“数字信号处理”课程设计教学模式的探讨

赵亚湘， 李 宏， 王 玮

(中南大学 信息科学与工程学院， 湖南 长沙 410075)

“数字信号处理”课程设计教学模式的探讨

赵亚湘， 李 宏， 王 玮

(中南大学 信息科学与工程学院， 湖南 长沙 410075)

本文针对“数字信号处理”课程设计的教学目标及学生在学习该课程时存在的问题，围绕着课程设计的选题思想、实现方式等方面展开了研究和探讨。提出了多层次设计的选题思路，设计内容从易到难、从理论验证向实际工程应用过渡，在实现方式上采用单一或多种方式联合进行。在巩固和拓展学生所学理论知识的同时，提高了学生的实践动手能力，取得了很好的实践教学效果。

数字信号处理；课程设计；选题思路

0 引言

培养大学生的实践能力和创新能力是新时期大学教育的重要目标。国家大学生创新创业训练计划和卓越工程师计划的目标是培养造就一大批创新能力强、适应社会经济发展需要的各类型高质量的工程技术人才[1]。这些计划的实施促使高等学校转变教育思想观念，改革人才培养模式，强化对大学生的实践能力和创新能力的培养。

课程设计是大学课程体系中一项重要的实践环节，它能引导学生从单纯的理论学习逐渐过渡到实际工程应用中，培养学生理论联系实际的正确的学习和设计思想，是高等学校培养创新型人才的重要教学环节[2-3]。

“数字信号处理”是电气信息类本科专业的一门重要的专业基础课程。该课程理论抽象，数学推导复杂，计算公式繁多，给学生的学习造成了“难学难懂”的困扰[4-6]。为了帮助学生理解与掌握课程中的基本理论与基本分析方法，提高其综合应用所学知识分析问题和解决问题的能力,国内外许多高等学校在该课程之后又开设了“数字信号处理课程设计”这个重要的实践环节。

1 多层次的设计选题思想

当前，学生在学完“数字信号处理”理论课程后，普遍存在的问题有：通过课程学习，虽然掌握了许多基本概念和理论知识，但对于概念的物理含义以及如何辨识却模糊不清。如信号在时域、频域有不同的特性，大部分学生不清楚如何利用这些特点进行信号分析与处理；学到了许多信号分析与处理的方法，但却不知道如何具体应用以及应用在何处。如在滤波器的设计时，许多学生不会根据信号的特点选择滤波器的参数；在具体应用时，对于实际数字信号是什么形式没有一个明确的认识，数学表达与实际信号之间的关系与作用也不清楚，存在理论与实际严重脱节的现象；同时，此时学生刚进入大学高年级学习阶段，虽接触一些科研训练，但还没真正独立自主地进行过科研课题开发。

针对存在的这些问题，本着锻炼学生分析问题解决问题的能力、提高其科研创新能力的宗旨，在课程设计过程中我们采用循序渐进的设计方式，设置逐步加深的设计目标，设计过程也从基础到综合再到拓展应用，阶段性地渐近延展。

(1)基础型设计主要针对课程中的基本理论知识、重点和难点内容进行深化训练，巩固和强化已学知识。学生通过对实验过程中生成的数据和图形的观察，加深对知识点的理解和掌握，通过对实验结果的分析比较，熟悉数字信号分析与处理基本方法的应用。在做这类设计时，学生可快速掌握所采用的开发软件或硬件平台工具，为完成之后的综合设计打下良好基础。这部分的设计内容主要以信号与系统的时域、频域分析以及数字滤波器的分析与设计为主。如给定两个或多个频率分量的合成信号，在进行频谱分析时应如何选择信号的长度以分辨出多个频率分量同时避免频谱泄露。

(2)综合型设计是对基础型设计的提高，这部分设计内容将多个知识点串接在一起综合应用，以培养学生综合应用所学知识分析问题和解决问题的能力。同时，又在理论上对所学知识有所拓展，加入了一些相关课程知识点或一些新的理论和算法，增加了系统设计内容。如引入了多分辨率分析、短时傅里叶变化、小波变换、频分多址通信等内容，其中每一种变换和实现都有其独特的性质，学生可以通过实验仿真了解它们不同的特性和应用特点。如示例1：录制一段语音信号，对其按抽取因子D进行抽取，然后对抽取后的信号按内插因子I进行内插，观察抽取前后和插值前后信号的频谱变化，并播放相应的语音信号，对比处理前后的语音效果。最后根据信号频谱设计数字低通滤波器滤波恢复出语音信号，并与原信号进行比较。这里，D值的选取需根据语音信号的频率范围和原始抽样率。随着D值的增大，信号频谱扩展越宽，频率会出现混叠现象并越来越严重，低通滤波将很难还原出原语音信号。又如示例2：实现频分多址通信，将多个调制信号经不同载频调制后生成复用的已调信号，将该已调信号通过虚拟信道传输后，得到接收信号，从接收信号中通过滤波、解调还原出原调制信号。在这个过程中需要考虑信号的频率范围、载频的选择、信号的调制和解调以及不同滤波器的设计。

(3)应用扩展型设计是更高层次的设计阶段。在这一阶段，教师针对实际应用信号给出设计要求，将数字信号处理技术引入到实际信号的分析与处理中，如语音信号、图像信号、视频信号和生物医学信号等。这一层次设计中，只给出设计任务，需要的原始数据部分由教师给定，还有部分需要学生自行采集或搜集，数据的分析与处理方法并未设定，具体的设计步骤也没有给出。学生分组按照给出的设计要求查阅相关资料和文献，分析需要求解的问题，明确每个成员的设计任务，设计具体的实现方案并编程仿真实现。如示例3：选用或录制一段语音信号，对它进行特效处理，如回声处理、混响音效处理、信号均衡处理、变声处理等。又如示例4：对于一段视频序列，将其经过一些相关处理后提取出其中的运动目标。在这些设计中，学生首先需要查阅和学习相关的理论和算法，具体的设计步骤和设计方法也需要学生自己查找和不断尝试，找出最优的设计方案和设计参数，并可根据应用背景的不同进行改进。

2 多形式的实现方式

Matlab是一种广泛应用于数值分析与计算的工程计算语言。固其具有强大的科学计算与可视化功能，拥有为数众多的面向不同领域的工具箱支持，简单易学，编程效率高，从而受到越来越多的科研工作者的关注和喜爱[7]。Matlab中的信号处理工具箱包含了经典信号处理理论中的大部分内容，可用来快速而有效地实现信号与系统的分析、处理和设计等过程。因此，我们建议学生使用Matlab 作为开发工具来进行课程设计。

LabView是美国国家仪器(NI)公司研制开发的一种程序开发环境, 它采用图形化编程语言和数据流编程方式开发应用程序。LabView中包含了大量的信号生成、信号及系统分析与处理函数，结合相应的数据采集卡,可有效地实现各种数字信号分析与处理功能[8]。因此为了扩展学生的知识面，了解目前业界新的开发工具和开发流程，对于部分感兴趣的同学，我们也鼓励他们部分采用或完全采用LabView作为开发工具进行设计。

对于一些动手能力强且对硬件感兴趣的学生，我们鼓励他们利用DSP硬件开发平台进行设计。这些学生须自学DSP开发工具的基本使用, 熟悉DSP编程环境和系统资源的编程，并利用DSP系统完成课程设计任务。

3 设计效果

在课程设计过程中，我们通过观察和随机抽查发现：在基础型设计阶段，学生存在的主要问题是对于数字信号处理的一些基本概念模糊不清，同时对于开发软件不够熟悉，不能熟练应用其中的函数进行设计，通过复习课程所学知识和教师稍加指导后，一般都能顺利地完成这一阶段设计任务。在综合性设计阶段，学生需要独立查找一些相关的图书和资料，补充和拓展课本所学知识。如示例1中，语音信号通过时域抽样和插值后，其相应的幅频特性曲线变化如图1所示。其中，图1(a)、(b) 、(c)、(d)分别为原信号、抽取后信号、抽取后插值信号和通过低通滤波后的信号的幅频特性曲线，D、I及滤波器的参数需根据信号选择，此例中，选择I=D=3。通过观察图中频谱变化，学生可掌握随着信号时域抽样率的变化，相应频谱变化的特点以及如何利用这些特点进行数据压缩和传输，同时学生还需考虑频谱混叠问题以尽量避免影响还原信号。这部分主要培养了学生综合应用所学知识分析问题、解决问题的能力。

在应用扩展型设计阶段，学生需要按组分工协作，明确各人自己的设计任务和需要协作的部分，查阅相关资料和文献确定具体的设计步骤和方法。在设计过程中，学生可能会出现一些在开始时没有考虑到的问题，这些问题的出现，就要求学生根据出现的问题不断改进自己的设计方案并完善设计结果。如示例4中，学生通过分析比较不同的实现方法，确定采用帧间差分法来完成设计任务。在阈值化差分图像时，阈值的选择就是一个考验；阈值太大，无法检测出运动目标，而太小，则会将很多背景像素划分为目标像素。通过不断的尝试和比较，最后学生决定分别采用固定阈值和自适应阈值分割差分图像，并对分割结果进行了一定的形态学滤波处理。图2示出了运动目标检测过程。其中，图2(a)、(b)分别为相邻两帧图像，图(c)为它们的差分图像，图(d)为检测出的运动目标。虽然最后的检测结果还有待完善，但在这个过程中，许多知识学生在课堂中并没有学过， 他们需要边学边实践边调整设计处理方法，其自学能力和分析问题解决问题能力得到了很好的锻炼，并激发了他们对于信号处理领域的探索欲和求知欲。

图1 抽样率变化信号的幅频特性变化

图2 运动目标检测结果

(赵亚湘等文)

4 结语

“数字信号处理”课程设计是对其理论教学的有效补充和扩展。本文针对课程设计需要强化和解决的问题，探讨和研究了课程设计的选题思路、实现方式及教学理念，从不同方面和层次给出设计任务，其中每一层次有不同的设计要求和目的，从而多方面地培养学生的学习和实践能力，培养了学生的科学探究精神和创新能力，取得了很好的实践教学效果。

[1] 培养拔尖创新人才 改革工程实践教学--“本科工程教育实践教学改革研究”会议综述[J]. 武汉：高等工程教育研究, 2012(4): 50-52.

[2] 刘小康, 余洁冰.工科学生课程设计与综合素质培养[J]. 广州：高教探索, 2009(3): 133-134.

[3] 凌丹, 牟萍. 在综合课程设计中培养学生的创新能力[J]. 北京：中国大学教学, 2013(12): 58-59.

[4] 张安清, 林洪文, 陈洪泉. 《数字信号处理》课程教学改革与方法研究[J]. 长沙：高等教育研究学报, 2013, 36(4): 113-115.

[5] 黄允凯. 电气工程专业“数字信号处理”课程改革[J]. 南京：电气电子教学学报, 2015,37(1): 15-17.

[6] 黄青华,方勇,刘凯. “数字信号处理”课程综合项目教学方法[J]. 南京：电气电子教学学报, 2015, 37(6): 55-56.

[7] 伯晓晨,李涛,刘路. Matlab工具箱应用指南--信息工程篇[M]. 北京:电子工业出版社, 2000年1月.

[8] 陈锡辉,张银鸿. LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M]. 北京:清华大学出版社, 2007年7月.

Research on Teaching Mode of Digital Signal Processing Course Design

ZHAO Ya-xiang, LI Hong, WANG Wei

(SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Aimed at the teaching goal of Digital Signal Processing course design and the existing problems in students′ learning this course, this paper explores and discusses the topics choosing and implementation about the course design. The multi-level idea for topic selection is proposed, and the design content transition from easy to difficult, from theory to practical application, can be implemented in one or more joint ways. Through this process, the students' knowledge is consolidated and their practice abilities are improved, thus good teaching results are achieved.

digital signal processing；course design; idea for topic selection

2016-08-20;

2016-11- 20

中南大学“数字信号处理”开放式精品示范课堂项目(160050114)

赵亚湘(1966-)，女，博士，讲师，主要从事数字信号处理、图像处理等方面的教学和科研工作，E-mail：yxzhaocs@sina.com

G642

A

1008-0686(2017)04-0128-04