应用型本科院校信号处理研究

石坚 柳建 何勇

摘要：部分应用型本科院校信号处理类课程存在着重软件编程轻硬件设计的缺点，已经无法适应新工科背景下培养创新型复合人才的需求。如何从信号处理系统的硬件设计入手来进行课程组织是取得改革成效的突破口。本文选取典型的信号处理类课程《DSP课程设计》为例，分别提出了几种切实可行的方法，探讨了课程理论和实践的相辅相成性，强调了硬件实践环节对数字信号处理系统设计的重要作用。本文的经验和方法具有在应用型本科院校工科专业推广的价值及探讨的意义。

关键词：新工科;信号处理;课程改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0049-02

0 引言

现阶段我国的本科院校包括以科研为办学定位和以应用型为办学定位的两类高校，后者在新一轮科技革命和产业变革的新形势下，必将前所未有地倡导课程改革，身处“IT”领域前沿的信号处理类课程是新工科背景下应用型本科院校必然关注的重点。在强化实践尚未在应用型本科院校的师生中形成一致普遍理念的情况下，重理论轻实践的现状就并未得到根本好转，即便加重实践环节的比重，也可能只看重软件编程而忽视硬件设计。诚然，硬件设计需要更深入的电路设计和调试的经验，需要千锤万凿的砥砺磨练，但应用型本科院校是建设我国新工科的重要支柱，面对我国在IT领域对发达国家仍处追赶的态势，更应以缩短差距、迎头赶上为己任。尤其对于这类院校信号处理类课程的负责人而言，不能有畏难情绪且甘于落后，否则在新工科背景下培养创新型复合人才只会沦为空谈。如此而言，应用型本科院校信号处理类课程的改革可谓迫在眉睫。

信号处理类课程取得改革成效可以将信号处理系统的硬件设计作为突破口。目前应用型本科院校的信号处理类课程大都包含DSP技术，DSP即“数字信号处理器”的简称，是用以实现“数字信号处理”算法的高速微型计算机器件，但受制于该技术对前续课程如《数字信号处理》和《微型计算机原理及应用》等课程要求较高的特点，大学本科层次学生普遍感觉DSP技术课程的内容枯燥、概念抽象，难以入门，因此部份应用型本科院校把DSP技术相关课程作为选修课程，仅针对本科高年级对计算机技术比较精通的学生开设，这一定程度上降低了大学培养创新人才的需求。应用型本科院校的信号处理类课程不仅应该包括DSP技术的基础理论课程，也应该包括DSP技术的实践环节，同时还应该继续强化实践，开设DSP技术的课程设计。

相比较于单片机技术的课程设计，DSP技术的课程设计也属于微型计算机的综合应用实践课程，但在课程组织上DSP技术的课程设计具有更高难度，原因有三：其一，DSP芯片比通用单片机芯片具有更为复杂的CPU结构和更为丰富的片内外设，其内部资源的掌握难度比通用单片机要大得多;其二，学生在学习DSP的原理课程时，往往学不得法，过多将精力集中到汇编指令的分析和简单汇编程序的识读上，缺乏宏观把握，形成思维惯性，很容易带到DSP技术的课程设计中;其三，目前国内DSP技术的课程设计在课程内容的设置上仍存有较大争议，毕竟DSP技术综合了硬件、软件和算法三个门类的学科，课程重心是偏重于硬件、软件还是算法，不同的学科专业在具体的课程组织上可能各有偏重，普遍来看还是更偏重于软件和算法实现，其实还是因为国内大部分开设DSP技术相关课程的学校宥于自行设计DSP硬件系统具有难度的原因，从而避重就轻，课程内容带有明显的“偏软”特点，部分高校购置昂贵的DSP实验装置，学生对硬件电路的设计缺乏深入理解，装置往往只是起到简单编程以验证仿真结果的作用，学生很难通过课程设计真正掌握DSP技术，部分学生可能会对这门实用技术产生畏难甚至厌恶情绪。

1 信号处理类课程改革的思路

1.1 调整课程内容，增加系统硬件设计环节

目前国内信号处理类课程在课程设计环节其內容设置偏向性明显，一般教师布置数个比较综合的设计题目交由学生选择，然后根据具体的设计题目进行方案制订、算法分析、算法仿真、软件编程、软件仿真、硬件平台验证，其内容更象是在理论课程的基础上加入了硬件验证环节，学生缺少对系统核心器件选型的分析和信号处理系统的设计过程，无法透过现象看本质。

即以DSP技术的课程设计为例，若按照传统理念来安排课程内容是无法深入DSP芯片的核心一窥端倪的，从人对求知事物的认知角度来分析，这样或许也能加深学生对算法的分析和运用以及更为熟练使用编程软件，但DSP芯片只是起到了辅助算法实现的作用，实质上无助于DSP技术的掌握。因此这门课程的改革首先应从课程内容上入手，把系统硬件设计纳入教学环节并不吝课时，增加焊接、组装和硬件调试的必要环节，把课程分解为DSP芯片选型、DSP硬件系统设计、原理图和PCB图绘制、DSP最小系统和AD/DA功能电路板的焊接和调试、软件编程、软硬件联合调试等过程，在硬件系统的设计过程中，学生能够从宏观上把握系统设计的要领，潜移默化中激发对DSP技术的强烈好奇心，完成了硬件调试的同学因焊接难度大、工作耗时耗力从而愈加珍惜劳动成果，在实现系统板对外围电路功能板的控制过程中也就很自然地掌握了DSP的编程技术和算法实现。

1.2 合理设置综合应用设计题目，包含典型数学算法

课程设计题目的合理设置也是课程实验教学改革的重要内容，由于课程增加了系统硬件设计环节，学生要花费部分精力在硬件系统的设计和调试上，课程设计的题目如果在算法分析和编程实现上工作量过大，学生无法在有限时间内完成设计任务，很容易打击学生的自信心，产生较大的挫败感，从而适得其反，题目也不能过于简单，比如只是一些简单测试类程序的设计题目并不能很好地体现信号处理系统核心芯片强大的功能以及培养学生掌握综合系统设计实现的教学目标，最好设置典型的应用类设计题目，在题目中包含典型的数学算法，比如“语音数字信号处理系统”这个题目就比较适合学生设计，在系统功能电路的设计上方案众多，可以采用模拟语音的数据采集电路，也可以采用专用语音芯片构成的ADC功能电路，语音信号采集后置于存储器后，可以进行FIR数字滤波算法处理后回放，题目具有较强应用价值，信号处理算法在系统中的作用明确，设计驱动性强。同样地，“语音信号分析仪”、“心电信号处理系统”等题目都隐含有典型数字信号处理算法的实现，编程难度不高，对增强学生设计能力具有明显效果。

2 實践课程改革与理论课程改革应相辅相成

信号处理类实践课程的改革不应是一个孤立的改革，而应与理论课程的改革相辅相成，在实践课程的行课过程中，能够体会到学生在初期对相关理论课程学习的强烈不自信，以至于对课程设计最终能达到的课程目标毫无把握，应将课程设计的改革作为学生掌握信号处理相关技术的突破口，毕竟实践可以深化理论学习，从而激发学习兴趣，部分学生仅仅因为掌握了高难度的贴片器件的回流焊、手工拖焊和拉焊技术就对信号处理技术有了全新认识，但毕竟“万丈高楼平地起”，学生不从基础知识的学习入手去掌握这门技术，即便能够调试信号处理系统，也终将因为复杂的算法实现过于耗时费力，而将通过课程设计建立起来的兴趣消耗殆尽。目前理论课程的学生还存在着授课方式陈旧、课堂教学与动手实验衔接不够紧密、算法的软件实现应用目标不明确等弊病，作为一门技术应用性课程，其授课方式应区别于高等数学、大学物理等理论课程。目前部分应用型本科院校在改革探索中将此类技术应用类课程安排在实验室授课，学生通过熟悉软件操作去完成具体的设计任务，教师则通过实际的系统设计和程序编写讲解来分析课程内容，这对学生的学习将起到事半功倍的作用，即以《DSP技术课程设计》为例，教师可以指导学生完成DSP系统电路，然后再完成算法设计和软件编程，最后进行系统测试，如图1和图2所示。

在某种意义上，统筹考虑信号处理类课程的理论课程和课程设计的课程改革，相当于将理论课程的课内实验作为信号处理技术入门的实践类课程，而课程设计则是信号处理技术综合性应用的实践类课程，可以在学生学习理论课程之初就让其完成信号处理的最小系统的制作，在整个课程学习的过程中布置信号处理技术相关的实验任务让学生自行完成，在进行课程设计时，学生已具备基本技能，就可以完成包含复杂的数字信号处理算法的综合题目，其能力必将有突飞猛进的提升。

3 结语

信号处理类课程的课程设计是应用型本科院校新工科背景下重要的专业实践课程，目前在国内，该课程的教学效果差强人意，真正能掌握这门技术的学生几乎是凤毛鳞脚，其课程改革刻不容缓，成都理工大学工程技术学院非常重视这门课程的改革探索，在学院多个交叉学科的专业开设基于DSP技术的信号处理和基于FPGA技术的信号处理等课程，全部以理论课、课内实验和课程设计进行配置，通过课程组教师共同探索和实践，以硬件设计调试为主要环节，加强教学过程管理，起到了非常明显的改革成效。

参考文献

[1] 范寿康，等.DSP技术与应用[M].电子工业出版社，2008.

[2] 李文杰.开放实验审教学模式探索及实践[J].重庆工学院学报，2006（6）：157-159.

[3] 许秀云.浅谈高校开放式实验室的管理[J].科技经济市场，2006（11）：328-329.

Abstract：Some signal processing courses in application-oriented institutes have the disadvantage of emphasizing software programming over hardware design， which has been unable to meet the needs of training innovative talents under the background of new subjects. How to organize the course from the hardware design of signal processing system is a breakthrough to achieve reform results. In this paper， taking the typical signal processing course "DSP Course Design" as an example， several feasible methods are proposed， and the complementarity of the theory and practice of the course is discussed. The important role of hardware practice in the design of digital signal processing system is emphasized. The experience and method in this paper have the value of popularizing Engineering Specialty in Applied Undergraduate Colleges and the significance of discussion.

Key words：New Subject; Signal Processing; Curriculum Reform