通信工程《数字信号处理》课程的改革与建设

李光平 刘圣海 文元美

摘要：数字信号处理作为通信工程专业一门重要的专业基础课程，随着数字化和信息化的迅速发展，其地位越益重要。通过该课程改革和建设，摆脱以往课堂教学纸上谈兵和课外作业仅局限于数学推导的局面，让学生明确课程学习目的和知识的应用领域，调动学生学习的积极性和主动性，培养学生利用理论知识解决工程实践问题的能力。

关键词：数字信号处理；课程改革和建设；通信工程；能力培养

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0126-02

一、工科院校的数字信号处理课程面临的现状

1.《数字信号处理》与先修课程《信号与系统》内容衔接脱节。信号与系统是大二第一学期开设的一门专业基础课，是数字信号处理的先修课程，学生对信号与系统知识的熟练程度直接决定了是否能够快速理解数字信号处理课程中的数学推导。而数字信号处理课程的开设时间是在大三第一学期，通常学生们对信号与系统的知识点已经陌生，造成了对数字信号处理课程学习的困难。

2.数字信号处理课程理论性强，数学公式推导多。该课程要求数学基础较高，内容比较抽象，需要使用数学语言对问题进行描述，缺少直观性。但因联系工程实践紧密，这些特点向教学工作提出了严峻的挑战，很容易出现“讲不清，学不明，用不上”的情况。

3.学生语言编程能力弱。数字信号处理技术有很强的实践性，学生缺乏扎实的工程实践背景，对Matlab，HDL等编程语言基础知识缺乏，导致学习过程和实践环节非常被动。

4.课程内容丰富与课时较少矛盾突出。数字信号处理课程内容十分丰富且涉及面广，学习过程难度增加，但分配的学时有限，内容丰富和学时较少的矛盾突出，不但给掌握知识带来障碍，而且给教学过程带来不便。

5.科学研究需求给课程教学内容选择带来挑战。由于通信专业学生科学研究侧重于通信系统的设计，因此需要对通信信号在处理算法的理论和实践上进行拓展，以满足通信专业学生的课题需求，现有的教材这方面内容包罗万象，如何合理选择教学和实践内容，直接关系到教学内容的完整性、系统性和实用性。

6.软件无线电平台的出现给数字信号处理实验和课程设计带来新机。现有实验和课程设计均是在Matlab平台上去实现算法。Matlab是个虚拟的软件平台，跟实际的工程实践还有距离，软件无线电平台可为工程产品设计提供原型验证，让学生们能真正接触到实际的工程应用。

二、针对以上现状，我们进行的课程改革和建设

1.教学内容改革。结合教学计划的修订工作，对数字信号处理课程的教学计划和教学内容进行修订。增加该课程与先修课程《信号与系统》的衔接内容；增加与通信系统设计有关的多抽样率数字信号处理知识点的教学；设计侧重工程应用的多个课程实验和综合性的课程设计。数字信號处理课程基本上可以分为以下两大块内容：信号分析（图1）和数字系统设计（图2）。其中虚线框部分表示课程改革中新增加的内容。由于数字信号处理课程与信号与系统课程开设时间相差一个学期，大部分学生对信号与系统中傅里叶级数、傅里叶变换、拉普拉斯变换的知识已经生疏，因此在数字信号处理课程中，首先增加了对这些基本概念的回顾，也将所有的变换串联起来。在数字系统设计部分，新增加的多抽样速率信号处理、有效字长效应和软件无线电平台实现都是跟通信系统设计和工程实践联系最为紧密的部分。

2.教学方法和手段改革。开放教学手段，加快建设立体化教学资源。利用surface电脑授课，将课堂上所有手写的数学推导及教学录音保存下来，以供学生课后随时温习；建立交互式的《数字信号处理》课程网站以及具有丰富课程资源的手机APP，以便学生利用手机、平板或个人电脑下载、查看课堂资源。课程调查中发现，不少学生更喜欢传统教学方式下的师生课堂交流。这是因为课堂教学从一定程度上讲是教师的表演，是师生心灵、情感的交流，而一般多媒体教学形式下，教师的表情、神态对学生影响减弱，从而忽视了多媒体教学手段所应遵循的辅助性原则，忽视了教学中的重要环节——师生之间的情感交流。而如何实现多种教学手段的有机结合，达到最佳的课堂教学效果，还需要进一步探索。

3.课程实验及课程设计硬软件平台建设。利用Matlab中的信号处理工具箱来辅助设计数字滤波器，引入最新的软件无线电平台AES-ZSDR3-ADI-G来验证算法，让原本枯燥、抽象的理论教学变得生动、形象。同时，通过实践环节培养了学生分析和解决实际问题的能力，也对课堂教学内容有更深的理解。AES-ZSDR3-ADI-G平台的射频模块是由ADI公司推出的AD-FMCOMMS3-EBZ-FMC，里面包含的AD9361射频芯片支持从70MHz到6GHz的载频。基带芯片是Xilinx公司的ZC706 SoC模块。该平台与Matlab的simulink连接，可验证学生设计的数字滤波器的优劣。

4.考试方法改革。采用闭卷、课程实验、课程设计对学生进行测试，判断学生掌握课堂内容的程度，考试题目侧重于考查学生对概念的理解以及利用理论知识来解决实际问题的能力，提高课程设计成绩在总成绩中的比重，实现科学判定、教考分离。逐步过渡到闭卷考试（50%），课程设计（30%），课程实验（20%）的综合评测模式，改变以往学生考前死背公式，临时抱佛脚，混过考试的现象。通过这种综合评价模式的考核，让学生能够真正理解数字信号处理的基本概念、基本原理。

综上所述，本课程改革和建设教学内容上增加与先修课程的衔接，增加与通信系统设计相关的多抽样速率信号处理知识，设计多个偏重工程实践的课程实验及综合性的课程设计。授课方式上与移动互联网相结合，构建立体化的教学资源。手写电脑surface授课，代替了传统的黑板，使课堂中所有的数学推导均可保存；适合手机、平板电脑浏览的课程网站的完善以及手机APP的开发让学生们可以随时随地访问教学资源，浏览课件，巩固学习。课程设计与实验上与最新的软件无线电平台结合，将Matlab设计的数字系统在平台上调试、验证，有助于学生了解工程实际需求，培养学生运用理论知识解决实际工程问题的能力。

参考文献：

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