基于课程群融合的“数字信号处理”教学研究——以湖北文理学院为例

张静（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳441000）

基于课程群融合的“数字信号处理”教学研究
——以湖北文理学院为例

张静
（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳441000）

摘要：根据电子专业应用型人才培养要求，研究了“数字信号处理”课程群课程融合，针对理论和应用教学内容实施多种教学模式.根据工程项目开发，通过“数字信号处理”为设计的理论，MATLAB进行设计仿真、FPGA和DSP硬件实现的结合，解决了理论联系实践的问题，有益于电子专业学生工程素质培养、应用能力提高.

关键词：数字信号处理；课程群融合；多种教学模式

湖北文理学院是襄阳市唯一一所地方本科院校，电子专业建设要服务襄阳市电子信息产业的高速发展.根据襄阳市的产业规划，电子专业培养具有工程意识、工程实践能力的电子工程师，为襄阳市电子信息产业的发展提供人才支撑.因此必须探索新的教学方法，贴近工程实际，提高学生工程应用能力.

数字信号处理课程主要讲解信号及系统谱分析数学基础和实现方法、有限长和无限长数字的滤波器设计方法，是电子专业的核心课程，涉及的内容理论性极强，相对枯燥，自学困难；同时该课程又具有广泛的工程应用，利用MATLAB、FPGA、DSP技术等可以实现其算法的仿真与硬件实现.按照工程项目的需求，建立课程群，以工业应用项目引导、理论联系实际、提升电子专业理论水平和技能.具体做法是：在电子专业三年级组建 “数字信号处理”课程群：以“数字信号处理”课程为中心；引入工程项目，分解为案例.利用案例讲述理论、以及MATLAB、FPGA和DSP技术，解决工程实际问题.

1　　课程群融合过程中多种教学模式应用

“数字信号处理”理论性很强，时域信号采样、傅里叶变换、离散傅立叶变换概念是重点也是难点，必须让学生深入理解概念；FFT、FIR、IIR是工程应用热点课题，必须让学生在理解概念的基础上学会初步前沿的工程开发，为课程群中实践性课程学习打下基础.实施以下教学方式，对理论知识点采用课堂研究性教学方法、对应用性知识采用理论联系实际的项目式教学方法.

1.1课堂研究性教学方法

研究性教学方法应用到《数字信号处理》中可有效改善课堂上沉闷枯燥的教学气氛.

案例1：时域信号采样理解.数字信号处理系统中，时域采样定理给出了AD芯片的选择原则.但若x(t)的采样频率为Fs，则x(3t)的采样频率是什么？

利用MATLAB编程［1-2］，得信号频谱如图1所示.

案例2：离散傅立叶变换（DFT）的理解.DFT概念是知识要点，又是讲解难点.讲解之前提问：

（1）为什么信号在时域、频域幅度都需要“离散化”？

（2）离散化结果对利用计算机的数值计算方法，分析信号的作用？

（3）在实际处理信号时我们获得的信号往往是长度为T的连续信号，它既不是周期信号也非离散信号，DFT能否分析实际连续信号的频谱呢？

（4）若能又该如何实现呢？

为了能帮助学生们更透彻地理解DFT定义，课程组老师们查阅参考书［3］，补充了DFT的图形推导原理图，结合提出的问题改善讲课效果.

图1　x(t)和x(3t)的时域波形、幅频特性

显然：时域信号x(t)→x(3t)，在时域t轴上压缩，在频域f轴上扩展.因此需要重新选择AD芯片，采样频率应当为3Fs.

1.2根据项目开发，讲解数字滤波器设计及其硬件实现

MATLAB可以实现数字滤波器设计与仿真，FPGA(VHDL、DSP Builder)、DSP（CCS）能够用硬件实现数字信号处理的算法［3-5］.

FPGA(DSP Builder)：实现时，DSP Builder为MATLAB的Simulink工具箱，调用其相关模块即可完成设计，下载到FPGA即可完成FPGA硬件实现.

DSP（CCS）：使用MATLAB图形工具，设计滤波器系数，再连接 MATLAB的三个模块模型：Embedded Coder，Simulink/Stateflow与DSP System Toolbox.MATLAB自动生成代码，由于MATLAB与CCS无缝连接，代码可以直接加载给CCS，进行调试.

案例3：用FPGA和DSP，实现低通FIR.

滤波器参数指标：通带截止频率2 kHz，通带衰减小于2 db；阻带衰减大于60 db，采样频率8 kHz，Kaiser窗.

Step1:使用MATLAB设计滤波器

FIR低通滤波器设计：利用MATLAB滤波器函数编程，或在命令窗口输入：FDATOOL，输入参数，得到最小阶数为16阶的滤波器系数h(n).也可自己设置大于16的阶数［4］，得到h(n).

Step2：FPGA(VHDL)实现FIR低通滤波器

把h(n)转化为二进制数据，VHDL语言编程来实现FIR低通滤波器，编译仿真，由图2仿真结果可知设计符合要求.

图2　FIR低通滤波器VHDL仿真结果

Step3：利用DSP Builder实现

在MATLAB的Simulink中建立MDL模型文件，调用ALTERA DSP Builder工具箱中的Delay模块和Product模块以及Parallel Adder Subtractor模块，完成16阶FIR低通滤波器模型设计，在Simulink中对模型进行仿真.

输入信号：采用正弦信号源，2个频率混叠.300 Hz，3 000 Hz.Simulink仿真：信号经过低通FIR之后，300 Hz的不变，3 000 Hz的被滤除，说明设计符合要求.将上述满足设计要求的滤波器转换成VHDL语言，下载到FPGA器件中，即可用硬件FPGA实现.

Step4:DSP技术实现数字滤波器

使用TI公司开发DSP的软件CCS，设置为软件仿真环境，将前面MATLAB设计的h(n)，作为已知的FIR滤波器系数得到差分方程，C语言编程实现.运行过程如图3、4、5所示.

图3　　输入信号的时域波形、幅频特性曲线

滤波器的输入信号为混叠波形，其时域和频域的波形如图3所示，可以看出混叠波形有一个高频信号和一个低频信号组成，低频信号幅度为90，高频信号幅度为25.滤波器的时域波形、幅频特性曲线的波形如图4所示.

图4　DSP滤波器的时域波形、幅频特性曲线

输入信号经过低通有限长滤波器后，得到输出信号.输出信号的时域和频域的波形如图5所示.可知输入信号由一个高频信号和一个低频信号组成，经过低通滤波器后，高频信号被衰减，幅度为5；低频信号保留，幅度为107.

图5　DSP滤波器的输出信号时域波形、幅频特性曲线

2.3工业实际案例

案例4：IIR和FIR两种数字滤波器设计学完后，针对工程实践中常遇到的情况，引导学生提出了如下问题：在白噪声环境下，若有强电产生的工频干扰噪声，以50 Hz、100 Hz、150 Hz作为工频干扰频率，假设有用信号频率为75 Hz、120 Hz的单频信号，在这种情况下如何有效提取有用信号？要求计算卷积时，要用前面章节中学过的以圆周卷积代替线性卷积的方法进行编程，达到对以前知识点的融会贯通.该问题的解决重点是让学生能够自己开动脑筋，利用MATLAB设计一个多通带多阻带的FIR滤波器，并采用FFT内容实现快速卷积.该问题不仅锻炼了学生的创新思维，还激发他们解决实际问题的信心和兴趣.

针对工业中常见的工频干扰问题，开展的设计性实验典型数据如图6所示，其中含较强的白噪声.利用梳状滤波器，滤除工频干扰.具体设计、滤波如图7、8所示.

图6　　含工频及白噪声的75、120 Hz信号及频谱

图7　　梳状滤波器幅频特性　

图8　过滤后75、120 Hz信号频谱

讨论：50 Hz、100 Hz、150 Hz工频干扰被过滤，但是可以看到：滤波器由直接Ⅰ结构实现，性能指标有较大误差.进一步思考：①为了降低误差，如何采用级联结构？②定量讨论参数字长对性能指标的影响.③心电监护系统中，信号频率0.5~100 Hz，存在工频干扰，如何处理？

2　　结语

根据电子专业应用型人才培养要求，研究了“数字信号处理”课程群课程融合，针对理论和应用教学内容实施多种教学模式.教学过程中,根据工程项目开发，“数字信号处理”为设计的理论，MATLAB进行设计仿真、FPGA和DSP硬件实现，解决学生理论联系实践问题，有益于电子专业学生工程素质培养、应用能力提高.

参考文献：

［1］刘顺兰，吴杰.数字信号处理［M］.2版.西安:西安电子科技大学出版社,2009.

［2］张磊，毕靖，郭莲英.MATLAB实用教程［M］.北京:人民邮电出版社,2008.

［3］廉玉欣，李琰，王猛，等.“高级电子技术综合实验”课程的建设与实践［J］.中国电力教育.2012(21):20-23.

［4］吴杰.卓越工程师“数字信号处理”课程群主题式教学探索［J］.中国电力教育.2014(8):78-79.

［5］蒋小燕.MATLAB/FPGA/DSP Builder在《数字信号处理》课程教学中的应用［J］.软件导论,2013,12(4):197-199.

（责任编辑：李婉）

中图分类号：G434

文献标识码：A

文章编号：1007-5348（2015）08-0091-04

［收稿日期］2015-05-16

［基金项目］2012年湖北省教研项目（2012362）；2015年湖北省普通高校战略性新兴（支柱）产业人才培养计划项目（鄂教高函（2014）28号）.

［作者简介］张静（1967-），女，湖北襄阳人，湖北文理学院物理与电子工程学院教授，硕士；研究方向：电子系统设计和信息处理.

Research of Digital Signal Processing Teaching Based on Merging Curriculum Group——A Case Study of HuBei University of Arts and Science

ZHANG Jing
（School of Physics Electioneering,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,Hubei,China）

Abstract:In accordance with the requirements of electronic professional applied talents training,the merging of digital signal processing course curriculum integration was researched,to implement a variety of teaching mode for the theory and application of teaching content.According to the engineering project development,Digital Signal Processing for the theoretical design,MATLAB design simulation,FPGA and DSP hardware implementation, solved the problem of integrating theory with practice,which were good for electronics engineering students quality training with proficiency improved.

Key words:digital signal processing;curriculum group of fusion;a variety of teaching mode