“数字信号处理”教学改革的几点体会

2010-08-16陈迎春

电气电子教学学报 2010年6期

吴瑛,张莉,陈迎春

(信息工程大学信息工程学院,河南郑州 450002)

我们结合实际教学情况,对“数字信号处理”课程进行了教学改革探索,提出了“课堂教学夯实基础,实验课程注重创新,网络教学巩固知识,科研实习提升能力”的教学改革思路。经过多年的教学实践和课程建设,取得了较好的教学效果。

“数字信号处理”课程公式多、概念抽象与难以掌握[1],学生普遍有畏难情绪。我们充分利用多媒体教学手段和各种仿真工具,用形象直观的具体应用实例来提高教学效果。同时,课堂中引入科研的应用成果,淡化公式的推导,强化所学知识的综合应用能力和创新能力的培养。

1 利用仿真工具改善教学

在课堂上将理论教学与Matlab图形演示结合起来,可以使课堂教学更加直观生动[2]。

例如,离散时间线性时不变系统函数的零极点对系统频率响应的影响是“数字信号处理”课程中的一个重要知识点,也是学习中的难点。我们利用Matlab工具,精心设计零点和极点的位置,直观地展示了零极点对系统幅频响应和相频响应的影响。

我们利用图1,向学生说明系统的极点影响幅频特性的峰值,零点影响幅频特性的谷值,且极点越靠近单位圆,幅频特性对应的峰值越低,零点越靠近单位圆,幅频特性对应的谷值越小。设计如图2所示的系统零极点分布,可向学生说明如何通过调整系统零极点的位置来改变滤波器的通带和过渡带。比较图1和图2,可以清晰地看到当系统的零点移动至极点附近时系统的过渡带变窄。

图1 系统零极点对幅频特性的影响

图2 将零点位置移动,减小系统的过渡带

在讲解系统的零极点位置对系统相频响应的影响时,设计如图3所示的零极点分布情况,可从图4中领会最大相位系统和最小相位系统的含义。若图3(a)所示系统的零点全部在单位圆内,此时系统为最小相位系统,即信号过系统的相位延迟最小如图4(a)所示。反之,当系统的零点全部在单位圆外时,系统的相位延迟最大,称为最大相位系统。系统输出如图3(b)和图 4(b)所示。

2 引入科研成果充实教学内容

我们在“数字信号处理”教学中,既要注重基本理论知识的传授[3],还应及时将科研最新成果及本领域中的新理论和新方法引进到教学中。

图3 零极点位置比较

图4 系统的输出比较

例如,在讲解窗函数的原理及应用时,过去只介绍其在FIR滤波器设计中具有降低带外衰减的功能。近年来,随着低截获概率信号(如跳频、突发、扩频)的大量应用,带来了宽带信号分析技术的发展。现以宽带信号分析中的瀑布图为例。为了提高瀑布图的显示动态范围,一般要对原信号进行加窗处理。图5(a)是信号加矩形窗时的瀑布图,其中横坐标为频率,纵坐标为时间。从图5(a)中可以看出10kHz处的调幅信号和20kHz处的单载波信号,但是由于频谱泄露较严重,单载波附近的短时小信号被淹没在泄露的频谱中很难被发现。图5(b)是信号加汉明窗时的瀑布图,由于加窗降低了信号的频谱泄露,不仅单载波附近的短时小信号清晰可见,调幅信号的频谱也清晰了许多。

图5 宽带信号瀑布图

3 实践教学的改革

传统的“数字信号处理”课程,大多只讨论算法的理论及其推导,较少涉及实现方法及相关的软硬件技术。因此,我们采取了实验教学与科研相结合,观察性、验证性实验与综合性、设计性实验相结合,课内教学与课外实验相结合的方式。我们建立了由基础实验、课程设计和科研训练三个模块组成的实践教学体系,注重培养学生的探索精神、科学思维、实践能力和创新能力。

在基础实验教学中,设计了“利用线性卷积求信号过离散时间线性时不变系统的输出”、“用FFT对信号进行频谱分析”和“给定某一IIR和FIR滤波器,求其输出”等验证性实验,以便帮助学生理解掌握“数字信号处理”的基本方法和基本理论,提高学生的基本实验技能和掌握实验的手段。

在课程设计教学中,力图使实践教学由单纯验证问题向综合设计问题转化,由模仿操作向自主设计转化。例如,在“数字上、下变频”的课题中,给出某一DDC芯片的实现框图和需要实现的指标,由学生实现框图中每一步的参数选择并画出输出结果;在对“信号进行谱分析”课题中,给定频谱分辨率的指标,由学生根据系统不同的采样频率的要求,设计谱分析算法并给出输出结果。

在科研训练教学中,我们将科研成果转化为教学科研设备,搭建了优秀学生科研训练平台。即在“数字信号处理”课程实施阶段,选拔一部分优秀学生参与到最新的科研项目中,承担与课程相关的科研任务。