融合DSP的“數字信號處理”課程教學研究

摘要：“數字信號處理”是一門理論性強、知識抽象的電子信息類課程，DSP芯片是一種專門用于數字信號處理的集成電路。因此針對“數字信號處理”課程，在現有基于MATLAB開展教學的基礎上，融合DSP技術教學課程內容，設計了由基礎及綜合設計實驗，結合教學實際情況，采用個體獨立與小組配合相結合的方式開展，實踐表明，融合DSP處理技術實現“數字信號處理”課程中信號處理的教學研究，可有效引導學生對課程間相關知識點進行思考，調動學生的學習主動性，培養學生的工程實踐能力。

關鍵詞：融合DSP教學；CCS；數字信號處理

中圖分類號：G434文獻標識碼：A

新建本科院校向應用型大學轉型已成為社會和相關院校的共識，海南熱帶海洋學院是三亞市唯一一所公立地方本科院校，電子信息科學與技術專業建設要服務三亞市電子信息產業的高速發展。根據學校的人才培養規劃，電子信息專業為三亞市電子信息產業的發展提供人才支撐，因此必須探索新的教學方法，貼近工程實際，提高學生的工程應用能力。

“數字信號處理”是針對電子信息科學與技術專業本科生開設的一門重要專業課程，“數字信號處理”課程理論性強、知識抽象、推導的公式較多，增加了課程學習的困難度。隨著學習的進行，各種信號的變換易混淆，內容枯燥，學生理解起來有難度，積極性不斷減弱，學習效率低下。針對上述問題，改變以往的教學模式，采用MATLAB編程來實現各個數字信號處理模塊及功能，使學生能更直觀地觀察信號處理效果，理解并掌握所學知識點，實驗教學運用MATLAB軟件，除了能提供便捷的分析方法，而且還能提高編程能力。基于MATLAB的“數字信號處理”課程實驗過程中，大量調用了MATLAB已有的函數，學生只需要修改這些函數的參數即可。實驗采用仿真方式，學生處理的為理想狀態下的信號，無法應用到實際工程中，這樣的實驗內容不利于應用型人才的培養，［14］這種模式不能有效訓練學生將理論知識用于工程實踐的能力。因此，在研究“數字信號處理”課程現有的MATLAB實驗基礎上，引入數字信號處理芯片DSP（DigitalSignalProcessor）及其軟件，通過實驗過程針對DSP芯片實現常用數字信號處理算法，同時提升學生們的實踐創新能力和團隊協作精神。

1教學融合過程中教師隊伍的教學研究

“數字信號處理”課堂講授時，要求授課教師除了熟悉掌握理論知識外，還要掌握DSP技術相關知識，不僅有較好的表達與引導學生學習的能力，還能夠指導學生完成實驗項目。專業的任課教師和實驗教師為了促進課程的交叉學習，一方面自學DSP相關知識，與公司技術人員交流，學習公司DSP芯片的應用項目和技術；另一方面深入課堂學習“數字信號處理”相關知識，兩門課教師可以相互交流，一起指導學生實驗，使理論教學和實驗教學融會貫通。

2融合DSP技術教學思路

“數字信號處理”內容理論性強，同時又具有廣泛的工程應用，理論與實踐并重的軟、硬教學必不可少，遵循學生自主學習能力培養為中心的理念，針對“數字信號處理”課程知識的內容以框架如圖1所示。

基于上述理念組織教學，在驗證性實驗的基礎上，結合“數字信號處理”中重難點知識，增加綜合性、進階性實驗項目的比例，開發綜合性項目案例，并以此為切入點，挖掘與本門課程較為相關的語音信號處理、圖像信號分析等內容，將這些技術結合教學內容提煉形成綜合演練項目。為了更好地調動學生的學習積極性、主動性，提升教學真實效果，在實踐教學環節中，本文采用軟硬件結合的教學方法，并設計了由基礎及綜合設計實驗，采用個體獨立與小組配合相結合的方式開展，具體思路如下：

（1）結合課程，時域離散信號數學公式簡單，在“數字信號處理”課程中比較基礎，常常采用以學生為主的探究性教學，引導學生參與利用MATLAB編程實現圖形化與模擬信號圖形對比研究，以便更理解模擬信號離散化原理。在同學們通過軟仿真理解了離散化時時域、頻域的特點后，為了讓同學們了解真實的硬件采樣的過程，結合硬件DSP安排采樣實驗，理解硬件采樣模擬信號實現數字化的過程，設置采樣參數，拋出過采樣、欠采樣及臨界采樣問題，鼓勵學生積極參與調試、交流討論實驗現象，使學生完成由感性認識到工程應用的轉變。

（2）在進行數字信號的頻域分析時，常常采用思維導圖的方式，幫助學生建立頻域分析模型，拋出問題，讓學生們自主關注DTFT、DFS、DFT及Z變換的轉換關系，利用MATLAB編程實現圖形化，使學生直觀地深入理解概念，通過時域關聯和頻域關聯相結合的方式，鼓勵學生自己動手畫思維導圖和知識圖譜，改善課堂上沉悶枯燥的教學氣氛。對于本部分的知識點，實驗設置基本以驗證為主，學生通過DSP軟件工具CCS仿真以C語言編寫算法，調試信號并可視化分析信號頻譜，以加深這部分重難點知識的理解和掌握。

（3）通過MATLAB仿真對比DFT和FFT兩種變換，理解了FFT算法是DFT算法的高效推進，是推動“數字信號處理”走向應用的關鍵，是數字系統實現的理論框架。在推導基2抽取FFT算法的思路過程中，讓學生自主思考并畫出2、4、8、16點蝶形運算圖，理解復數相加、減及乘旋轉因子的規律等原理，同時結合FFT算法硬件DSP芯片實驗，拋出以下問題，如圖2所示，通過問題來調動學生的自主學習興趣，讓學生以自主組隊的形式來完成4、8、128點FFT算法編寫實驗，提升學生團隊合作、分析解決問題的能力。

（4）數字濾波器設計的知識點內容實踐性強，以數字濾波器設計研究為著力點，講解兩種經典濾波器：無限脈沖響應（IIR）和有限脈沖響應（FIR）濾波器，課堂教學上結合MATLAB工具分析和比較兩種濾波器的原理、區別及設計方法。實驗以設計進階為主［58］，實驗內容上安排綜合設計實驗，將“MATLAB”“DSP技術”和“數字信號處理”三門課程融合一起，綜合設計進階實驗分以下步驟，如圖3所示：

設置低通、帶通、高通和帶阻濾波器參數，引導學生自主組隊完成濾波器的MATLAB仿真設計，輸入原始信號送給設計好的濾波器，并觀看濾波輸出效果，鼓勵學生互相討論交流C語言編程實現不同濾波器的設計并進行硬件測試，使學生能夠感受由感性認識到真正工程實踐上的快樂。最后結合實際工程中的項目案例，設計語音信號濾波、語音通信調制解調等教學案例，培養學生的工程意識。

3教學過程的實施

以IIR數字濾波器的設計為例，分解案例，引入工程應用實踐比較強的TMS320C6748芯片來實現數字信號處理算法的仿真與硬件實現，解決工程實際問題。

首先，利用課堂講授IIR數字濾波器的設計原理，演示使用MATLAB設計不同類型的IIR數字濾波器，理解使用工具箱來實現濾波器的方法，布置低通、帶通、帶阻和高通類型數字濾波器的設計任務參數，學生查閱資料，利用MATLAB濾波器工具箱完成不同類型的數字濾波器設計。

其次，由MATLAB工具箱中的FDATool獲得的濾波器系數，在DSP芯片的開發環境CCS中，用C語言編寫濾波算法，基于DSP編程調試，觀看濾波效果，鼓勵學生組隊完成不同類型濾波器的算法編寫。

最后，工程上應用，聯合AD芯片，采集模擬信號源，通過DSP芯片濾波處理，DA芯片輸出，觀看濾波效果，結合工程實際應用，學生調試硬件對比濾波效果。

案例：設計一個IIR切比雪夫I型數字低通濾波器，采樣頻率為76827Hz，通帶截止頻率為500Hz，通帶衰減Apass=1dB。實現步驟如下：

Mcd2bFCwYtquXm08tCDv7w==（1）采用MATLAB軟件中的工具FDATool，其界面輸入濾波器參數，如圖4所示。

（2）獲得的濾波器系數，IIR濾波器的系統函數為H（z），如下式所示：

H（z）=（0.000358+0.001434z^（-1）+

0.002151z^（-2）+

0.001434z^（-3）+

0.000358z^（-4））/（1-3.4562z^（-1）+

4.6380z^（-2）-2.8534z^（-3）+

0.6777z^（-4））

（3）編寫C語言濾波算法程序，輸入2個頻率正弦波信號，一個低頻250Hz，另一個高頻2850Hz，混疊輸出，通過AD芯片TLV0832采集變成數字信號，通過DSP芯片C6748的濾波算法處理，再經過DA芯片TLC7528輸出。

（4）觀察濾波前后的圖形，圖5是低頻250Hz和高頻2850Hz信號混疊波形，圖6是混疊信號的頻譜，圖7是低頻250Hz和高頻2850Hz混疊信號經過IIR低通濾波器后輸出的波形，即250Hz波形，圖8是濾波后的頻譜。從濾波前后的結果，可以看出，高頻信號2850Hz被濾除，低頻250Hz信號通過，所以設計的濾波器是合理、符合設計要求的。

結語

融合DSP的數字信號課程教學研究，兼顧理論與實踐，理論知識在工程實踐中的運用過程不僅極大地調動了學生自主學習的積極性，還提高了學生將理論用于實踐的信心。

參考文獻：

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［10］張靜.基于課程群融合的“數字信號處理”教學研究：以湖北文理學院為例［J］.韶關學院學報，2015，36（8）：9194.

項目來源：2020年度教育部產學合作協同育人項目“基于DSP系列芯片應用技術融合教學研究的師資培訓”（編號：202002051024）；2022年度海南熱帶海洋學院校級教學成果培育項目“基于產教融合的電子信息類課程教學改革探索——以DSP原理與應用為示范”（編號：RHYcgpy202208）；2020年度海南熱帶海洋學院校級教學改革項目“互聯網時代下的MOOCS教學模式研究與改革——以《數字信號處理》課程為例”（編號：RHYktjg202021）；2020年度海南熱帶海洋學院校級教學改革項目“信號與系統課程教學改革研究與實踐”（編號：RHYktjg202019）

作者簡介：謝海霞（1978—），女，漢族，海南文昌人，碩士，副教授，研究方向為DSP技術在信號處理中的應用。