淺談基于FPGA音頻信號處理平臺的數字信號處理教學改革

鄭昱 馮璐 吳鵬 張竹嫻

[摘? ? ? ? ? ?要]? 數字信號處理是通信工程、電子信息工程等專業的核心課程，其教學效果直接影響學生的就業率及后續深造。因此，對該課程進行教學改革，提升學生對基本知識的掌握程度是非常有必要的。針對當前數字信號處理課堂氣氛不活躍、學生對知識點難以掌握的問題，提出基于FPGA語音處理平臺的課程教學改革方案。通過輸入一定長度的語音信號，將抽象的傅里葉變換（FT）、離散傅里葉變化（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）以及低通、高通、帶通等濾波過程在基于FPGA的仿真平臺實現。通過一段時間的實驗課教學實踐，相比傳統的基于MATLAB實驗課教學，學生的學習興趣有了很大程度的提高，并且對基本知識點的掌握也更加扎實。

[關? ? 鍵? ?詞]? 數字信號處理;FPGA語音處理平臺;學習興趣;教學效果

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2021）11-0214-02

數字信號處理是信號與系統的后繼課程，是包括通信工程專業在內的電子學專業的必修課程，所涉及的知識是從事通信工程專業的人員需要了解和掌握的，同時，數字信號處理也是后續專業課如通信原理、移動通信技術等課程的基礎。因此，該課程的教學效果對學生的后續學習以及深造起著至關重要的作用。并且在信息時代的背景下，數字信號處理課程關乎國家信息安全，培養數字信號專業人才，能夠為信息產業的發展貢獻力量[1]。

在傳統的數字信號處理課程教學模式下，由于課程包含了眾多的數學公式推導以及專業性強的理論知識，使很多學生對本課程學習的積極性不高。上課走神、打瞌睡、玩手機等現象較為嚴重。這導致學生對基本知識的掌握不扎實，考試掛科率偏高?，F有的研究中，對該門課的教學方式也進行了一系列的改革，主要是基于教學手段的改革，例如，基于線上輔導+線下講授方式的改革[2]、基于MATLAB仿真的實驗教學改革[3]、微課教學模式[4]等。雖然“基于線上輔導+線下講授方式的改革”和“微課教學模式”為學生的學習提供了課堂以外的渠道，培養了學生課前預習、課后復習的習慣，但是，未能從本質上提升學生對復雜公式以及概念的理解程度。雖然“基于MATLAB仿真的實驗教學改革”通過MATLAB平臺可以展現出信號時域、頻域的波形，但是這些都是基于數學表達式或矩陣得來的，其對學生的學習興趣提升程度不是很顯著。綜上所述，對數字信號處理進行教學改革，以學生喜聞樂見的形式，掌握課程中復雜的數學模型以及抽象的概念是非常有必要的。

一、課程教學現狀以及存在的問題

（一）教學現狀

目前，在本校，數字信號處理課程的教學只是基于傳統的課堂講授式模式來進行的，其中，適當地結合板書以及多媒體PPT進行。實驗教學都是通過MATLAB對公式進行仿真而開展的。其中，理論教學部分主要講解時域離散信號和系統的頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅立葉變換、時域離散系統的網絡結構、IIR和FIR濾波器設計等內容;實驗教學部分主要包括離散時間信號的表示及運算、離散時間信號的頻域分析、離散時間系統的時域分析和IIR數字濾波器的設計等內容。課程考查方式為平時課堂考勤+作業占10%，實驗占30%，期末考試占60%。

（二）存在的問題

現階段該門課的教學過程中，主要存在以下幾個主要問題：

1.教學過程中未能充分體現數字信號在工程應用領域的意義。本課程理論部分的講授直接從序列傅里葉變換的公式開始;其實驗部分的操作也是起始于序列的頻譜分析。學生無法很好地將該課程的基本知識與生活、工程實際聯系起來理解。這導致很多學生對該門課的學習目的不明確。

2.由于數字信號處理課程的理論性很強，對數學基礎要求很高，現階段的課堂講授中各種信號處理，如傅里葉變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、濾波（包括高通、低通、帶通、帶阻）都是通過相應的數學模型+公式演算來展示的;其實驗部分的教學基本也是對這些數學模型進行MATLAB簡單地仿真展示，觀察其波形圖。這導致學生對這門課的學習興趣不是很高，理論課上存在學生做與課堂無關的事情的現象;實驗課上，“打醬油”的現象比較多。

3.盡管該課程的教學采取了線上與線下相結合的教學模式，將重要的課件在課后上傳于超星學習通平臺，通過學習通平臺布置作業題、考試題以及根據作業和測驗的情況記錄學生的學習狀態，該方法也只是提供了一個課后學習的快捷渠道，對于自覺性強的學生有一定的效果，但是對自覺性差的學生，或者對知識點不理解、數學功底不好的學生，該方法取得的效果不是很明顯。

4.考核機制過于強調卷面成績，很多學生對本門課的知識點基本不理解，但是為了考試順利通過，在考前瘋狂刷題。考完后，對這門課的印象不深，不會用這門課所學的知識解決后續工程、科研中所遇到的問題。

二、課程教學改革方法

經過一段時間的數字信號處理課程教學改革實踐、與學生之前的交流以及與國內外同行專家之間的交流，本教學團隊研發了音頻信號處理平臺，提出了基于FPGA音頻信號處理平臺的數字信號處理教學改革方法。具體如下：

1.為了更加明確學生對這門課學習的目的，本課程的第一節課將設置一信號處理的場景，在該場景下，設置兩個教學任務，任務一：將語音信號數字化進行存儲;任務二：將存儲的數字化后的語音信號進行播放。然后根據所設定的任務，構建基于FPGA的音頻信號處理系統。該系統主要包括如下模塊。

●麥克風：將語音信號進行放大并轉化為電信號輸送至FPGA平臺的輸入端。

●模數（A/D）轉換模塊：該模塊包含于FPGA平臺，用于將麥克風接收到的模擬語音信號數字化處理，并且該模塊帶有自行調節采樣率的功能。

●數據存儲模塊：該模塊包含于FPGA平臺，用于存儲數字化之后的語音信號。

●數據處理模塊：該模塊包含于FPGA平臺，對所保存的數據進行傅里葉變換、離散傅里葉變換、濾波等處理，并且該模塊可以調節頻域采樣點。

●數模（D/A）轉換模塊：該模塊包含于FPGA平臺，用于將存儲的數字化語音信號轉化成模擬的電平信號以輸送至終端進行播放。

●揚聲器：用于播放數模轉換后的信號。

在該任務中，還將進行A/D轉換模塊采樣率的調節，讓學生體驗在不同采樣率情況下在揚聲器端監聽錄制的語音信號的效果，從而對奈奎斯特采樣定理有更形象生動的理解，并且明確了該門課程的學習意義及其與信號及系統課程學習的差別。

2.在講授傅里葉變換、離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換等知識點的時候，采樣課堂板書與FPGA音頻信號處理平臺相結合的教學模式。除了課堂上對基本數學模型的講授外，設置相應語音信號處理的實驗，在數據處理模塊中將錄制的語音信號進行傅里葉變換、離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換，輸出其對應的波形圖，觀察傅里葉變換、離散傅里葉變換與快速傅里葉變換頻譜的異同點。通過對頻域采樣點的調節，觀察在離散傅里葉變換的場景下，何時能夠最小失真地還原出信號的連續頻譜。

3.在講授濾波器相關知識點的時候，除了課堂上對濾波器設計一般步驟的講述外，還將基于FPGA音頻信號處理平臺，在數據處理模塊中對保存的語音信號進行低通、高通、帶通、帶阻的濾波處理。將濾波之后的信號通過揚聲器終端播放出來，以監聽不同濾波方式保留的語音信號頻率成分。

4.改進課程考核機制。除了卷面成績、考勤與平時作業之外，還將學生對FPGA音頻信號處理平臺的使用情況納入考查范圍并給予較高的比例。本課改擬提出如下機制，平時作業+考勤占10%，基于FPGA音頻信號處理平臺的操作情況占50%，期末考試卷面成績占40%。

5.與此同時，本課改還提出了競賽推動教學的模式，鼓勵專業基礎較好的學生參加電子設計大賽等行業比賽，靈活運用所學的知識，解決工程實際問題，從競賽中鍛煉能力，并且制定競賽的名次置換課程考核項目的機制。這樣，有助于改變學生只是為考試而學習的心態，培養學生的創新思維，真正達到培養高質量應用型人才的目的。

三、教學反饋與效果評價

教學效果主要從學生對該門課的認識、積極性、對課程的興趣、相關工程能力的培養以及同專業教師的評價幾方面進行評估。進行課改實踐之后，筆者發現，首先，學生對該門課的學習目的有了更加清晰的認識，學生的主觀能動性得到了充分調動。與此同時，通過基于FPGA語音信號處理平臺的教學，學生的課堂積極性得到了大幅度的提升，改變了之前上課時打瞌睡、玩手機的狀態。并且學生對其中復雜數學模型所代表的物理意義也有了更高層次的理解。此外，通過FPGA仿真平臺的實際操作，學生的工程能力有了很大的提升，例如，學生學會了在工程應用中如何區分兩路不同頻率信號的方法。并且，通過參加學科競賽，基礎較好的學生的創新能力也得到了進一步的提升。本課改的方案得到了本校以及外校通信工程專業教師的認可，通過理論以及實踐教學環節的聽課，對課改取得的效果進行了較高的評價。并且，本課改也得到了學生的一致好評。

四、結語

本文基于在數字信號處理課程教學中遇到的問題，從激發學生的主觀能動性、理論聯系實際、培養學生工程能力和創新能力以及課程的更新考核標準等方面入手，提出了基于FPGA音頻信號處理平臺演示的教學方法。通過一段時間的教學實踐，發現學生對本門課的學習興趣有了明顯提高。并且通過該平臺，學生的工程實踐能力比傳統的教學模式有了較大的提升，能夠根據構建的工程實踐場景，提出相應的解決方案。

參考文獻：

[1]楊亮.《數字信號處理》課程教學改革實踐與啟示[J].創新創業理論研究與實踐，2020，3（5）：31-32.

[2]付建梅，張雪英，任國鳳，等.“自主學習+點授”式數字信號處理課程教學[J].高師理科學刊，2020，40（10）：73-77.

[3]李愛華，晉剛.基于應用型人才培養的教學模式實踐：以“數字信號處理”課程為例[J].科教文匯（上旬刊），2020（4）：86-87.

[4]張印強，王莉，李麗娟.數字信號處理微課教學改革探索[J].西昌學院學報（自然科學版），2020，34（1）：108-110，128.

編輯 鄭曉燕