁擠的水聲通信環境中，設計采用數字維弗法單邊帶調制，如圖3所示。第一次正弦載波調制采用頻率為的正弦信號sin（πfmt）和余弦信號cos（πfmt）進行調制，可以得到信號y11（t）和y21（t），再經過上限截止頻率為的低通濾波器后輸出信號y12（t）和y22（t），第二次正弦載波調制采用頻率為的正弦信號和余弦信號進行調制，調制后輸出信號y13（t）和y23（t），最后經過加減輸出單邊帶信號ySSB（t）。解調過程與調制過程相反。下面以調制過程作介紹。由于音頻信號的頻率是300 Hz～3.4 kHz，所以第一次調制用的正交載波頻率為1.7 kHz。通過Matlab仿真結果如圖4所示。這讓同學們很直觀地對調制的原理進行理解。

2.3 IIR濾波器

數字濾波器有無限沖激響應FIR和有限沖激響應IIR兩種類型，讓同學們在數字維弗法單邊帶調制設計中先用低采樣率IIR濾波器進行濾波后再用高采樣率FIR濾波器進行濾波。首先讓同學們查閱IIR濾波器的設計方法，并分組討論雙線性法設計巴特沃斯濾波器和數字切比雪夫設計濾波器的優缺點。為了濾掉第一次正交調制后的信號中的上邊帶，要求同學們設計中采用截止頻率為1.7 kHz的低通濾波器。其中，低通濾波器的階數為11階。濾波后的仿真結果如圖5所示。同學們對IIR濾波的效果有了一定的感性認識。

2.4 FIR濾波器

讓同學們查閱FIR濾波器的資料，FIR濾波器是有限長單位脈沖序列，FIR濾波器偏差不大，沒有極限環振蕩，且對性能參數沒有明確的規定，且濾波后噪聲較小。接著讓同學們根據語音信號的特點確定濾波器的技術指標：截止頻率3.4 kHz；采樣頻率96 kHz。

引導同學們通過12倍內插法可以將采樣頻率提高到96 kHz，如圖6所示，濾波后的仿真結果如圖7所示。同學們通過播放濾波前和濾波后的音頻信號對FIR濾波的效果也有了一定的感性認識。

3 結語

本文針對“數字信號處理”課程難學，提出了項目教學法，讓學生主動參與進來學習。通過學生的反饋，該方法的確可以提高學生的積極性，并能讓他們將所學的理論知識用來解決實際問題，這也與長江大學一直提倡的應用型人才培養目標一致。

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