數(shù)字信號處理多目標(biāo)層次化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

俞一彪， 孫 兵， 芮賢義， 石 霏， 胡劍凌

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

0 引 言

新工科教育思想和工程專業(yè)認(rèn)證規(guī)范對電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)提出了“具備創(chuàng)新實(shí)踐意識和團(tuán)隊(duì)合作精神，能夠解決電子通信領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要在教學(xué)思想上從被動(dòng)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)教學(xué)，從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心［1-4］。信息化時(shí)代，學(xué)生獲取知識的途徑和方式比過去豐富、便捷很多，教學(xué)的思想和教學(xué)模式必須順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢［5-6］。

數(shù)字信號處理是電子信息類專業(yè)的核心課程，在當(dāng)今智能信息化時(shí)代，課程的重要性顯得尤為突出。但是，要使課程教學(xué)符合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，必須改變以往偏重理論講授而結(jié)合應(yīng)用不夠的傳統(tǒng)教學(xué)方式，除調(diào)整教學(xué)思路，推進(jìn)教材改革和研究性教學(xué)模式之外，還需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)行之有效的實(shí)驗(yàn)方案［7-10］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論知識與應(yīng)用實(shí)踐的橋梁，使學(xué)生鞏固和加深對理論知識的理解，培養(yǎng)運(yùn)用信號處理理論分析和解決實(shí)際問題的能力，也是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的一種途徑，而實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是能否達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵［11-14］。

層次化實(shí)驗(yàn)方案依據(jù)課程教學(xué)大綱和教學(xué)進(jìn)度，以鞏固基礎(chǔ)理論、掌握基本應(yīng)用、提升復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)進(jìn)行層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，力求突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的局限性，體現(xiàn)理論的應(yīng)用價(jià)值，培養(yǎng)理論到應(yīng)用的實(shí)踐能力。該方案結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容分別設(shè)計(jì)有理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，3類實(shí)驗(yàn)形成金字塔結(jié)構(gòu)，并依據(jù)教學(xué)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)類型采用獨(dú)立和小組方式進(jìn)行，在具體教學(xué)實(shí)踐中體現(xiàn)出較好的成效。

1 層次化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路

課程實(shí)驗(yàn)應(yīng)該圍繞課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行，尤其是圍繞核心知識點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)字信號處理課程的教學(xué)內(nèi)容可以劃分為4大板塊［15］，包括：①離散信號和系統(tǒng)基本概念；②離散信號的時(shí)域處理；③離散信號傅立葉變換及頻域處理；④數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與分析。每一板塊都涉及一些基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)。例如，離散信號與系統(tǒng)基本概念部分涉及模擬、離散和數(shù)字信號的特點(diǎn)與轉(zhuǎn)換、采樣與量化、DSP系統(tǒng)的典型構(gòu)成等。圍繞著基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)可以有重點(diǎn)地設(shè)計(jì)一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過對設(shè)計(jì)好的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察分析來增強(qiáng)對知識點(diǎn)的感性認(rèn)識和理解。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的在于鞏固課堂教學(xué)知識點(diǎn)。該類型實(shí)驗(yàn)相對簡單，復(fù)雜度低，可以看成是一種習(xí)題的擴(kuò)展形式，貫穿于整個(gè)教學(xué)中的各個(gè)單元，并由每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成。

但是，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只是對理論知識的驗(yàn)證和解釋，沒有反映理論與應(yīng)用的關(guān)系和理論應(yīng)用的核心價(jià)值。因此，需要設(shè)計(jì)仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過構(gòu)建一個(gè)相對簡單的系統(tǒng)來處理特別設(shè)計(jì)好的仿真性信號數(shù)據(jù)，達(dá)到展示理論應(yīng)用價(jià)值，培養(yǎng)基本的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析能力。前面所述4大教學(xué)內(nèi)容板塊中的后3個(gè)都與信號處理應(yīng)用密切相關(guān)，可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)若干仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的目的是培養(yǎng)構(gòu)建系統(tǒng)的基本能力、認(rèn)識理論與應(yīng)用的關(guān)系和理論的應(yīng)用價(jià)值。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較綜合，有一定復(fù)雜度，可以采用1～3人分組進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為后面完成工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。

工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)針對實(shí)際應(yīng)用場景的具體應(yīng)用需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對真實(shí)信號進(jìn)行處理和觀察分析。工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的目的是在仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將理論與真實(shí)應(yīng)用結(jié)合起來，培養(yǎng)綜合各種知識分析設(shè)計(jì)復(fù)雜工程系統(tǒng)的能力，充分體會(huì)課程所學(xué)理論的應(yīng)用價(jià)值。工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的理論運(yùn)用綜合度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)難度相對較高，能夠解決實(shí)際問題，數(shù)量不宜多，一般整個(gè)課程設(shè)置一個(gè)，并以1～3人的團(tuán)隊(duì)形式分組進(jìn)行。

以上3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)按照教學(xué)大綱內(nèi)容設(shè)計(jì)形成一種金字塔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的難度系數(shù)依次上升，實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮湍繕?biāo)都不一樣，按照教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度循序開展。

圖1 層次化實(shí)驗(yàn)方案的金字塔結(jié)構(gòu)

2 層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括7個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、3個(gè)仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和1個(gè)工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，著重于對理論的驗(yàn)證觀察，使學(xué)生鞏固對知識點(diǎn)的掌握。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以看成是習(xí)題的一種形式，一個(gè)知識點(diǎn)在傳統(tǒng)理論計(jì)算習(xí)題之外可以通過實(shí)驗(yàn)來觀察分析和驗(yàn)證。因此，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在整個(gè)課程教學(xué)中相對可以多一些，但因?yàn)楸容^簡單，工作量并不大，要求由每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成。同時(shí)，要避免重復(fù)，有些理論的驗(yàn)證在仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中有涉及的話就無需單獨(dú)設(shè)置為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)如表1所示。

表1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

2.2 仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡單系統(tǒng)，能對輸入信號進(jìn)行處理來獲得結(jié)果，但處理的輸入信號數(shù)據(jù)來自于仿真，并非真實(shí)信號。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)涉及信號處理系統(tǒng)的構(gòu)建和信號的處理分析，并可以設(shè)計(jì)仿真特定的輸入信號來對系統(tǒng)的處理結(jié)果進(jìn)行觀察分析，使學(xué)生由感性認(rèn)識到理論應(yīng)用的體驗(yàn)，加深對理論的理解。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由一定的工作量和較高的復(fù)雜度，可以采取1～3人團(tuán)隊(duì)分組進(jìn)行。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要圍繞傅里葉變換及頻譜分析、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及信號增強(qiáng)這兩大核心教學(xué)內(nèi)容來設(shè)計(jì)，如表2所示。

表2 仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.3 工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)面向?qū)嶋H工程應(yīng)用需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)需要綜合運(yùn)用課程所學(xué)理論知識，特別是基于傅里葉變換的頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)兩大理論知識，并進(jìn)行一定的擴(kuò)展性學(xué)習(xí)。本課程設(shè)計(jì)的工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為“說話人性別識別系統(tǒng)”，要求通過檢測語音信號的基音頻率值來分析判斷說話人的性別，最終建立一個(gè)具有人機(jī)交互界面的實(shí)時(shí)可應(yīng)用說話人性別識別系統(tǒng)，任何說話人對著計(jì)算機(jī)說一個(gè)單詞或者語句，系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)地判斷出該說話人的性別。一般，男性說話人基頻分布在50～200 Hz之間，而女性說話人的基頻在250～450 Hz之間，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 說話人性別識別系統(tǒng)框圖

語音信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換之后首先進(jìn)行濁音幀檢測提取，然后對提取的可靠濁音幀逐幀處理。每一幀信號先進(jìn)行FIR＿LPF濾波，去除500 Hz以上的頻率成份，然后降采樣，通過FFT得到0～500 Hz頻段頻譜，自左至右檢測該區(qū)域幅度譜的最大峰對應(yīng)的頻率值，最后基于閾值判決得到說話人性別結(jié)果。

這一工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中需要運(yùn)用數(shù)字信號處理基礎(chǔ)理論中的傅里葉頻譜分析、FIR數(shù)字濾波器、短時(shí)能量計(jì)算、基于抽樣（Decimation）的降采樣等相關(guān)理論知識，在具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還需要考慮短時(shí)窗長和頻率分辨率的關(guān)系、抽樣周期和降采樣頻率的關(guān)系、濾波器截止頻率選擇、濾波器阻帶衰減與過渡帶等具體參數(shù)。另外，需要了解和學(xué)習(xí)語音發(fā)音和基頻相關(guān)的基本知識，不同性別說話人語音基本特征等。因此，該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驒z驗(yàn)學(xué)生是否全面系統(tǒng)地掌握了數(shù)字信號處理的概念和理論知識，使學(xué)生對課程知識的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有一個(gè)感性認(rèn)識，并能夠培養(yǎng)他們在實(shí)際工程應(yīng)用中如何設(shè)計(jì)信號處理系統(tǒng)解決實(shí)際問題的能力。

工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都以1～3人小組團(tuán)隊(duì)形式完成，并按規(guī)范提交電子化實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作為整個(gè)課程學(xué)習(xí)效果考核和成績評定的依據(jù)之一。

3 層次化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐成效

層次化實(shí)驗(yàn)方案從內(nèi)容綜合性和復(fù)雜度看呈現(xiàn)階梯型遞進(jìn)形式，執(zhí)行時(shí)間上按照課程教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃選擇進(jìn)行。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，獨(dú)立完成。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不同專業(yè)稍有不同，通信工程選擇表2中實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3進(jìn)行，電子信息工程選擇表2中實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3進(jìn)行，分別對應(yīng)傅立葉變換和FIR數(shù)字濾波器章節(jié)的學(xué)習(xí)，并以小組形式完成。工程性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在整個(gè)課程結(jié)束時(shí)進(jìn)行，以小組形式完成。所有實(shí)驗(yàn)均以非集中方式利用業(yè)余時(shí)間完成，要求提交格式規(guī)范的電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告。仿真性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)安排兩個(gè)教學(xué)單元共計(jì)6學(xué)時(shí)的現(xiàn)場演示檢查。

近年來，數(shù)字信號處理課程層次化實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法中理論與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠的問題，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)鞏固掌握所學(xué)的知識，并能夠用于實(shí)際問題的解決，在學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研、電子設(shè)計(jì)競賽和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐計(jì)劃項(xiàng)目中都發(fā)揮出了很好的效果。例如，2020年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽E題要求設(shè)計(jì)一個(gè)放大器非線性失真的分析研究裝置，里面涉及信號ADC轉(zhuǎn)換、濾波器設(shè)計(jì)、頻譜分析和頻率分辨率等方面的理論知識及應(yīng)用，參賽同學(xué)運(yùn)用課程所學(xué)理論分析，提出設(shè)計(jì)方案，最終獲得了競賽一等獎(jiǎng)；2018年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽A題要求設(shè)計(jì)一個(gè)電流信號檢測裝置用來識別任意波信號發(fā)生器輸出信號的類型，并檢測經(jīng)過功率放大器之后信號的幅度和頻率值，頻率值精度優(yōu)于1%，參賽同學(xué)利用頻譜分析和頻率分辨率理論，結(jié)合單片機(jī)STM32F設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，最終獲得一等獎(jiǎng)；2021年大創(chuàng)計(jì)劃項(xiàng)目“面向網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用的可泛化聲紋識別系統(tǒng)”等順利結(jié)題，課題組利用頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)了一種基于高低頻帶對數(shù)能量譜比貝葉斯決策的語音信號端點(diǎn)檢測方法，并在《計(jì)算機(jī)科學(xué)》期刊發(fā)表。另外，課程實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范化要求對學(xué)生順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，并撰寫格式規(guī)范的學(xué)位論文也起到了很大的幫助作用，教師普遍感到學(xué)生的自主完成度和能力都得到了提高，學(xué)生以畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容為基礎(chǔ)撰寫的論文數(shù)量明顯增多。

4 結(jié) 語

新工科教育是一種新的工程教育和人才培養(yǎng)體系變革，課程體系要符合新時(shí)期科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變革與發(fā)展的需要。數(shù)字信號處理課程作為專業(yè)核心課程，應(yīng)符合電子信息類新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，深入思考如何加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，探索以學(xué)生為中心的主動(dòng)學(xué)習(xí)模式。數(shù)字信號處理課程的層次化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)以及實(shí)施，雖然已經(jīng)顯現(xiàn)出一定的成效，但在今后的教學(xué)實(shí)踐中還需要不斷完善和提煉。