融合DSP的“数字信号处理”课程教学研究

摘要：“数字信号处理”是一门理论性强、知识抽象的电子信息类课程，DSP芯片是一种专门用于数字信号处理的集成电路。因此针对“数字信号处理”课程，在现有基于MATLAB开展教学的基础上，融合DSP技术教学课程内容，设计了由基础及综合设计实验，结合教学实际情况，采用个体独立与小组配合相结合的方式开展，实践表明，融合DSP处理技术实现“数字信号处理”课程中信号处理的教学研究，可有效引导学生对课程间相关知识点进行思考，调动学生的学习主动性，培养学生的工程实践能力。

关键词：融合DSP教学；CCS；数字信号处理

中图分类号：G434文献标识码：A

新建本科院校向应用型大学转型已成为社会和相关院校的共识，海南热带海洋学院是三亚市唯一一所公立地方本科院校，电子信息科学与技术专业建设要服务三亚市电子信息产业的高速发展。根据学校的人才培养规划，电子信息专业为三亚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，提高学生的工程应用能力。

“数字信号处理”是针对电子信息科学与技术专业本科生开设的一门重要专业课程，“数字信号处理”课程理论性强、知识抽象、推导的公式较多，增加了课程学习的困难度。随着学习的进行，各种信号的变换易混淆，内容枯燥，学生理解起来有难度，积极性不断减弱，学习效率低下。针对上述问题，改变以往的教学模式，采用MATLAB编程来实现各个数字信号处理模块及功能，使学生能更直观地观察信号处理效果，理解并掌握所学知识点，实验教学运用MATLAB软件，除了能提供便捷的分析方法，而且还能提高编程能力。基于MATLAB的“数字信号处理”课程实验过程中，大量调用了MATLAB已有的函数，学生只需要修改这些函数的参数即可。实验采用仿真方式，学生处理的为理想状态下的信号，无法应用到实际工程中，这样的实验内容不利于应用型人才的培养，［14］这种模式不能有效训练学生将理论知识用于工程实践的能力。因此，在研究“数字信号处理”课程现有的MATLAB实验基础上，引入数字信号处理芯片DSP（DigitalSignalProcessor）及其软件，通过实验过程针对DSP芯片实现常用数字信号处理算法，同时提升学生们的实践创新能力和团队协作精神。

1教学融合过程中教师队伍的教学研究

“数字信号处理”课堂讲授时，要求授课教师除了熟悉掌握理论知识外，还要掌握DSP技术相关知识，不仅有较好的表达与引导学生学习的能力，还能够指导学生完成实验项目。专业的任课教师和实验教师为了促进课程的交叉学习，一方面自学DSP相关知识，与公司技术人员交流，学习公司DSP芯片的应用项目和技术；另一方面深入课堂学习“数字信号处理”相关知识，两门课教师可以相互交流，一起指导学生实验，使理论教学和实验教学融会贯通。

2融合DSP技术教学思路

“数字信号处理”内容理论性强，同时又具有广泛的工程应用，理论与实践并重的软、硬教学必不可少，遵循学生自主学习能力培养为中心的理念，针对“数字信号处理”课程知识的内容以框架如图1所示。

基于上述理念组织教学，在验证性实验的基础上，结合“数字信号处理”中重难点知识，增加综合性、进阶性实验项目的比例，开发综合性项目案例，并以此为切入点，挖掘与本门课程较为相关的语音信号处理、图像信号分析等内容，将这些技术结合教学内容提炼形成综合演练项目。为了更好地调动学生的学习积极性、主动性，提升教学真实效果，在实践教学环节中，本文采用软硬件结合的教学方法，并设计了由基础及综合设计实验，采用个体独立与小组配合相结合的方式开展，具体思路如下：

（1）结合课程，时域离散信号数学公式简单，在“数字信号处理”课程中比较基础，常常采用以学生为主的探究性教学，引导学生参与利用MATLAB编程实现图形化与模拟信号图形对比研究，以便更理解模拟信号离散化原理。在同学们通过软仿真理解了离散化时时域、频域的特点后，为了让同学们了解真实的硬件采样的过程，结合硬件DSP安排采样实验，理解硬件采样模拟信号实现数字化的过程，设置采样参数，抛出过采样、欠采样及临界采样问题，鼓励学生积极参与调试、交流讨论实验现象，使学生完成由感性认识到工程应用的转变。

（2）在进行数字信号的频域分析时，常常采用思维导图的方式，帮助学生建立频域分析模型，抛出问题，让学生们自主关注DTFT、DFS、DFT及Z变换的转换关系，利用MATLAB编程实现图形化，使学生直观地深入理解概念，通过时域关联和频域关联相结合的方式，鼓励学生自己动手画思维导图和知识图谱，改善课堂上沉闷枯燥的教学气氛。对于本部分的知识点，实验设置基本以验证为主，学生通过DSP软件工具CCS仿真以C语言编写算法，调试信号并可视化分析信号频谱，以加深这部分重难点知识的理解和掌握。

（3）通过MATLAB仿真对比DFT和FFT两种变换，理解了FFT算法是DFT算法的高效推进，是推动“数字信号处理”走向应用的关键，是数字系统实现的理论框架。在推导基2抽取FFT算法的思路过程中，让学生自主思考并画出2、4、8、16点蝶形运算图，理解复数相加、减及乘旋转因子的规律等原理，同时结合FFT算法硬件DSP芯片实验，抛出以下问题，如图2所示，通过问题来调动学生的自主学习兴趣，让学生以自主组队的形式来完成4、8、128点FFT算法编写实验，提升学生团队合作、分析解决问题的能力。

（4）数字滤波器设计的知识点内容实践性强，以数字滤波器设计研究为着力点，讲解两种经典滤波器：无限脉冲响应（IIR）和有限脉冲响应（FIR）滤波器，课堂教学上结合MATLAB工具分析和比较两种滤波器的原理、区别及设计方法。实验以设计进阶为主［58］，实验内容上安排综合设计实验，将“MATLAB”“DSP技术”和“数字信号处理”三门课程融合一起，综合设计进阶实验分以下步骤，如图3所示：

设置低通、带通、高通和带阻滤波器参数，引导学生自主组队完成滤波器的MATLAB仿真设计，输入原始信号送给设计好的滤波器，并观看滤波输出效果，鼓励学生互相讨论交流C语言编程实现不同滤波器的设计并进行硬件测试，使学生能够感受由感性认识到真正工程实践上的快乐。最后结合实际工程中的项目案例，设计语音信号滤波、语音通信调制解调等教学案例，培养学生的工程意识。

3教学过程的实施

以IIR数字滤波器的设计为例，分解案例，引入工程应用实践比较强的TMS320C6748芯片来实现数字信号处理算法的仿真与硬件实现，解决工程实际问题。

首先，利用课堂讲授IIR数字滤波器的设计原理，演示使用MATLAB设计不同类型的IIR数字滤波器，理解使用工具箱来实现滤波器的方法，布置低通、带通、带阻和高通类型数字滤波器的设计任务参数，学生查阅资料，利用MATLAB滤波器工具箱完成不同类型的数字滤波器设计。

其次，由MATLAB工具箱中的FDATool获得的滤波器系数，在DSP芯片的开发环境CCS中，用C语言编写滤波算法，基于DSP编程调试，观看滤波效果，鼓励学生组队完成不同类型滤波器的算法编写。

最后，工程上应用，联合AD芯片，采集模拟信号源，通过DSP芯片滤波处理，DA芯片输出，观看滤波效果，结合工程实际应用，学生调试硬件对比滤波效果。

案例：设计一个IIR切比雪夫I型数字低通滤波器，采样频率为76827Hz，通带截止频率为500Hz，通带衰减Apass=1dB。实现步骤如下：

Mcd2bFCwYtquXm08tCDv7w==（1）采用MATLAB软件中的工具FDATool，其界面输入滤波器参数，如图4所示。

（2）获得的滤波器系数，IIR滤波器的系统函数为H（z），如下式所示：

H（z）=（0.000358+0.001434z^（-1）+

0.002151z^（-2）+

0.001434z^（-3）+

0.000358z^（-4））/（1-3.4562z^（-1）+

4.6380z^（-2）-2.8534z^（-3）+

0.6777z^（-4））

（3）编写C语言滤波算法程序，输入2个频率正弦波信号，一个低频250Hz，另一个高频2850Hz，混叠输出，通过AD芯片TLV0832采集变成数字信号，通过DSP芯片C6748的滤波算法处理，再经过DA芯片TLC7528输出。

（4）观察滤波前后的图形，图5是低频250Hz和高频2850Hz信号混叠波形，图6是混叠信号的频谱，图7是低频250Hz和高频2850Hz混叠信号经过IIR低通滤波器后输出的波形，即250Hz波形，图8是滤波后的频谱。从滤波前后的结果，可以看出，高频信号2850Hz被滤除，低频250Hz信号通过，所以设计的滤波器是合理、符合设计要求的。

结语

融合DSP的数字信号课程教学研究，兼顾理论与实践，理论知识在工程实践中的运用过程不仅极大地调动了学生自主学习的积极性，还提高了学生将理论用于实践的信心。

参考文献：

［1］王奎奎，甘辉，郭铁梁，等.多层次的数字信号处理实验系统设计与实现［J］.电脑知识与技术，2022，18（21）：810.

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［3］姜恩华，李素文，窦德召，等.基于CCS软件的IIR滤波器实验设计［J］.实验技术与管理，2015（8）：130133.

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［5］李瑶，胡学友.应用型人才培养模式下《DSP技术》实验教学研究和改进［J］.教育教学论坛，2019（26）：278280.

［6］谢海霞，孙志雄.IIR滤波器的DSP实现［J］.电子器件，2013（2）：194196.

［7］谢海霞，孙志雄.连续非周期信号频谱分析及Matlab实现［J］.现代电子技术，2013（11）：5356.

［8］谢海霞，孙志雄.DSP技术课程教学方法研究与实践［J］.电子设计工程，2012（8）：1012.

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［10］张静.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［J］.韶关学院学报，2015，36（8）：9194.

项目来源：2020年度教育部产学合作协同育人项目“基于DSP系列芯片应用技术融合教学研究的师资培训”（编号：202002051024）；2022年度海南热带海洋学院校级教学成果培育项目“基于产教融合的电子信息类课程教学改革探索——以DSP原理与应用为示范”（编号：RHYcgpy202208）；2020年度海南热带海洋学院校级教学改革项目“互联网时代下的MOOCS教学模式研究与改革——以《数字信号处理》课程为例”（编号：RHYktjg202021）；2020年度海南热带海洋学院校级教学改革项目“信号与系统课程教学改革研究与实践”（编号：RHYktjg202019）

作者简介：谢海霞（1978—），女，汉族，海南文昌人，硕士，副教授，研究方向为DSP技术在信号处理中的应用。