项目驱动在“数字信号处理”课程教学中的应用

李 利， 陈 刚， 田雪莲

(北华航天工业学院 电子与控制工程学院，河北 廊坊 065000)



项目驱动在“数字信号处理”课程教学中的应用

李 利， 陈 刚， 田雪莲

(北华航天工业学院 电子与控制工程学院，河北 廊坊 065000)

数字信号处理课程理论性较强，概念抽象，学生学习了理论往往不知道在实际工程中如何应用，针对这一问题，在教学过程中采用了项目驱动教学法。论文讨论了项目的设计及项目子任务的分解，选取音乐信号作为处理的对象，根据教学内容将整个项目分解为四个子任务：音乐信号的采样、音乐信号的频谱分析、音乐信号的IIR滤波、音乐信号的FIR滤波。项目的每个子任务和理论知识同步进行，在理论课上引入项目，在实验课上进行项目的设计、实施，在课外进行扩展创新实践。经过近几年的教学实践，证明项目驱动教学法，能够激发学生的学习兴趣，提高学生的主动性和创造性。

数字信号处理； 项目驱动； 语音信号处理

0 引 言

“数字信号处理”理论性强，概念抽象，涉及数学公式多，传统的教材以公式推导为主，学生感觉内容抽象枯燥，难以理解，甚至丧失学习兴趣。教材中对概念和公式所代表物理含义的解释较少，学生无法很好理解，导致学生对一些重要的理论一知半解，即使学习了理论也不知道在实际工程中如何应用，不清楚数字信号处理理论究竟能做什么，如何设计一个实际的系统[1]。传统的教学模式以教师为主，很难发挥学生的主动性。采用项目驱动教学方法，会较好解决这些问题，设计与教学内容紧密结合的实际项目，学生通过自主完成一个项目，将课本内容与具体应用相结合，实现学生由被动学习到主动学习的转变，培养学生的创新能力，激发学生学习兴趣与求知欲。数字信号处理课程都有相应的实验教学，一般借助Matlab进行验证性实验，如采样定理、求系统的响应、FFT(DFT)应用、IIR数字滤波器及FIR滤波器设计等。实验用的信号一般是由数学函数产生，所学理论在实际中的应用涉及较少。结合项目驱动教学法，精心设计实验项目，在理论课上引入项目，在实验课上进行项目的设计、实施，在课外兴趣小组进行扩展创新实践[2-5]。同时实验具有一定程度的开放性，只限定具体理论知识，学生可自主选择实验信号，自主设计相关的实验。

1 项目驱动教学设计

合理设计项目是保证取得教学效果的关键，项目既要涵盖理论知识又要和工程应用相结合。如何分解项目也非常重要，项目的每个子任务要和相应理论知识对应，任务和理论知识要同步进行，学生在做项目的过程中学习相应的知识。数字信号处理主要涉及：模拟信号的采样、离散傅里叶变换(DFT及快速算法FFT)原理及应用、IIR 数字滤波器及FIR 数字滤波器的设计等。音乐信号很容易获得，很多同学喜欢听歌、唱歌，有些同学还会弹奏某种乐器，选取音乐信号作为处理的对象，容易激发学生的学习兴趣，引起共鸣。为此，整个教学过程围绕音乐信号处理系统项目开展，根据教学内容将整个项目分解为四个子任务，音乐信号的采样、音乐信号的频谱分析、音乐信号的IIR滤波、音乐信号的FIR滤波。

1.1 音乐信号的采样

时域采样定理是数字信号处理中的重要理论，要求掌握模拟信号采样前后频谱的变化，频谱的混叠现象，如何选择采样频率才能使采样后的信号不丢失信息。具体任务：①用fs=44.10 kHz采集一段音乐信号，分析信号的频谱，观察音乐信号频率上限，试听音乐信号。②对上述信号进行时域抽取，即降低采样频率，分析信号的频谱，体会混叠现象；播放音乐，与原始音乐相比，音调有什么变化，并分析原因。③利用Windows自带的录音机录制一段自己的声音(WAV文件)，观察采样后语音信号的时域波形和频谱图；根据频谱图，分析最低采样频率，用较低的采样频率重新采集语音信号，分析频谱混叠的频谱，并播放频谱混叠的语音。

每个同学分析的音乐信号不同，录制的语音也不同，所选的采样频率也不一样。例如，男生的频率较低，当采样频率fs=6.0 kHz时，从试听和频谱来看混叠都不明显，而女学生的声音会明显混叠。学生不仅从频谱图看到混叠，而且，有试听的感官冲击，印象明显深刻。

1.2 音乐信号的频谱分析

离散傅立叶变换DFT及其快速课外拓展，基本任务为基于Matlab分析音乐信号的频谱，拓展部分为FFT频谱分析仪与外差式频谱分析仪的比较。

(2) 课外拓展：FFT频谱分析仪与外差式频谱分析仪进行比较。要求学生从频率范围、频率分辨率、分析速度等几个方面，分析FFT频谱分析仪的特点，并与外差式(扫频式)频谱分析仪进行比较。FFT频谱分析仪的频率范围取决于ADC的采样频率fs，采样定理要求fs大于等于信号最高频率的2倍。分辨率F=fs/N，N为采样点数即FFT变换的长度，增加采样点数N，即可提高分辨率，由于采用快速算法及高速微处理器实现，其分析速度较快。外差式频谱分析仪原理如图1所示，核心的部分是它的混频器和中频滤波器，混频器将被测信号下变频至中频，落入中频窄带滤波器的通频带内，被滤波器选出。外差式频谱仪的分辨率取决于中频滤波器的带宽，当需要很高的频率分辨率时，必须降低中频滤波器的带宽，而窄带宽的中频滤波器会减慢外差式频谱仪的扫描速度，并增加中频滤波器的设计难度。所以要实现小的分辨率带宽，并且使扫描时间限制在合理的范围，需采取其他方法。

图1 外差式频谱分析仪原理

现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合，前端采用传统的外差式结构，扫频信号和待测信号混频到固定中频，在中频将模拟信号数字化，将数字信号处理理论应用到频谱分析仪中，充分利用外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率分辨率。数字中频处理框图如图2所示，中频信号经模数转换器ADC数字化，与数控振荡器NCO生成的两路信号进行混频，产生零中频数字正交解调IQ两路数据，由于中频信号的采样率较高，要对两路数据分别做降采样率处理，由CIC滤波器(积分梳状滤波器)和HB滤波器(半带滤波器)进行抽取滤波，实现数字下变频DDC。根据信号分析带宽的不同需求，可采用FIR滤波数字检波或FFT两种处理方法计算频谱幅度值[7-9]。

图2 数字中频处理框图

在扫频跨度较大，分辨率带宽较大时，数字下变频后的数据经过设计好的固定形状参数的FIR滤波器，提取待测频段的信号分量然后进行包络检波取出信号幅度，最后送入用户端显示。分辨率带宽就是FIR滤波器的3 db带宽，假设中频信号AD采样率为fad，分辨率带宽RBW与下变频后基带信号采样率fs，抽取滤波器抽取值D的关系是：RBW=fs/K=fad/(DK)，K代表FIR滤波器的采样率fs与3 db带宽的比值，设计时形状参数K值固定，改变抽取值D从而适应不同的分辨率带宽RBW要求。在扫频跨度较小，分辨率带宽较小时，数字下变频输出的低速率零中频两路信号，利用FFT时频域转换原理，计算信号频谱。复数FFT分析频率的分辨率可表示为fs/N。设分辨率带宽为RBW，则RBW=fs/N=fad/(D*N)，FFT时间长度N与FIR滤波器形状参数K具有相同的带宽选择作用。一般情况下，数字滤波器的K很难做到较大的值，而FFT分析则不受这种局限，需要N个时间长度读取N点数性据即可，所以FFT运算更适合小分辨率带宽的实现[7]。

通过拓展讨论，学生加深了频谱分析仪主要参数的理解，了解了现代频谱分析仪的工作原理，并拓展研究了数字下变频的实现及应用。

1.3 音乐信号的IIR滤波

滤波器的设计是数字信号处理中另一块主要内容。如何根据具体任务确定滤波器的参数，设计满足要求的滤波器是其主要研究内容。该部分子任务给出2个任务供学生选择。

(1) 音乐信号的去噪。①在Windows下录制自己的一段语音信号或选取一段音乐，观察信号的频率；②在语音信号上分别叠加均匀白噪声和高斯白噪声；③对叠加噪声前后的信号进行频谱分析，确定降噪的滤波器指标；④根据滤波器指标利用双线性变换法设计滤波器，在Matlab平台下编写程序，并观察分析滤波器的幅频特性、相频特性，以及滤波前后信号时域特性和频域特性。播放滤波后音乐信号，比较滤波后和原始信号的声音，解释现象。⑤拓展讨论：当信号和噪声处在同一频段，经典滤波能否很好消除噪声，由此引出现代滤波器概念。

(2) 音乐信号的均衡滤波。①在Windows下录制自己的一段语音信号或选取一段音乐，观察信号的频率；②用双线性变换法设计三种滤波器对信号进行滤波(包括低通，高通和带通)；③对滤波前后的波形、频谱进行比较；④回放各个部分的音乐信号，解释现象[10-13]。

实验所需音乐信号、滤波器的参数等均由学生自己确定。学生也可以自己选择滤波器在音乐信号处理中的其它应用，只要求用到的理论是IIR滤波器的设计就可以，具体的应用方向是开放的。

1.4 音乐信号的FIR滤波

(1) 基本任务：①实验内容和1.3节中相同；②利用FFT完成音乐信号的滤波。

(2) 课外拓展：高效窄带FIR滤波器的设计。窄带FIR滤波器的阶数非常高，硬件资源难以满足,无法完成信号的实时处理,这样的滤波器在工程应用中是没有实用价值的。学生在课外研究如何在高采样率的条件下,设计出高性能窄带FRI滤波器，采用多抽样率结构来设计窄带FIR滤波器[14-15]。

2 组织形式

教师在第一次上课时，演示整个音乐信号的处理，让学生体会每个不同处理后的效果，引起学生兴趣，然后介绍每种处理用到的知识，将整个项目进行分解。在项目驱动教学法中，用项目把整个教学内容贯穿起来，授课顺序根据项目所需的知识点组织单元教学，需要的基本知识和能力穿插在各个子任务完成的过程中。每个子任务完成后，优秀作品学生PPT汇报交流；整个任务完成后，每个学生撰写项目报告。

3 结 语

通过教学过程和学生反馈，证明项目驱动教学模式调动了学生的积极性和主动性，增强了学生的学习兴趣，学生普遍反映较好，很多学生主动要求专题任务的汇报、演示、讲解。拓展讨论部分开阔了学生的眼界和思路，提高了学生独立分析问题和解决问题的能力，学生的主动性和创造性得到充分体现。

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Application of Project Driven in Teaching of the Course "Digital Signal Processing"

LILi，CHENGang，TIANXue-lian

(School of Electronics and Control Engineering，North China Institute of Astronautic Engineering, Langfang 065000, China)

The characteristics of digital signal processing is theoretical and abstract. The students often do not know how to use the theory in practical engineering. In order to solve this problem, the project driven teaching method for DSP course is proposed. This paper selects music signal as the processing object. According to the teaching content, the project is divided into four subtasks: music signal sampling, music signal spectrum analysis, IIR filter and FIR filter for music signal. The project is introduced in theory class, designed and implemented in the experimental class. Some expansion and innovation are conducted in extracurricular. Teaching practice show that, this method can arouse students' interest and improve the students' initiative and creation ability.

digital signal processing; project driven teaching; audio signal processing

2014-12-08

河北省教育厅教研项目(104040)；北华航天工业学院教研项目(KC-2013-016)

李 利(1967-)，女，河北深州人，硕士，教授，主要从事数字信号处理、通信技术方面的教学与科研工作。

Tel.：13833600068；E-mail:lililf@163.com

G 642.0

A

1006-7167(2015)12-0168-03