“数字信号处理”课程教学方法探索与研究

贺伟?陈国振

摘要：“数字信号处理”是电子信息及其通信工程专业的一门专业必修课程，数字信号处理技术在通信、生物医学、故障检测和航空航天等多个领域都得到了广泛的应用。为进一步提升教学质量，培养合格的专业技术型人才，从相关专业课程优化整合、教学方式方法探索以及实践环节等方面深入探讨，对本门课程的教学方法改革做了良性的探索工作，且实践证明效果良好。

关键词：数字信号处理；教学质量；课程优化；实践；探索

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0159-02

“數字信号处理”是电子信息及其通信工程专业的一门重要专业必修课程。数字信号处理的处理对象是数字信号，处理方式是数值运算，信号处理相比较具有许多优点，诸如：灵活性高；高精度和高稳定性；便于大规模集成；对数字信号可以存储、运算，系统可以获得高性能指标等。自1965年以来，这门学科基本形成了一套完整的理论体系，在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信、生物医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、自动化仪表等领域已取得了广泛的应用。该门课程作为普通高等本科生的专业基础课，主要学习其基本理论和基本分析方法。[1]该门课程是一门理论和实践、原理和应用紧密结合的课程。针对数字信号处理的这些特点，同时为帮助学生理解和掌握数字信号处理的基本概念、基本原理及其分析方法，锻炼学生应用所学知识解决实际问题的能力，培养工程实践创新能力。为此，课程组对“数字信号处理”课程教学方法，不断探索研究，经过不懈努力，笔者对该课程及其先修课程进行了优化整合，探索课堂教方法，重视实践环节，提高该门课程的教学效果。

一、“数字信号处理”及其与先修课程的整合

“高等数学”、“工程数学”、“信号与系统”是学习“数字信号处理”的先修课程。其中“高等数学”和“工程数学”属于基础课程，而“信号与系统”和“数字信号处理”是两门核心专业课程，为今后学习“现代数字信号处理”和“DSP技术”等起着基础铺垫作用。对“信号与系统”和“数字信号处理”进行优化整合大体思路如下：

第一，“信号与系统”这门课程主要内容包括两大系统和三个变换，分别为连续系统和离散系统、傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换。这些是学习“数字信号处理”的基础，“数字信号处理”的主要内容包括：时域离散信号与时域离散系统；时域离散信号与系统的频域分析；离散傅立叶变换（DFT）；快速傅立叶变换（FFT）；时域离散系统的基本网络结构和分析法；IIR滤波器的设计；FIR滤波器的设计。这些又都是“信号与系统”在离散系统中的进一步扩展和延伸。第二，在“数字信号处理”学习过程中，对于离散信号与离散系统、Z变换等内容由于已经在“信号与系统”课程中进行了相应的分析学习，故而可以考虑把课堂让给学生，告诉学生重点、难点，以及要求突出数字信号处理和系统的分析。让学生在课下查阅文献及参考资料，并抽同学在下次课上对该部分内容进行讲授，这样可以充分调动学生的积极性以及学习热情。第三，能正确区分傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换和离散傅里叶变换这四大变换的数学概念、物理概念和工程概念。[2]在学习完“数字信号处理”中的DTFT和DFT之后，上面提到的四种变换将全部学完，笔者到时候要引导学生对这几种变换进行归类总结。

通过对“信号与系统”和“数字信号处理”两门课程内容的剖析和梳理，对其相关内容进行优化整合，使其各自在保持相对独立和完整的前提下，能够进行深入的融会贯通，形成有机统一的专业课程体系。另外，在教学方式和方法、实践教学手段以及师资队伍建设等各个环节有待进行深入研究。

二、教学方法探索

1.传统教学与多媒体授课相结合

“数字信号处理”是建立在数学基础上的一门学科，它承袭了数学的基本特点，课程中概念定理偏多、公式繁多，课堂上若仅仅凭借PPT课件，难以让学生对概念有深入的理解和系统的认识，尤其在公式推导过程中，多媒体软件所表现出的不足就会更加明显。[3]传统教学中的板书授课速度相对较慢，利于学生思考，在板书的过程中可以边写边进行讲解，诱导深入，由浅入深，循序渐进，把知识的衔接点在黑板上通过推导展现给同学们。再者长期的多媒体教学形式过于单一，学生在思想上也容易产生厌倦情绪，适时加入板书可以起到提高学生注意力的效果，这样才可以使学生从根本上接受新知识，并对其理解、掌握和应用。

板书教学在数学讲授中具有较好的效果，可是在“数字信号处理”这门课的课堂全部用板书授课就会使课堂变成数学理论课，给学生一种繁琐、枯燥的感觉。再者板书过于单调，难以满足授课中遇到的抽样、卷子、频谱分析、信号滤波等比较抽象难懂的知识点。而多媒体软件，诸如Flasf和PPT等，具有形象生动的特点，把多媒体软件授课引入课堂辅助传统授课方式，就可以将抽象问题形象化，复杂问题简单化，创造出宽松的授课环境，激发学生学习激情，提升学习效率。

Matlab软件由于其较好的仿真效果，可以把抽象化的概念理论直观化，通过软件仿真把一系列的理论概念以图片或声音的形式呈现给人们，正是Matlab仿真软件的这些特点使其在数字信号处理方面具有很广的应用范围。把Matlab软件引入课堂，可以使理论和工程实践结合更加紧密，使复杂抽象的理论概念得以直观的演示，并使学生能对其所学的理论知识在实际应用中有一个初步的认识。

图1为一个长度为16点的有限序列x[k]=cos（2πrk/N），N=16，r=4，利用Matlab计算16点序列x[k]的512点DFT。从图1可知对x[k]序列进行512点的DFT，可以得到频谱函数X（ejΩ）更为全面的细节，由于序列N点的离散Fourier变换XN[m]就是序列DTFT X（ejΩ）一个周期内的N个等间隔抽样。[4]序列x[k]进行16点的DFTX[m]可以完全恢复原始序列x[k]。

传统教学与媒体授课相结合，图形并茂，声音和动画相辅助，充分利用课堂资源，调动学生积极性，在有限的时间内，给学生提供更多的信息量，彰显素质教育的主旨，将理论和实践有机结合，使学生学会多角度、多层次地思考解决问题。

2.课堂和课下相结合

当今社会电子信息、Intel网技术高速发展，人们每天接收的信息日益增大，学生们对不懂的知识习惯求助于网络，这也为学生们自主学习创造了条件。“数字信号处理”这门课程理论性较强，数学公式偏多，不少学生在不知道其学习意义的前提下，往往容易被数学公式所累，失去学习兴趣。为了提高课堂效果，可以在课堂上留出十分钟左右的时间介绍下次课所要讲授的重点，并给出相应的专业论坛，让学生通过网络资源去自己了解相应课程内容的重点、难点以及在生活中的应用。在下次课开始时老师可以根据学生的自学情况让其自由发言，讲述本次课自身的认识、应注意的环节和在工程实践中的应用价值。

“数字信号处理”这门课程需要掌握的细节性知识较多，全部把希望寄托于课堂，所能达到的效果只能是差强人意，这就要求学生们在每节课之后要多做总结和复习。为了使复习更具有目的性，可以把《数字信号处理多媒体CAI教程》推荐给同学们，由于多媒体CAI课件是经过教学目标确定、教学内容和任务分析、教学活动结构和界面设计而成，重点难点突出，具有友好的人机交互性能，让多媒体CAI课件来辅助学生课后复习和预习可以起到事半功倍的效果。例如，在讲解过奈奎斯特定理之后，为了更进一步理解奈奎斯特定理以及在不同抽样频率情况下，对信号频谱的影响，图2所示即为在自然抽样方式下小于二倍信号最高频的信号时频域的显示图。从图2可以清晰得出奈奎斯特抽样定理的基本特征，可见借助多媒体CAI课件来复习这些知识点会起到强化加深的效果。

三、重视实践环节

实践环节是做到理论联系实际的根本，把课堂上所学的理论知识加以灵活应用，更好地为生产生活服务，这是实践环节的出发点。

1.Matlab仿真软件

Matlab语言在学术界和工程界被广泛应用，已经成为科研工作人员进行数值计算、系统仿真、数字信号处理与交流的事实标准平台。Matlab软件语法简单，语句和数学描述近似，能够将复杂的信号处理及仿真算法用简洁的代码表达，便于学习、交流和仿真验证，[5]并且具有完备的电子信息专业专用的函数库和工具箱，可以大幅度提高研发和设计的效率。

数字信号处理中涉及到的离散Fourier变换、离散Fourier变换快速算法、IIR和FIR数字滤波器的设计以及功率谱估计等都可以让学生在实验课上借助于Matlab仿真软件进行仿真实现和验证。学生通过实时编程仿真对所学理论知识进行形象化和直观化的实现，切实加强学生对相关理论的认识和把握，提高学生积极主动学习的能力，增进其探索精神，为将来步入工作岗位打下较强的工程实践基础。

2.DSP實验平台

数字信号处理课程设计是实践环节的延伸，学生通过为期一周的课程设计初步了解DSP实验设备的基本使用方法，能进行熟练的编程和调试操作，熟悉DSP编程环境和基本工作原理，掌握CCS软件使用方法。围绕相应的培养目标给学生下达任务书，让学生亲自动手操作DSP开发试验装置，真切感受到理论知识在实际中的应用。笔者试验室所提供的DSP芯片是TMS320C64X系列，通过该试验开发平台引导学生用C语言在CCS上进行编程调试实现FFT算法、卷积算法、FIR和IIR算法，对程度较好的同学可以尝试做一些类似于交通灯控制、数码管显示、实时滤波和信号发生等试验。通过对DSP试验平台的操作训练，加深了解DSP芯片的相关功能，培养学生的动手能力，使学生学会如何利用工具手册来解决未知问题，为培养应用型人才做好充分的准备。

四、结束语

“数字信号处理”是一门必修专业课程，并且难度相对较大，为了使学生学好本门课程，更好地为今后学习和工作服务，多年来课程组老师在教学内容、方式方法、实际环节探索等方面都做了探索性的尝试和改革。通过多年的实践及其学生反馈，证明教学改革取得的效果良好，为广大师生一致认可。

通信技术、计算机技术和电子信息技术日新月异，数字信号处理技术和手段飞速发展，诸如：HHT、盲源分离和压缩感知等新型理论和算法不断涌现，作为一名专职教师，有责任和义务把新知识、新技术和新理论引入到课堂中，在不断学习、变革中把握专业发展动态，丰富和深化课堂内容，更好地为学生服务，为社会发展培育出合格的专业技术型人才。

参考文献：

[1]丁玉美，高西全.数字信号处理[M].第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[2]蔡成林，吴海燕，杨玲.“数字信号处理”教学改革的研究与探索[J].湖南人文科技学院学报，2011，（2）：137-139.

[3]郭淑婷，牛莹.“数字信号处理”课程教学方法探索[J].中国电力教育，2011，（23）：78-79.

[4]陈后金，薛健，胡健.数字信号处理[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[5]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.

（责任编辑：王意琴）