数字信号处理课程实践型教学方法研究

杨智明， 彭喜元， 俞 洋

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引 言

目前，随着计算机和大规模集成电路技术的高速发展，数字信号处理理论和方法已成为众多领域的重要研究内容[1]，并被广泛应用于图像处理、数字通信、模式识别、自动控制等众多领域[2-3]。而工科大学数字信号处理课程作为电类专业重要的专业基础课程，上承高等数学、信号与系统等基础课程，下启数字电路设计、数字信号处理器等专业课程，对于学生整个课程体系的建立起着重要作用。然而由于该课程的理论性和实践性都很强[4]，学生学习起来普遍较为吃力。具体表现为以下两个方面：①该课程理论性很强，要求学生有较好的数学基础，因此学生普遍感到概念抽象，公式繁多，对理论的理解难以透彻；②相对于信号与系统等前期课程，该门课程虽然具有一定的实践性，但是由于学生知识体系不足，学生难以把本课程的理论应用到实际当中，无法应用理论知识去解决实际工程中存在的问题[5-6]。因此学生普遍将该门课程当作高等数学的延续，无法提高对本课程的学习兴趣。

实验教学作为课堂授课的一个有益补充，可以在一定程度上缓解以上问题。实验教学主要实现两方面作用:①帮助学生更好的理解和掌握理论知识以及设计方法，②在对基础知识和实现技术有所把握的基础上，进一步完成创新性实验的设计。目前，由于条件的限制，大多数高校在进行数字信号处理实验教学的过程中难以建立软硬件联合实验室，因此采用的基本是Matlab，LabView等仿真软件[7-8]，该方法在一定程度上帮助学生验证课堂所学理论知识，但其缺点是直观性不强，无法帮助学生建立完整的应用设计思路和概念。作者近5年来除进行课堂授课外，同时指导学生进行实验课程的学习，通过对实验效果的分析发现，由于受到实验课程内容设置单一，与工程实践脱节较为严重，缺乏软硬件综合性实验条件和硬件设计理念等因素的影响，学生学习兴趣依然不大，难以取得良好的效果。

针对以上问题，结合作者多年教学实践经验，提出基于综合性实验的数字信号处理实践型教学方法。以日常生活中最常见，学生最容易理解的语音信号为处理目标，设计语音信号采集和处理系统，实现语音信号的获取、分析和处理，将数字信号处理课程中的信号采集、信号频谱分析以及信号处理三个部分有机地融为一体。通过综合性实验课程的设计，帮助学生理解数字信号处理的过程细节，同时积累工程实践经验，掌握硬件设计方法，为后续毕业设计和研究生学习打下良好的基础。

1 数字信号处理课程教学内容整合

工科大学电类专业数字信号处理课程涉及众多理论和方法，因此在综合性实验中完全覆盖所有的内容具有一定的难度。经过多年的实践，本文将数字信号处理课程划分为以下3个重要的部分：

(1) 信号采集部分。即如何将日常生活中存在的模拟信号转换为数字信号；

(2) 信号分析部分。利用离散傅里叶变换等工具对信号频谱进行分析；

(3) 信号处理部分。设计各种类型的数字滤波器对信号进行滤波处理。

因此，本文提出的综合性实验针对以上内容展开设计。

如图1所示为数字信号处理的基本过程。本科数字信号处理课程要求学生掌握的基本知识包括以下3个部分：采样、分析和处理。为实现以上过程，并使学生理解工程项目设计流程，本文选择日常生活中最常见、最易获取的语音信号作为处理对象，设计语音信号处理系统，作为综合性实验的载体。

图1 数字信号处理基本过程

2 语音信号处理系统设计

本文提出的综合性实践教学需要借助于语音信号处理系统完成。该系统以数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、音频编解码器为核心，并附加必要的外围电路。由于DSP具有数据处理和传输的并行性，因此能够极大提高系统的运行效率；此外，DSP具有高速、实时、灵活的特点，可以用有限的存储空间存储较多的数字语音信号，完成多种语音处理功能[9]。以此为基础，利用C语言完成语音信号处理程序，实现多通道语音信号的采集、滤波、压缩和回放等功能。

2.1 语音信号处理系统硬件设计方案

系统硬件设计如图2所示。系统首先利用语音输入电路配合编码芯片将将需要处理的语音信号进行数字化采样；然后，将数字语音信号传至DSP进行处理；最后，利用语音解码芯片将处理后的数字样值转换为模拟信号，并经由语音输出电路还原成语音信号。

图2 系统硬件总体结构图

如图2所示，本文选用TI公司TMS320VC5509系列DSP作为系统的核心处理器[10]，完成系统的控制、运算处理等功能，并选用TLV320AIC23实现语音接口电路[11，12]。在硬件接口方面，TMS320VC5509多通道缓冲串口时序和音频模块AIC数据接收和发送时序可实现无缝连接，便于进行控制[13]。此外，为完成与主控计算机的交互，选择USB接口芯片CY68013实现程控命令与信号处理结果的传输[14]。

2.2 语音信号处理系统软件设计方案

硬件设计完成后，需要编写相应的DSP软件实现语音信号处理功能[15]。软件设计包括系统软件和信号处理软件两部分。其中系统软件实现系统控制、人机接口、数据输入/输出管理等功能。而信号处理软件主要完成特定的语音处理功能。图3为本文的软件设计流程图。

图3 软件流程图

如图所示，本文在TI公司专用开发环境CCS下开发软件应用程序[16]。其组成包括主程序框架、初始化程序以及相应的中断处理程序。DSP初始化程序的主要功能是设置DSP系统的工作状态；而外围接口芯片初始化程序主要完成USB接口芯片以及语音接口芯片TLV320AIC23的初始化功能，包括设置其工作模式等。同时DSP系统采用中断方式处理外围芯片提出的服务请求，实现语音信号的采集、分析、处理、回放等功能，并实现语音数据及处理结果的实时传输与存储功能。

本文开发的语音处理系统功能明确、结构精简，摒弃了现有数字信号处理课程硬件实验箱功能繁杂、体积庞大的缺点，所需硬件基础和编程基础都比较少，非常便于学生理解和掌握，特别是其具有较好的便携性，可以在任何地点进行数字信号处理实验验证工作。另外，语音信号也是日常生活中的常见信号形式，便于获取和理解，因此本文设计的平台可以很好地完成面向工程实践数字信号处理课程硬件实验功能，作为课堂教学和Matlab仿真实验的有益补充，帮助学生感受工程实践项目所带来的成就感，以此激发学生的学习兴趣。

3 数字信号处理实验课程设计及实施方法

3.1 数字信号处理综合性实验设计

借助于本课题设计的语音信号处理平台，可以进行面向工程实践的综合性课程设计工作，在进行课程设计的过程中，主要是按照以下原则进行：

(1) 为避免学生课程设计内容出现重复性较大问题，本文将课程设计题目按照信号处理流程进行分解，即多设计一些题目供同学们选择；

(2) 考虑到学生能力上的差异，无法要求每一位同学都独立完成相应的课程设计，因此课程设计采用小组方式进行，但小组成员必须要分工明确；

基于以上两方面原则，在实践教学中采用的课程设计题目包括以下几个部分：

3.1.1信号采集部分

(1) 实验目的。验证采样定理,采样频率大于信号最高频率2倍，为获得良好效果，采样频率为信号最高频率的3～5倍。

(2) 实验过程。利用语音信号处理系统采集语音信号，语音信号包括正常的语音信号(频率范围小于3 kHz)，音乐信号(频率范围小于20 kHz)等，指导学生通过设置不同的采样频率，观察信号采样过程中损耗，从而验证采样定理说明的内容。

3.1.2信号分析部分

(1) 实验目的。利用离散傅里叶变换及其快速算法对信号进行频谱分析。

(2) 实验过程。对采集到的语音信号进行频谱分析，语音信号包括正常的语音信号，音乐信号，以及混叠有噪声的语音信号和音乐信号，观察信号频谱，指导学生调整采样频率，采样点数，观察调整前后的分析结果，分析频谱分析范围、频率分辨率等频域分析指标与采样频率，采样点数等时域控制指标之间的关系，从而帮助学生明确实际工程项目中采样频率、采样点数等关键技术指标的选择方法。

3.1.3信号处理部分

(1) 实验目的。设计数字滤波器，对混杂噪声的语音信号进行滤波处理。

(2) 实验过程。利用TMS320VC5509处理器提供的算法设计IIR数字滤波器及FIR数字滤波器，指导学生选择滤波器类型和参数，获得滤波器传递函数。对于以上部分实验获取的混杂有噪声的语音信号进行滤波处理，比较处理前后语音信号的播放效果，从而验证设计滤波器的有效性。

以上3部分实验是一个有机的整体，包括了数字信号处理3个最关键的内容：信号采集、信号分析和信号处理，同时还鼓励学生自行拟定课题，充分发挥其自主性和能动性。

3.2 综合性实践教学方法实施步骤

在实践教学具体实施过程中，采用以下步骤进行：

(1) 前期调研。学生在教师指导下选定题目，并拟定项目实施的大致方案；

(2) 学生自学。学习DSP硬件知识及其编程方法；

(3) 工程实践。以实验室和课后实验的方式进行具体的工程实践；

(4) 课堂讨论。在每学期期末，安排每个小组的学生以5～10 min时间，进行课堂报告，对本学期实验情况进行总结，同时由教师组织进行课堂讨论。

以上方法可以总结为ISED方法，即前期调研(Investigation)，自学(Self-learning)，工程实践(Engineering practice)以及课堂讨论(Discussion in class)4个部分。通过以上综合性实验步骤，不仅可以帮助学生更好的理解课堂学习的知识，实现学以致用；还能够实现对学生的自主学习能力、表达能力等综合素质的培养。

4 结 语

数字信号处理课程是工科大学电类专业重要基础课程，本文针对其理论性和实践性均较强的特点，提出了一种面向综合性实验的实践教学方法，并设计语音信号采集系统作为实验载体。该平台结构功能明确、结构精简，适合工科大学高年级本科生知识基础，可以方便的帮助学生展开综合性实验设计，通过工程实践激发学习兴趣。作者所在课程组于2010～2013年4个学年度，按照以上实践教学方法，并借助于语音信号处理实验平台展开综合性实验教学方法的尝试工作。实际教学情况以及学生课后反馈意见表明，通过以上方法，充分的调动学生的学习积极性，帮助学生做到带着问题去学习，并体会到学以致用的乐趣。同时，课堂报告及讨论，帮助学生锻炼组织材料及表达的能力，为其后续本科毕业设计及研究生工作奠定基础。

[1] 乔瑞萍.TMS320C54X DSP原理及应用[M].西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.

[2] Sanjit Mitra. Digital Signal Processing—A Computer-Based Method, Third Edition[M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. 2005.

[3] Oppenheim A V, Schafer R W. Discrete-Time Signal Processing[M]. 2nd ed. Prentice Hall International, 1999.

[4] 王秋生, 袁海斌. 数字信号处理教学方法的探索与实践[J]. 电气电子教学学报, 2008, 30(8): 87-89.

Wang Qiu-sheng, Yuan Hai-bin. Teaching Probe and Practice to Digital Signal Processing[J]. Journal of EEE, 2008, 30(8): 87-89.

[5] 倪振文, 王俊年, 刘昆山. 电子信息类专业实践教学体系改革的研究[J]. 实验室研究与探索, 2004, 23(2): 52-55.

Ni Zhen-wen,Wang Jun-nian,Liu Kun-shan. Study and Exploration of Electron Information Specialty Practice Education[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2004, 23(2): 52-55.

[6] 朱金秀, 张 卓, 朱昌平．数字信号处理课程实验教学研究与实践[J]．实验室研究与探索, 2008, 27(5)：96-98．

Zhu Jin-xiu, Zhang Zhuo, Zhu Chuang-ping. Experimental Teaching Research and Practice of Digital Signal Processing Course[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2008, 27(5)：96-98．

[7] 沈媛媛. 基于Matlab的数字信号处理综合性实验设计[J]. 实验室研究与探索，2009, 28(8)：60-62.

Shen Yuan-yuan. The Comprehensive Experimental Design of Digital Signal Processing Based on Matlab[J].Research and Exploration in Laboratory, 2009, 28(8)：60-62.

[8] 陈玲玲, 刘 阳, 秦丽敏. 基于LabVIEW的数字信号处理实验平台设计[J]. 吉林化工学院学报, 2011, 28(11): 66-69.

Chen Ling-ling，Liu Yang，Qin Li-min. Design of DSP Experimental Platform based on LabVIEW[J]. Journal of JiLin Institute of Chemical Technology, 2011, 28(11): 66-69.

[9] 胡 瑛, 胡安峰．一种基于TMS320VC5509的语音处理系统的设计[J]．电子科技, 2009, 22(5)：34-35．

Hu Ying, Hu An-feng. Design of a Speech Processing System Based on TMS320VC5509[J].Electronic Science and Technology, 2009, 22(5)：34-35．

[10] 杨娟娟, 黄乡生, 宋大杰．基于TMS320VC5509A的图像采集处理系统[J]．国外电子测量技术,2011, 30(6)：65-68．

Yang Juan-juan Huang Xiang-sheng, Song Da-jie. The image acquisition and processing system based on TMS320VC5509A[J].Foreign Electronic Measurement Technology, 2011, 30(6)：65-68．

[11] 王紫婷, 姚晓通，张华卫.基于TMS320C5402在语音信号处理中的研究[J]. 兰州交通大学学报, 2004, 23(3):44-47.

Wang Zi-ting, Yao Xiao-tong, Zhang Hua-wei. Study Based on TMS320C5402 in Processing of Phonetic Signal[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2004, 23(3):44-47.

[12] 李双勋, 欧建平. TLV320AIC23在音频处理中的应用[J]. 国外电子元器件, 2003(10): 16-19.

Li Shuang-xun Ou Jian-ping. The Application of TLV320AIC23 in Audio Processing[J]. International Electronic Elements, 2003(10): 16-19.

[13] 孙国华, 揭建英. 基于DSP的多通道音频信号处理平台的设计[J]. 微型机与应用, 2011, 30(13): 10-12.

Sun Guo-hua, Jie Jian-ying. Design of multi-channel audio signal processing platform based on DSP[J]. Microcomputer & its Applications, 2011, 30(13): 10-12.

[14] 罗向东．基于FPGA与CY7C68013A的USB接口系统设计[J]．国外电子测量技术, 2010, 22(4)：96-98．

Luo Xiang-dong. Design of USB Interface Based on FPGA and CY7C68013A[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2010, 22(4)：96-98．

[15] 彭启琮. DSP集成开发环境:CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.

[16] 史明泉. 基于DSP的FIR滤波器的C语言算法实现[J]. 无线电工程, 2011, 41(1): 13-15.

Shi Mingquan. Implementation of C language Algorithm of FIR Filter Based on DSP[J]. Radio Engineering, 2011, 41(1): 13-15.