数字信号处理课程的实验教学研究

彭 靳，杜潇君

（1.滁州学院机械与电子工程学院，安徽滁州 239000；2.可林大学第一医院二部，吉林长春 130031）

数字信号处理课程的实验教学研究

彭 靳1，杜潇君2

（1.滁州学院机械与电子工程学院，安徽滁州 239000；2.可林大学第一医院二部，吉林长春 130031）

数字信号处理课程具有理论性强、内容多、学习枯燥乏味等公认特点，针对本校学生学习特点，在教学过程中充分发挥课程实验的作用，将数字信号处理理论与实践相结合，既遵循高校应用型人才的培养的方针，又提高学生学习的趣味性及实践能力，取得较好教学效果。

数字信号处理；实验；教学效果

数字信号处理（Digital Signal Processing）是从20世纪60年代以来，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科［1］。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。然而，由于《数字信号处理》涉及的内容多、概念抽象、设计复杂等特点，学生在学习这门课程时，常常会觉得枯燥乏味，感到该课程的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握［2］。为了帮助学生系统理解和掌握课程中的基本概念、基本原理和基本分析方法，充分锻炼他们综合应用所学知识独立解决实际问题的能力和工程实践创新能力，遵循高校应用型人才的培养的方针和本校的发展定位，滁州学院电子系电子信息工程教研室对《数字信号处理》课程的教学采用理论与实践相结合的方法，即理论课教学同时开展数字信号处理实验教学，二者相辅相成，效果显著。

1 课程教学现状

《数字信号处理》课程的理论教学及实验在本科第六学期进行，主要对象是电子信息工程专业和电子科学与技术专业，理论课每周3个课时，实验课每周2个课时。实验课安排在数字信号处理实验室进行，采用的是以TMS320VC5402为核心的实验系统。与理论教学相对应，适时安排A／D采样、D／A转换、快速傅立叶变换（FFT）、有限冲击响应滤波器算法（FIR）等实验，让学生从实践的角度，更深层次的理解有关概念，并会应用到实际当中。

2 数字信号处理实验教学的改革与思考

2.1 实验大纲的修订

随着学校实施应用型人才培养的方针，我们对原有的实验大纲进行修订。旧的大纲中，实验教学所占的课时要明显少于理论教学，而且安排的实验多以验证性的为主。新的大纲中，理论和实验教学所占比例几乎持平，而且根据专业不同，安排不同的实验组合。比如电子信息工程专业学生，多安排一些信号处理方面实验，而自动化专业多安排控制类实验。在这些实验当中，验证性实验少于50%，其他都是设计性和综合性实验。

实验内容上，我们按照由浅入深的原则，将实验分为三个模块。第一模块，是针对初学者的基础性实验，这部分主要以验证性实验为主，目的是让初到实验室的学生熟悉实验仪器和装置，掌握一些基本的操作方法以及实验中需要注意的事项等。第二模块，是针对有一定理论基础和实验技能的学生，这部分主要以设计性实验为主，实验提供设计要求、简要的设计方案及设计过程中所必须的元件等，由学生自己完成实验。这部分是实验教学的主体，通过这部分，学生对数字信号处理理论有了很大的提高和巩固，对实验中碰到的现象及问题都能按照理论指导找到合适的解释和解决方法。第三模块，是为学有余力的学生准备的，在这部分实验中，只提出设计要求，由学生自己查阅文献、制定实验方案、选择实验仪器和元件、组装调试、数据测量、数据分析及结果讨论。这部分实验可以提高学生的综合能力，也能为参加电子设计大赛做准备。

2.2 实验教材的编写

国内的数字信号处理实验教材不多，而且差异很大，多是根据本学校的课程开设情况编写的。因此我们根据本系课程开设情况及学生学习情况，编写了《数字信号处理实验指导书》。教材安排18个实验，包括6个验证性实验、6个设计性实验和6个综合性实验，教师可以根据具体教学情况选择其中的一部分进行实验。每个实验都有明确的实验目的，并给出一定的预习提示和注意事项。设计性和综合性实验，不提供具体的实验步骤、电路、源程序。该教材2006级学生使用至今，反应良好，基本满足了本校学生对数字信号处理课程的学习要求。

2.3 实验教学手段的改革

过去的实验教学，基本以教师为主，老师讲解实验原理并演示实验步骤，然后由学生复制老师的动作，这种教学手段，把学生禁锢在模仿的空间里，失去了思考和创新的机会。在新的教学手段中，我们以学生为中心，随着实验的进行，逐步缩短教师讲授的时间，留更多的时间让学生去思考和实践，老师由主导变为指导。刚开始进行的基础性实验，讲授时间安排多一些，主要让学生熟悉和了解实验系统，最好一边讲解一边演示。随着实验的进行和学生对实验系统的熟悉，逐步压缩讲解时间，每次实验只要阐明实验目的，强调实验注意事项就可以了，教师随时采用启发引导的方式解决学生在实验过程中遇到的问题。

另外，我们正在尝试开放式的实验教学。在完成一些必做实验之后，再安排一些实验，让有兴趣的学生选做，但学生要提前进行预约。这种实验方式，充分调动了学生主动性和创造性，让学生把兴趣作为学习的动力，取得良好的教学效果。

2.4 考核制度的改革

该实验课程采用综合性考核方式，其中包括学生平时的预习报告（10%）、实验表现（30%）、实验报告（10%）、考试成绩（50%）。实验分组进行，每次不超过15人，避免“大锅饭”现象。教师认真记录每个学生在实验过程中的表现以及遇到问题的思考能力，这个是考核的重点。考试采取抽签方式，让学生抽取题目进行实验，考察实验过程及结果作为最终考试成绩。对于特别优秀的学生，可以不参加考试，让其选做感兴趣的设计性或综合性实验。

3 数字信号处理实验教学实例

我们选用的数字信号处理实验系统是以TMS320VC5402为核心的，该芯片是目前普遍使用的定点数字信号处理芯片。它的特点是功耗很低（在最大运算速度100MIPS时为60mW），可用于数字蜂窝通信、个人通信系统、寻呼机、个人数字助理（PDA）、ATM（异步传输模式）交换机、数字无线通信、调制解调器等领域。TMS320VC5402和一些外围接口、外扩存储器等一起构成CPU板，可提供2MB的FLASH，256KB的程序存储器，64KB的数据存储器，以及在线可编程CPLD、标准RS232接口、JTAG接口、总线电平隔离芯片、系统资源扩展接口等［3］。

实验系统还配备了语音处理单元、数模转换单元、模数转换单元、信号源单元、键盘单元、数码显示单元、液晶单元、开关量输入输出单元、电源单元、单脉冲产生单元、电平转换单元、CPLD下载单元、信号扩展单元，这些扩展单元配合CPU板，可以进行30多项指定实验，充分满足了课程教学需要。另外学生还可以根据自己的学习掌握情况，自主开发新的工程项目。

3.1 实例1——快速傅立叶变换（FFT）算法实验

3.1.1 快速傅立叶变换并不是一种新的变换，而是离散

傅立叶变换（DFT）的一种快速算法。将时域的采样变换成频域的周期性离散函数，频域的采样也可以变换成时域的周期性离散函数，这样的变换称为DFT。FFT将DFT的N2步运算减少为（N／2）log2N步，极大的提高了运算的速度［4］。FFT算法又可以分为时间抽选法（DIT）和频率抽选法（DIF）两种，教学大纲要求学生重点掌握DIT中的基－2FFT算法。这里还涉及到旋转因子的变化规律、蝶形运算规律及基－2FFT算法等知识，内容非常多，难度比较大，学生在上完理论课后，基本处于一种混沌状态。这时候安排学生FFT算法实验，在实验的过程当中把理论的东西自然而然的贯穿其中，更加深入理解FFT算法的原理和实现。

3.1.2 基－2FFT算法原理是将原序列进行奇偶分组，然后将分组后的序列进行蝶形运算，如果分组后的序列可以继续分，则再进行一次分组和蝶形运算，直至不能分为止。按照这种原理，画出程序流程图（如图1所示），编写程序。在该实验中，采用语音单元提供的语音信号作为傅立叶变换的源信号。用音频连接线将语音单元输出端接入CPU板，系统上电，开始实验。

图1 基－2FFT算法流程图

实验过程当中，用Frequency打开一个图形窗口，采用双踪观察在启动地址分别为0x3000 H和0x3080H、长度为128的单元中的数值的变化，可以观察到经A／D转换后的语音信号和对该信号进行FFT变换的结果（如图2所示）。

图2 FFT图形观察窗口显示内容

3.2 实例2－有限冲激响应（FIR）滤波器算法实验

3.2.1 FIR滤波器是数字滤波器的一种。数字滤波器的功能就是通过一定的运算将输入序列变换成输出序列。根据系统的单位冲激响应h（n）是有限长序列还是无限长序列，将数字滤波器分为有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器［5］。FIR滤波器有以下几个特点：系统的单位冲激响应h（n）在有限个n值处不为零；系统函数H（z）在｜z｜＞0处收敛，在｜z｜＞0处只有零点，即有限z平面只有零点，而全部极点都在z＝0处（因果系统）；结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中也包含有反馈的递归部分。

3.2.2 实现数字滤波可以有两种方法：一种就是把滤波器所要完成的运算编成程序并让计算机执行，也就是采用计算机软件来实现；另一种方法是设计专用的数字硬件、专用的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来实现。我们采用的是第二种方法中的通用DSP芯片。实验中，根据流程图（如图3所示）编写程序，采用两路正弦波信号的混叠作为输入信号（其中低频正弦波信号峰峰值11V，频率＜4KHz；高频正弦波信号峰峰值5V，频率＞40KHz）。

图3 FIR滤波器执行流程图

程序运行后，用Frequency打开一个图形窗口，采用双踪观察在启动地址分别为0x3000H和0x3100H、长度为256的单元中的数值的变化，可以观察到经A／D转换后的输入混叠信号和对该信号进行FIR滤波的结果（如图4所示）。

图4 FIR滤波器图形观察窗口显示内容

4 总结

《数字信号处理》作为电子信息工程等信息学科必不可少的专业课，对电子类学生的知识结构的完善有着重要的实际意义，其教学的效果与教学质量直接关系到学生对整个学科体系的掌握［6］。通过采用这种理论和实验相结合的方式对一届学生进行试点教学，我们发现学生的掌握情况明显好于前几届。但教学改革是一个多方面长期的不断探索、逐步完善的过程，今后在教学过程中，我们会继续进行教学改革研究，不断完善教学过程，提高教学效果。

［1］程佩青.数字信号处理教程（第3版）［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［2］杨述斌.《数字信号处理》教学方法改革初探［J］.中国电力教育，2008，（19）.

［3］颜允圣.数字信号处理器：体系结构实现与应用［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［4］徐定策.数字信号处理的基本方法［M］.成都：成都科技大学出版社，2008.

［5］闫胜利.FIR滤波器原理及设计方法［J］.长春工程学院学报，2003，4（1）：63－65.

［6］聂小燕.数字信号处理教学改革的探索［J］.实验科学与技术，2008，6（6）：125－126.

G420

A

1673－1794（2011）05－0105－03

彭 靳（1981－），男，硕士，讲师，研究方向：电子技术。

滁州学院教研基金（2009jyy034）

2011－04－11