“信号处理工程实践”课程与工程素质培养

李如玮，毋立芳，窦慧晶

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124)

我院开设的“数字信号处理”课程是电子信息类大学生必须掌握的基础知识。为了帮助学生掌握其基本理论，培养学生的工程素质，学院一直开设了数字信号处理实验，包括卷积的实现、快速傅立叶变换的实现、FIR滤波器的设计和IIR滤波器的设计四个实验，用来巩固理论教学。为了进一步提高学生应用理论知识、解决问题的能力和工程素质，去年开始，我院开设了“信号处理工程实践”课程。

1 “信号处理工程训练”的课题来源

该课程的教学内容来自于工程实践，由承担语音信号处理、图像信号处理、通信的信号处理等研究工作的几名教师，从自己的研究方向中提炼出几个典型的小课题，最终汇成“信号处理工程训练”课程的设计专题。

(1)语音信号处理

语音信号处理中常要涉及的问题包括语音增强、基音检测和清浊分类。为此，语音信号处理部分给出了三道设计题:①基于归一化互相关函数的基音检测;②基于LMS最小均方误差法的语音降噪;③语音信号倒谱分析和清浊分类。题①要求学生理解语音信号的产生过程和信号的清浊音特性，然后利用归一化互相关函数实现信号基音的检测。题②要求学生根据语音信号的特点，利用不同信噪比的高斯白噪声对语音进行加噪，利用LMS最小均方误差法设计实现自适应滤波器来滤除噪声。题③要求学生理解语音信号的非平稳特性，在信号分帧处理的基础上，根据短时分析方法实现语音信号的短时傅里叶变换STFT，然后利用倒谱分析，判断语音信号的清浊性。

(2)图像信号处理

图象信号处理部分，给出了三道设计题:①中值滤波器设计及盐噪声滤除;②固定场景中动目标的检测;③图像噪声分析与噪声去除。题①要求学生设计一种中值滤波算法，对图像中的盐噪声进行有效的滤波。题②要求学生采用图像质心的标定方法，对固定场景的视频进行动目标检测。题③要求学生利用已有的信号频谱分析知识，分析图象中存在的噪声频率，对图像进行滤波。

(3)通信信号处理

通信信号处理部分的设计题目有:①双音多频(DTMF)信号的检测;②太阳黑子活动周期的分析;③数字音频回声系统的信号处理。题①要求学生了解DTMF信号的产生原理及其利用DFT(FFT)对双音多频信号进行频谱分析的方法。题②要求学生了解太阳黑子的基本知识后，用FFT对给定的太阳黑子数据进行分析，确定出太阳黑子的活动周期。题③要求学生了解数字音频回声系统的工作原理，然后通过IIR滤波器实现回声系统的模拟以及回声系统的信号处理。

(4)一般信号处理

这个部分给出三道设计题目:①心电图ECG(electrocardiogram)信号工频干扰噪声消除;②齿轮振动信号分析;③滚动轴承振动信号分析。题①要求学生通过对ECG信号噪声的分析，合理设计滤波器，消除工频噪声的影响。题②要求学生了解滚动齿轮产生故障的基本原理，通过对振动信号的时域分析，检测故障。题③要求学生了解滚动轴承产生故障的基本原理，能够利用信号处理相关知识对滚动轴承振动信号进行时域分析和频域分析。

2 教学特点和评介模式

该实践课在大三第二学期开设，紧随数字信号处理实验之后，共28学时。在学生选题目之前，教师给学生初步讲解各题的应用背景和相关基本知识。学生根据自己的意愿自主选择所感兴趣的题目，通常2人为一组。该课程均要求学生用C语言编程实现，不需要硬件实现。学生借助图书馆或在Internet中查阅专业背景和基础知识。实践课上，鼓励学生在共性问题上讨论分析，提出解决方案。教师负责自己所出题目的指导和疑难问题的解答，及时引导学生获得正确的方法和结论。为了杜绝相同题目学生互相抄袭，相同题目给与不同的实验数据做实验。

该课程的评价不再只看实验报告，着重平时讨论的参与和实验报告的撰写，评定结题答辩时的思路是否清晰、理论掌握、技术路线、程序是否自己编写(描述语句的功能)以及实验结果。课程的评价标准为:参与平时讨论10分，思路清晰10分，理论的掌握10分，方法选择20分，程序编写20分，实验结果20分，实验报告10分，总分100分。通过多元化的考核方式，促使学生能够深入理解理论知识，提高其综合应用和解决实际问题的能力，强化其基础专业知识的掌握[2]。

3 结语

本课程开设了两年，共300多人接受了该课程的培训。通过学生反馈，该课程的培训达到了如下预期的效果。

1)该课程的训练题目都来自于实践，培养了学生的工程意识。

2)学生普遍反映巩固了所学信号处理的理论知识，深刻理解了所学理论知识，理论联系实际的能力得到提高。

3)学生为了完成课题，必须查阅大量文献，自学很多新的知识，提高了学生查阅资料、自学以及科研能力。

4)由于要求用C语言实现功能，提高了学生的计算机语言编程的能力。

5)由于每个题目都需要涉及多方面的知识，需要团队的两个人通力合作，合理分工，从而培养了学生的团队合作精神。

[1]范伟，黄贤英.大学计算机教育中的工程素质培养[J].重庆:重庆工学院学报(自然科学)，2008(22)，3:163-166

[2]朱光俊，杨治立，吴明全，等.改革课程考试方法提高学生工程素质[J].重庆:重庆工业高等专科学校学报，2004(6):109-112