数字信号处理课程改革探索

郭秀梅

山东农业大学信息科学与工程学院 山东泰安 271018



数字信号处理课程改革探索

郭秀梅

山东农业大学信息科学与工程学院 山东泰安 271018

摘 要：数字信号处理课程是电子、通信类专业的必修课程，针对该课程实用性强、内容抽象难懂等特点，结合我校学生学习的实际情况对该课程进行了相应的教学改革。在理论教学环节：丰富教学手段和方法，注重形象化教学，强调抽象的概念的物理意义，凸显Matlab工具和微课堂在理论教学中的作用。实验教学环节：注重学生动手能力的训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的能力。实践表明该课程教学改革取得了良好的效果。

关键词：数字信号处理；理论教学改革；实验教学改革

数字信号处理是高等院校电子信息、通信工程类等专业的核心专业课之一，是后续学生解决实际问题必不可少的理论工具。由于该课程具有理论性强，概念抽象，理论和实践并重等特点，加上学生数学基础相对薄弱，信号与系统课程的知识掌握、理解不到位，导致学生在学习本课程时具有一定的困难。如何更好地帮助学生系统地掌握和理解该课程中的基本概念、原理，培养学生将所学知识运用到实际问题中能力，以适应人才培养需求，是本课程教学过程中所要解决的关键问题。我们结合本校学生的实际情况，从理论和实践两方面进行相应改革，经过两学期的教学验证，效果显著。

1 理论教学改革

1.1 整合教学内容

数字信号处理课程在内容安排上具有承前启后的作用，先修课程为信号与系统，后续课程为DSP原理及应用，这3门课程形成信号与系统课程体系。它们在内容上存在一定的交叉和重复。我校数字信号处理课程安排在大三上学期，理论课仅有40个学时，如何在有限的时间内传授给学生最多的知识量成为一个关键问题。为此我们与信号与系统、DSP原理及应用任课教师就3门课程之间的重复内容进行研究，明确分工，制定统一的教学大纲，使得每门课程教学内容简单明了，并且满足后续课程的需要。数字信号处理课程的核心教学内容［1］由离散傅里叶变换和数字滤波器设计两大主线构成。围绕这两个主线，遵循以讲授基本概念原理、掌握基本技能为主，兼顾内容的系统系和完整性，确定了数字信号处理课程的教学内容［2］如图1所示。

图1

1.2 丰富教学手段和方法

数字信号处理这门课程存在概念多、抽象难以理解，公式推导烦琐等问题，如何将枯燥抽象的概念形象化展现给学生，仅靠传统的教学方式远远不够，现代化的教学手段和丰富多样的教学方法显得尤为重要。在实际的教学过程中，我们采用板书和多媒体教学相结合的方案。两种方式相互补充，扬长避短。对于一些公式的推导，如果采用多媒体教学的话，屏幕内容翻新太快，学生来不及思考，因此这部分内容采用板书。对于难以接受的抽象概念，学生需要形象直观的认识，我们利用图形和动画，使难以理解的内容形象化。比如频域这个概念，学生接受起来就相当吃力。如何让学生将时域信号与它的频谱形象直观的对应起来呢？我们可以通过板书推导出信号频域变换公式，然后通过图形的方法，让学生理解频域的概念。图2中的a图代表一个时域信号，b图代表a信号有哪些正弦波信号合成，我们把b图在z轴方向上投影，投影后的横轴为频率大小，纵轴代表该频率的正弦波的幅度，便可得到c图。c图代表的是该时域信号哪些频率的正弦波构成，相应的幅度各为多少，即为改时域信号的频谱。这样学生可以对频域有了比较直观的认识和理解。

图2 频谱的形成过程

讲授奈奎斯特抽样定律，我们制作了Flash动画演示整个抽样过程，通过动画分别演示抽样频率小于、等于、大于2倍信号最高频率时的现象，让学生形象直观的加深了对抽样定理的理解和记忆。因此多样化的教学手段对课堂教学效果起着非常重要的促进作用。

1.3 凸显Matlab的作用

Matlab具有强大的数据分析、处理［3，4］和人机交互功能，它针对信号处理与分析有专门的工具箱和数学函数，方便我们对信号进行傅里叶变换、时域和频域分析、数字滤波等处理。例如：计算数据的离散快速傅时叶变换的FFT，IFFT，FFT2，IFFT2，CZT和滤波器设计的FIR1，FIR2，BUTTER、BUTTORD，CHDBY1，CHEB1ORD，CHDBY2，CHEB2ORD，ELLIP，ELLIPORD等，同时Matlab还提供了数字信号处理工具箱，这些工具可以是我们很容易地将抽象难懂的问题形象化展现给学生，便于学生掌握和理解。

例如很多同学难以理解高密度谱和高分辨率谱，为什么只有增加信号有效长度才能提高频率分辨率，而序列后面补零不改变分辨率？例如图3中的时域信号，当取0≤n≤9时，从相应10点DFT图形中无法看出相关的频谱信息；如果该信号后面补90个零点，然后100点的DFT，从相应频谱图中可以看出，此时的谱线相对于10点DFT的谱线相当密，故称为高密度谱线图。但是从100点的DFT频谱图中，也很难看出信号的频谱部分。如果我们对x（n）加长取样数据，得到长度为N=100的序列，再做100点的DFT时，此时相应的X（k ）图中可以清晰地看到信号的频谱成分，这称为高分辨频谱。这样学生就对这两个概念有了直观的认识，加深了对它的理解。因此在教学过程中，我们加大了Matlab仿真图的比重，实践表明，该方法可以有效地帮助学生理解抽象的概念，增强了课堂教学效果。

图3 高密度谱和高分辨率谱

2 实验教学改革

数字信号处理课程是一门理论和实践相结合的课程，如果仅仅讲授理论知识，达不到学以致用的效果，因此我校增加了实验教学环节，从本学期将实验课时由8个增加至16个。实验分为基础性验证实验、综合性设计实验，以满足不同层次学生的需求。基础性验证实验安排在学生学完具体的知识点，紧跟着上机用Matlab编程验证，这样便于学生及时对所学理论有形象直观的认识。综合性设计实验是涉及本课程的综合知识，让学生解决一些实际问题的实验。通过实验，学生不仅学会了用软件分析解决问题的方法，同时加深课堂所学知识的理解。例如在滤波器设计时，对于同样的设计指标，可以让学生分别用IIR和FIR滤波器实现，IIR滤波器可以采用冲击响应不变法，也可以采用双线性变换法，既可以用巴特奥斯滤波器逼近，也可以采用切比雪夫滤波器逼近，充分发挥学生的潜能。编写完程序，分析频谱特性，并能用滤波器实现信号去噪功能。这样一个综合型设计实验可以让学生更好地理解滤波器的设计过程和具体应用，加深学生对滤波器这部分知识的理解和把握。图4为语音信号去噪仿真图，学生通过分析结果，并通过Matlab声音还原函数，让学生通过倾听语言信号去噪前后的效果，让学生深刻理解滤波的神奇作用。

图4 语音信号去噪处理

3 结束语

随着数字化快速发展，数字信号处理的重要性日益增加，提高数字信号处理的教学质量和效果有着非常重要的意义。本文结合我校的实际情况，针对数字信号处理课程的特点，从理论教学和实验教学两个环节进行相应的教学改革，下一步准备引进网络教学课堂因素，把学生难以理解的知识点用微课的形式展现。这些有益的探索和尝试，教学效果得到显著提高。

参考文献

［1］程佩青.数字信号处理教程［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［2］丁玉美.数字信号处理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.

［3］英格尔（Ingle V.K.）.数字信号处理（MATLAB版）［M］.第2 版.刘树棠，译.西安:西安交通大学出版社，2008.

［4］陈怀琛.数字信号处理教程：MATLAB释义与实现［M］.第3版.北京:电子工业出版社，2013.

Exploring the Teaching Pattern of Digital Signal Processing

Guo Xiumei
School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Taian， 271018， China

Abstract:The course of digital signal processing course is a required course for the specialist students of electronics and communication. Because DSP is a practical course， and the content is very abstract， we propose teaching reform to the course combined with the actual situation of the students in our school. In theory teaching， we enrich the teaching methods， pay attention to visual teaching， emphasize the physical meaning of the abstract concept， and highlight the role of matlab. In the experiment teaching， we pay attention to the training of the student beginning ability， train the students' ability to integrate theory with practice and the ability of of analyzing and resolving problems. Practice shows that the teaching reform has obtained the good effect.

Key words:digital signal processing； reform of theory teaching； reform of experiment teaching

收稿日期：2015-12-11

作者简介：郭秀梅，讲师，博士。

基金项目：山东农业大学信息学院教研项目。