项目教学法在“数字信号处理”课程教学中的应用

潘小红

摘 要：针对“数字信号处理”课程具有理论性较强、难学的特点，文章提出了项目教学法，以指导学生进行的一个综合项目“基于水下语音信号的数字传输设计与Matlab仿真”为例，介绍数字信号处理课程的项目教学法。通过学生反馈，该方法可以提高学生的学习积极性和实践动手能力，效果较好。

关键词：项目教学法；数字信号处理；电信专业

“数字信号处理”课程是一门理论性较强的课程，数学推导多，学生往往感觉枯燥无味，学习兴趣也不高，他们也不清楚学习这门课的意义[1-3]。目前，很多高校老师开展了教研教改工作[4-9]，并在课堂教学上对每个单一的理论知识点引入了Matlab仿真，可以帮助学生们对理论知识的理解，但同学们对数字信号处理系统的设计还是无从下手。采用项目教学法，通过设计综合性实验项目可以将数字信号处理课程中的所有知识点融合，便于学生進行系统的学习，大大提高学习效率。

1 项目教学法设计

“数字信号处理”是电子信息工程专业的核心课程，教学内容包括离散时间信号与系统的时域分析、离散时间信号与系统的变换域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、数字滤波器的结构和数字滤波器的设计。结合教学内容，为学生提供了综合性项目题目进行训练，培养学生分析问题和解决问题的能力[10]。本文以指导学生进行的一个综合项目“基于水下语音信号的数字传输设计与Matlab仿真”为例，介绍数字信号处理的项目教学法。在整个教学过程中，学生作为主体，教师引导学生用所学的理论知识解决实际问题。

2 项目的实施

水下语音信号数字传输系统主要包括发送端部分、接收端两部分。发送端部分由水下语音信号输入模块、A/D转换模块、数字调制模块、D/A转换模块组成，并由发射机将模拟信号转化为声音信号后再与噪声信号共同在水声信道中传输送达到接收机。接收机将声音信号转化为电信号。接收端由滤波模块、A/D转换模块、数字解调模块和译码模块、D/A转换模块和水下语音信号输出模块组成。要求同学们根据工作原理画出如图1所示的系统框图。

2.1 水下语音信号采集处理模块

让同学们录制一段自己的声音信号，再通过采样、量化和编码可以将电信号转化为数字信号。由于音频信号的频率是300 Hz～3.4 kHz，引导同学们分析对水下语音信号的采样频率为什么是8 kHz呢？从而引出采样定理。接着让同学们查阅水下语音信号的特点后，再来理解采用13折线A律的非均匀量化。编码采用PCM，如图2所示。

2.2 数字调制解调模块

对同学们进行提问水下语音通信是否存在环境干扰呢？为了提高通信质量，提出对信号进行调制的思想。设调制信号的最高频率是fm，在信道拥挤的水声通信环境中，设计采用数字维弗法单边带调制，如图3所示。第一次正弦载波调制采用频率为的正弦信号sin（πfmt）和余弦信号cos（πfmt）进行调制，可以得到信号y11（t）和y21（t），再经过上限截止频率为的低通滤波器后输出信号y12（t）和y22（t），第二次正弦载波调制采用频率为的正弦信号和余弦信号进行调制，调制后输出信号y13（t）和y23（t），最后经过加减输出单边带信号ySSB（t）。解调过程与调制过程相反。下面以调制过程作介绍。由于音频信号的频率是300 Hz～3.4 kHz，所以第一次调制用的正交载波频率为1.7 kHz。通过Matlab仿真结果如图4所示。这让同学们很直观地对调制的原理进行理解。

2.3 IIR滤波器

数字滤波器有无限冲激响应FIR和有限冲激响应IIR两种类型，让同学们在数字维弗法单边带调制设计中先用低采样率IIR滤波器进行滤波后再用高采样率FIR滤波器进行滤波。首先让同学们查阅IIR滤波器的设计方法，并分组讨论双线性法设计巴特沃斯滤波器和数字切比雪夫设计滤波器的优缺点。为了滤掉第一次正交调制后的信号中的上边带，要求同学们设计中采用截止频率为1.7 kHz的低通滤波器。其中，低通滤波器的阶数为11阶。滤波后的仿真结果如图5所示。同学们对IIR滤波的效果有了一定的感性认识。

2.4 FIR滤波器

让同学们查阅FIR滤波器的资料，FIR滤波器是有限长单位脉冲序列，FIR滤波器偏差不大，没有极限环振荡，且对性能参数没有明确的规定，且滤波后噪声较小。接着让同学们根据语音信号的特点确定滤波器的技术指标：截止频率3.4 kHz；采样频率96 kHz。

引导同学们通过12倍内插法可以将采样频率提高到96 kHz，如图6所示，滤波后的仿真结果如图7所示。同学们通过播放滤波前和滤波后的音频信号对FIR滤波的效果也有了一定的感性认识。

3 结语

本文针对“数字信号处理”课程难学，提出了项目教学法，让学生主动参与进来学习。通过学生的反馈，该方法的确可以提高学生的积极性，并能让他们将所学的理论知识用来解决实际问题，这也与长江大学一直提倡的应用型人才培养目标一致。

[参考文献]

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[2]李利，陈刚，田雪莲.项目驱动在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].实验室研究与探索，2015（12）：168-170.

[3]王祖林，郭旭静.数字信号处理中的通信实例教学探索[J].中国教育技术装备，2010（30）：28-29.

[4]李娟，吴谨，郑庆庆.Matlab在IIR数字滤波器设计教学中的应用[J]大学教育，2017（8）：81-84.

[5]纪萍，吴静妹，胡徐胜.基于MATLAB的数字信号处理课程的教学研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2017（3）：117-120.

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[10]欧阳键，孔令军，刘军.项目教学法在数字信号处理课程中的应用探索[J].中国教育技术装备，2017（22）：113-114.