浅谈基于FPGA音频信号处理平台的数字信号处理教学改革

郑昱 冯璐 吴鹏 张竹娴

[摘           要]  数字信号处理是通信工程、電子信息工程等专业的核心课程，其教学效果直接影响学生的就业率及后续深造。因此，对该课程进行教学改革，提升学生对基本知识的掌握程度是非常有必要的。针对当前数字信号处理课堂气氛不活跃、学生对知识点难以掌握的问题，提出基于FPGA语音处理平台的课程教学改革方案。通过输入一定长度的语音信号，将抽象的傅里叶变换（FT）、离散傅里叶变化（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）以及低通、高通、带通等滤波过程在基于FPGA的仿真平台实现。通过一段时间的实验课教学实践，相比传统的基于MATLAB实验课教学，学生的学习兴趣有了很大程度的提高，并且对基本知识点的掌握也更加扎实。

[关    键   词]  数字信号处理;FPGA语音处理平台;学习兴趣;教学效果

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A               [文章编号]  2096-0603（2021）11-0214-02

数字信号处理是信号与系统的后继课程，是包括通信工程专业在内的电子学专业的必修课程，所涉及的知识是从事通信工程专业的人员需要了解和掌握的，同时，数字信号处理也是后续专业课如通信原理、移动通信技术等课程的基础。因此，该课程的教学效果对学生的后续学习以及深造起着至关重要的作用。并且在信息时代的背景下，数字信号处理课程关乎国家信息安全，培养数字信号专业人才，能够为信息产业的发展贡献力量[1]。

在传统的数字信号处理课程教学模式下，由于课程包含了众多的数学公式推导以及专业性强的理论知识，使很多学生对本课程学习的积极性不高。上课走神、打瞌睡、玩手机等现象较为严重。这导致学生对基本知识的掌握不扎实，考试挂科率偏高。现有的研究中，对该门课的教学方式也进行了一系列的改革，主要是基于教学手段的改革，例如，基于线上辅导+线下讲授方式的改革[2]、基于MATLAB仿真的实验教学改革[3]、微课教学模式[4]等。虽然“基于线上辅导+线下讲授方式的改革”和“微课教学模式”为学生的学习提供了课堂以外的渠道，培养了学生课前预习、课后复习的习惯，但是，未能从本质上提升学生对复杂公式以及概念的理解程度。虽然“基于MATLAB仿真的实验教学改革”通过MATLAB平台可以展现出信号时域、频域的波形，但是这些都是基于数学表达式或矩阵得来的，其对学生的学习兴趣提升程度不是很显著。综上所述，对数字信号处理进行教学改革，以学生喜闻乐见的形式，掌握课程中复杂的数学模型以及抽象的概念是非常有必要的。

一、课程教学现状以及存在的问题

（一）教学现状

目前，在本校，数字信号处理课程的教学只是基于传统的课堂讲授式模式来进行的，其中，适当地结合板书以及多媒体PPT进行。实验教学都是通过MATLAB对公式进行仿真而开展的。其中，理论教学部分主要讲解时域离散信号和系统的频域分析、离散傅里叶变换、快速傅立叶变换、时域离散系统的网络结构、IIR和FIR滤波器设计等内容;实验教学部分主要包括离散时间信号的表示及运算、离散时间信号的频域分析、离散时间系统的时域分析和IIR数字滤波器的设计等内容。课程考查方式为平时课堂考勤+作业占10%，实验占30%，期末考试占60%。

（二）存在的问题

现阶段该门课的教学过程中，主要存在以下几个主要问题：

1.教学过程中未能充分体现数字信号在工程应用领域的意义。本课程理论部分的讲授直接从序列傅里叶变换的公式开始;其实验部分的操作也是起始于序列的频谱分析。学生无法很好地将该课程的基本知识与生活、工程实际联系起来理解。这导致很多学生对该门课的学习目的不明确。

2.由于数字信号处理课程的理论性很强，对数学基础要求很高，现阶段的课堂讲授中各种信号处理，如傅里叶变换、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、滤波（包括高通、低通、带通、带阻）都是通过相应的数学模型+公式演算来展示的;其实验部分的教学基本也是对这些数学模型进行MATLAB简单地仿真展示，观察其波形图。这导致学生对这门课的学习兴趣不是很高，理论课上存在学生做与课堂无关的事情的现象;实验课上，“打酱油”的现象比较多。

3.尽管该课程的教学采取了线上与线下相结合的教学模式，将重要的课件在课后上传于超星学习通平台，通过学习通平台布置作业题、考试题以及根据作业和测验的情况记录学生的学习状态，该方法也只是提供了一个课后学习的快捷渠道，对于自觉性强的学生有一定的效果，但是对自觉性差的学生，或者对知识点不理解、数学功底不好的学生，该方法取得的效果不是很明显。

4.考核机制过于强调卷面成绩，很多学生对本门课的知识点基本不理解，但是为了考试顺利通过，在考前疯狂刷题。考完后，对这门课的印象不深，不会用这门课所学的知识解决后续工程、科研中所遇到的问题。

二、课程教学改革方法

经过一段时间的数字信号处理课程教学改革实践、与学生之前的交流以及与国内外同行专家之间的交流，本教学团队研发了音频信号处理平台，提出了基于FPGA音频信号处理平台的数字信号处理教学改革方法。具体如下：

1.为了更加明确学生对这门课学习的目的，本课程的第一节课将设置一信号处理的场景，在该场景下，设置两个教学任务，任务一：将语音信号数字化进行存储;任务二：将存储的数字化后的语音信号进行播放。然后根据所设定的任务，构建基于FPGA的音频信号处理系统。该系统主要包括如下模块。

●麦克风：将语音信号进行放大并转化为电信号输送至FPGA平台的输入端。

●模數（A/D）转换模块：该模块包含于FPGA平台，用于将麦克风接收到的模拟语音信号数字化处理，并且该模块带有自行调节采样率的功能。

●数据存储模块：该模块包含于FPGA平台，用于存储数字化之后的语音信号。

●数据处理模块：该模块包含于FPGA平台，对所保存的数据进行傅里叶变换、离散傅里叶变换、滤波等处理，并且该模块可以调节频域采样点。

●数模（D/A）转换模块：该模块包含于FPGA平台，用于将存储的数字化语音信号转化成模拟的电平信号以输送至终端进行播放。

●扬声器：用于播放数模转换后的信号。

在该任务中，还将进行A/D转换模块采样率的调节，让学生体验在不同采样率情况下在扬声器端监听录制的语音信号的效果，从而对奈奎斯特采样定理有更形象生动的理解，并且明确了该门课程的学习意义及其与信号及系统课程学习的差别。

2.在讲授傅里叶变换、离散傅里叶变换以及快速傅里叶变换等知识点的时候，采样课堂板书与FPGA音频信号处理平台相结合的教学模式。除了课堂上对基本数学模型的讲授外，设置相应语音信号处理的实验，在数据处理模块中将录制的语音信号进行傅里叶变换、离散傅里叶变换以及快速傅里叶变换，输出其对应的波形图，观察傅里叶变换、离散傅里叶变换与快速傅里叶变换频谱的异同点。通过对频域采样点的调节，观察在离散傅里叶变换的场景下，何时能够最小失真地还原出信号的连续频谱。

3.在讲授滤波器相关知识点的时候，除了课堂上对滤波器设计一般步骤的讲述外，还将基于FPGA音频信号处理平台，在数据处理模块中对保存的语音信号进行低通、高通、带通、带阻的滤波处理。将滤波之后的信号通过扬声器终端播放出来，以监听不同滤波方式保留的语音信号频率成分。

4.改进课程考核机制。除了卷面成绩、考勤与平时作业之外，还将学生对FPGA音频信号处理平台的使用情况纳入考查范围并给予较高的比例。本课改拟提出如下机制，平时作业+考勤占10%，基于FPGA音频信号处理平台的操作情况占50%，期末考试卷面成绩占40%。

5.与此同时，本课改还提出了竞赛推动教学的模式，鼓励专业基础较好的学生参加电子设计大赛等行业比赛，灵活运用所学的知识，解决工程实际问题，从竞赛中锻炼能力，并且制定竞赛的名次置换课程考核项目的机制。这样，有助于改变学生只是为考试而学习的心态，培养学生的创新思维，真正达到培养高质量应用型人才的目的。

三、教学反馈与效果评价

教学效果主要从学生对该门课的认识、积极性、对课程的兴趣、相关工程能力的培养以及同专业教师的评价几方面进行评估。进行课改实践之后，笔者发现，首先，学生对该门课的学习目的有了更加清晰的认识，学生的主观能动性得到了充分调动。与此同时，通过基于FPGA语音信号处理平台的教学，学生的课堂积极性得到了大幅度的提升，改变了之前上课时打瞌睡、玩手机的状态。并且学生对其中复杂数学模型所代表的物理意义也有了更高层次的理解。此外，通过FPGA仿真平台的实际操作，学生的工程能力有了很大的提升，例如，学生学会了在工程应用中如何区分两路不同频率信号的方法。并且，通过参加学科竞赛，基础较好的学生的创新能力也得到了进一步的提升。本课改的方案得到了本校以及外校通信工程专业教师的认可，通过理论以及实践教学环节的听课，对课改取得的效果进行了较高的评价。并且，本课改也得到了学生的一致好评。

四、结语

本文基于在数字信号处理课程教学中遇到的问题，从激发学生的主观能动性、理论联系实际、培养学生工程能力和创新能力以及课程的更新考核标准等方面入手，提出了基于FPGA音频信号处理平台演示的教学方法。通过一段时间的教学实践，发现学生对本门课的学习兴趣有了明显提高。并且通过该平台，学生的工程实践能力比传统的教学模式有了较大的提升，能够根据构建的工程实践场景，提出相应的解决方案。

参考文献：

[1]杨亮.《数字信号处理》课程教学改革实践与启示[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（5）：31-32.

[2]付建梅，张雪英，任国凤，等.“自主学习+点授”式数字信号处理课程教学[J].高师理科学刊，2020，40（10）：73-77.

[3]李爱华，晋刚.基于应用型人才培养的教学模式实践：以“数字信号处理”课程为例[J].科教文汇（上旬刊），2020（4）：86-87.

[4]张印强，王莉，李丽娟.数字信号处理微课教学改革探索[J].西昌学院学报（自然科学版），2020，34（1）：108-110，128.

编辑 郑晓燕