應用型本科院校信號處理研究

石堅 柳建 何勇

摘要：部分應用型本科院校信號處理類課程存在著重軟件編程輕硬件設計的缺點，已經無法適應新工科背景下培養創新型復合人才的需求。如何從信號處理系統的硬件設計入手來進行課程組織是取得改革成效的突破口。本文選取典型的信號處理類課程《DSP課程設計》為例，分別提出了幾種切實可行的方法，探討了課程理論和實踐的相輔相成性，強調了硬件實踐環節對數字信號處理系統設計的重要作用。本文的經驗和方法具有在應用型本科院校工科專業推廣的價值及探討的意義。

關鍵詞：新工科;信號處理;課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0049-02

0 引言

現階段我國的本科院校包括以科研為辦學定位和以應用型為辦學定位的兩類高校，后者在新一輪科技革命和產業變革的新形勢下，必將前所未有地倡導課程改革，身處“IT”領域前沿的信號處理類課程是新工科背景下應用型本科院校必然關注的重點。在強化實踐尚未在應用型本科院校的師生中形成一致普遍理念的情況下，重理論輕實踐的現狀就并未得到根本好轉，即便加重實踐環節的比重，也可能只看重軟件編程而忽視硬件設計。誠然，硬件設計需要更深入的電路設計和調試的經驗，需要千錘萬鑿的砥礪磨練，但應用型本科院校是建設我國新工科的重要支柱，面對我國在IT領域對發達國家仍處追趕的態勢，更應以縮短差距、迎頭趕上為己任。尤其對于這類院校信號處理類課程的負責人而言，不能有畏難情緒且甘于落后，否則在新工科背景下培養創新型復合人才只會淪為空談。如此而言，應用型本科院校信號處理類課程的改革可謂迫在眉睫。

信號處理類課程取得改革成效可以將信號處理系統的硬件設計作為突破口。目前應用型本科院校的信號處理類課程大都包含DSP技術，DSP即“數字信號處理器”的簡稱，是用以實現“數字信號處理”算法的高速微型計算機器件，但受制于該技術對前續課程如《數字信號處理》和《微型計算機原理及應用》等課程要求較高的特點，大學本科層次學生普遍感覺DSP技術課程的內容枯燥、概念抽象，難以入門，因此部份應用型本科院校把DSP技術相關課程作為選修課程，僅針對本科高年級對計算機技術比較精通的學生開設，這一定程度上降低了大學培養創新人才的需求。應用型本科院校的信號處理類課程不僅應該包括DSP技術的基礎理論課程，也應該包括DSP技術的實踐環節，同時還應該繼續強化實踐，開設DSP技術的課程設計。

相比較于單片機技術的課程設計，DSP技術的課程設計也屬于微型計算機的綜合應用實踐課程，但在課程組織上DSP技術的課程設計具有更高難度，原因有三：其一，DSP芯片比通用單片機芯片具有更為復雜的CPU結構和更為豐富的片內外設，其內部資源的掌握難度比通用單片機要大得多;其二，學生在學習DSP的原理課程時，往往學不得法，過多將精力集中到匯編指令的分析和簡單匯編程序的識讀上，缺乏宏觀把握，形成思維慣性，很容易帶到DSP技術的課程設計中;其三，目前國內DSP技術的課程設計在課程內容的設置上仍存有較大爭議，畢竟DSP技術綜合了硬件、軟件和算法三個門類的學科，課程重心是偏重于硬件、軟件還是算法，不同的學科專業在具體的課程組織上可能各有偏重，普遍來看還是更偏重于軟件和算法實現，其實還是因為國內大部分開設DSP技術相關課程的學校宥于自行設計DSP硬件系統具有難度的原因，從而避重就輕，課程內容帶有明顯的“偏軟”特點，部分高校購置昂貴的DSP實驗裝置，學生對硬件電路的設計缺乏深入理解，裝置往往只是起到簡單編程以驗證仿真結果的作用，學生很難通過課程設計真正掌握DSP技術，部分學生可能會對這門實用技術產生畏難甚至厭惡情緒。

1 信號處理類課程改革的思路

1.1 調整課程內容，增加系統硬件設計環節

目前國內信號處理類課程在課程設計環節其內容設置偏向性明顯，一般教師布置數個比較綜合的設計題目交由學生選擇，然后根據具體的設計題目進行方案制訂、算法分析、算法仿真、軟件編程、軟件仿真、硬件平臺驗證，其內容更象是在理論課程的基礎上加入了硬件驗證環節，學生缺少對系統核心器件選型的分析和信號處理系統的設計過程，無法透過現象看本質。

即以DSP技術的課程設計為例，若按照傳統理念來安排課程內容是無法深入DSP芯片的核心一窺端倪的，從人對求知事物的認知角度來分析，這樣或許也能加深學生對算法的分析和運用以及更為熟練使用編程軟件，但DSP芯片只是起到了輔助算法實現的作用，實質上無助于DSP技術的掌握。因此這門課程的改革首先應從課程內容上入手，把系統硬件設計納入教學環節并不吝課時，增加焊接、組裝和硬件調試的必要環節，把課程分解為DSP芯片選型、DSP硬件系統設計、原理圖和PCB圖繪制、DSP最小系統和AD/DA功能電路板的焊接和調試、軟件編程、軟硬件聯合調試等過程，在硬件系統的設計過程中，學生能夠從宏觀上把握系統設計的要領，潛移默化中激發對DSP技術的強烈好奇心，完成了硬件調試的同學因焊接難度大、工作耗時耗力從而愈加珍惜勞動成果，在實現系統板對外圍電路功能板的控制過程中也就很自然地掌握了DSP的編程技術和算法實現。

1.2 合理設置綜合應用設計題目，包含典型數學算法

課程設計題目的合理設置也是課程實驗教學改革的重要內容，由于課程增加了系統硬件設計環節，學生要花費部分精力在硬件系統的設計和調試上，課程設計的題目如果在算法分析和編程實現上工作量過大，學生無法在有限時間內完成設計任務，很容易打擊學生的自信心，產生較大的挫敗感，從而適得其反，題目也不能過于簡單，比如只是一些簡單測試類程序的設計題目并不能很好地體現信號處理系統核心芯片強大的功能以及培養學生掌握綜合系統設計實現的教學目標，最好設置典型的應用類設計題目，在題目中包含典型的數學算法，比如“語音數字信號處理系統”這個題目就比較適合學生設計，在系統功能電路的設計上方案眾多，可以采用模擬語音的數據采集電路，也可以采用專用語音芯片構成的ADC功能電路，語音信號采集后置于存儲器后，可以進行FIR數字濾波算法處理后回放，題目具有較強應用價值，信號處理算法在系統中的作用明確，設計驅動性強。同樣地，“語音信號分析儀”、“心電信號處理系統”等題目都隱含有典型數字信號處理算法的實現，編程難度不高，對增強學生設計能力具有明顯效果。

2 實踐課程改革與理論課程改革應相輔相成

信號處理類實踐課程的改革不應是一個孤立的改革，而應與理論課程的改革相輔相成，在實踐課程的行課過程中，能夠體會到學生在初期對相關理論課程學習的強烈不自信，以至于對課程設計最終能達到的課程目標毫無把握，應將課程設計的改革作為學生掌握信號處理相關技術的突破口，畢竟實踐可以深化理論學習，從而激發學習興趣，部分學生僅僅因為掌握了高難度的貼片器件的回流焊、手工拖焊和拉焊技術就對信號處理技術有了全新認識，但畢竟“萬丈高樓平地起”，學生不從基礎知識的學習入手去掌握這門技術，即便能夠調試信號處理系統，也終將因為復雜的算法實現過于耗時費力，而將通過課程設計建立起來的興趣消耗殆盡。目前理論課程的學生還存在著授課方式陳舊、課堂教學與動手實驗銜接不夠緊密、算法的軟件實現應用目標不明確等弊病，作為一門技術應用性課程，其授課方式應區別于高等數學、大學物理等理論課程。目前部分應用型本科院校在改革探索中將此類技術應用類課程安排在實驗室授課，學生通過熟悉軟件操作去完成具體的設計任務，教師則通過實際的系統設計和程序編寫講解來分析課程內容，這對學生的學習將起到事半功倍的作用，即以《DSP技術課程設計》為例，教師可以指導學生完成DSP系統電路，然后再完成算法設計和軟件編程，最后進行系統測試，如圖1和圖2所示。

在某種意義上，統籌考慮信號處理類課程的理論課程和課程設計的課程改革，相當于將理論課程的課內實驗作為信號處理技術入門的實踐類課程，而課程設計則是信號處理技術綜合性應用的實踐類課程，可以在學生學習理論課程之初就讓其完成信號處理的最小系統的制作，在整個課程學習的過程中布置信號處理技術相關的實驗任務讓學生自行完成，在進行課程設計時，學生已具備基本技能，就可以完成包含復雜的數字信號處理算法的綜合題目，其能力必將有突飛猛進的提升。

3 結語

信號處理類課程的課程設計是應用型本科院校新工科背景下重要的專業實踐課程，目前在國內，該課程的教學效果差強人意，真正能掌握這門技術的學生幾乎是鳳毛鱗腳，其課程改革刻不容緩，成都理工大學工程技術學院非常重視這門課程的改革探索，在學院多個交叉學科的專業開設基于DSP技術的信號處理和基于FPGA技術的信號處理等課程，全部以理論課、課內實驗和課程設計進行配置，通過課程組教師共同探索和實踐，以硬件設計調試為主要環節，加強教學過程管理，起到了非常明顯的改革成效。

參考文獻

[1] 范壽康，等.DSP技術與應用[M].電子工業出版社，2008.

[2] 李文杰.開放實驗審教學模式探索及實踐[J].重慶工學院學報，2006（6）：157-159.

[3] 許秀云.淺談高校開放式實驗室的管理[J].科技經濟市場，2006（11）：328-329.

Abstract：Some signal processing courses in application-oriented institutes have the disadvantage of emphasizing software programming over hardware design， which has been unable to meet the needs of training innovative talents under the background of new subjects. How to organize the course from the hardware design of signal processing system is a breakthrough to achieve reform results. In this paper， taking the typical signal processing course "DSP Course Design" as an example， several feasible methods are proposed， and the complementarity of the theory and practice of the course is discussed. The important role of hardware practice in the design of digital signal processing system is emphasized. The experience and method in this paper have the value of popularizing Engineering Specialty in Applied Undergraduate Colleges and the significance of discussion.

Key words：New Subject; Signal Processing; Curriculum Reform