新工科背景下数字信号处理课程教学方法探讨

韩建 牟海维 姜晓岚 吕秀丽 邢志方

摘要：数字信号处理是电子信息类专业的主干课程之一，是一门理论与实践相结合，理论联系实际的桥梁和纽带，是实践性较强的专业课程。为适应新工科对电子信息人才培养需求，针对本课程工程性强的特点，对该课程的教学方法进行探索和实践。采用语音信号为处理对象，对语音信号进行频率变换和数字滤波处理，涵盖了本课程主要知识点，提升了学生工程实践动手能力和创新意识，在教学中取得了较好效果。

关键词：信号处理;新工科;频谱分析;滤波器设计

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）11-0185-02

一、引言

数字信号处理需要牢固掌握离散时间信号的z变换、离散傅里叶变换、数字滤波器的基本理论和实现方法，熟练地进行信号频域分析，能够完成两种数字低通滤波器的设计，培养学生的实践操作能力、实事求是的科学态度。结合数字信号处理课程既有完整的理论体系，又与各种新技术及应用密切相关的特点，从工程实践视角重构教学内容，利用仿真平台进行实践教学活动，重视课程互动教学、实验教学、目标导向教学和项目案例教学融合进行数字信号处理课程的教学改革探讨[1，2]。本文以学生录制本人语音信号为对象，贯穿整个数字信号教学过程当中，如信号频域变换和分析、对比语音信号经过滤波器前后变化，学生参与教学当中，既能提升学习兴趣，也能加深对知识点理解，提升工程意识和思维能力[4-6]。

二、教学方法

教师是教学主体，学生是教学中心，新工科背景下的数字信号处理课程改革，以目标为导向，采用互动式教学讲解基本理论和基本分析方法，采用实验和项目结合方式进行示例教学模式，整个数字信号处理过程以语音信号为对象，贯穿信号频率变换和滤波器处理整个过程。涉及教学过程如图1所示。

三、语音信号获取

利用MATLAB进行学生本人语音信号采集和存储，采用R=audiorecoder（8000，16，1），设定计算机声卡采集参数，本例设定采样率8000Hz、16bits存储、单声道模式。Pause（8）采样时间设定8s。

voice=getaudiodata（8000，16，1），进一步得到录制的音频信号，赋值为变量voice。

语音信号以设定播放和存储功能，通过声卡录制的语音波形如图2所示。

四、频谱变换和滤波器设计

数字信号处理课程知识点多，内容繁杂，学生学习有一定畏惧心理，教师在教学过程中一定要化繁为简，从顶层开始逐步分析，首先数字信号处理内容主要分为两个方面，第一个方面为时域信号计算和频谱变换分析，主要知识点为信号离散傅里叶变换，变换真正的为公式（1）所示。

本公式和现行数字信号处理教材有一定区别，主要为逆变换公式前面的系数1/N挪到正变换前，符合工程实际信号，同时注意变换时能量守恒，并且频谱没有负值，所以在乘以2倍，这样得到的是信号真实峰值，所以及MATLAB计算FFT时幅度谱要乘以2/N原因，频谱幅度对应信号真实的峰值。用频率为横坐标，纵轴为频谱赋值即为时域信号峰值。原始语音信号图2变换后得到幅度谱如图3所示。

数字信号处理第二个方面为滤波器设计，主要包括IIR型和FIR型两种滤波器类型。以往在实验过程中重视滤波器本身参数设计，分析滤波器幅频特性和相频特性，但是对学生而然难于理解。本文介绍如何语音信号通过设计好的低通滤波器后，对比声音效果，这样现象明显，理解深刻。利用fdesign.lowpass函数设定滤波器参数，计一个采样频率8000Hz的低通滤波器，通带截止频率1200Hz，阻带截止频率1400Hz，通带衰减最大3dB，阻带衰减最小30dB，为IIR型滤波器，采用Filter函数数字滤波器过程实现。也可以利用FDATool工具箱得到滤波器系数，通过编写对应差分方程进行滤波处理。理解采样频率概念，给出频域信号幅度和频率坐标。

语音信号经过低通滤波器的时域信号波形如图4所示，滤波后语音信号对应频谱如图5所示，對比信号滤波处理前后，并且通过扬声器回放声音，可以反复设计滤波器参数，可以听到声音信号明显有所区别。

五、结论

为了新工科建设对课程改革要求，数字信号处理结合自身特点和优势，把案例式教学一直融入到教学中来，理论和实践并存，通过每个学生录制自己的语音信号，增强学生学习兴趣的同时，提升工程实践能力，深刻理解和掌握理论如何应用到实践中去，通过信号实例教学，工程问题理解深刻，明白了必须知道采样频率量纲，才能标定后续参数，深刻理解频率幅度物理概念等关键问题，为创新型卓越工程人才提供必要支撑。

参考文献：

[1]曹霞，王波，张红利.新工科背景下数字信号处理课程的改革[J].学园，2017，（25）：23-24.林英，

[2]曹新亮，邵婷婷，丁文飞，项目驱动教学法在《数字信号处理技术》课程中的应用[J].高教学刊，2015：6-9.

[3]何朝霞.数字信号处理实验教学改革的探索[J].实验室科学，2015，18（3）：103-104.

[4]赵楠，李世豪.Matlab在语音信号处理教学中的应用[J].实验科学与技术，2015，13（6）：54-57.

[5]沈希忠.数字信号处理课程的应用型教学模式探索[J].高教学刊，2016，（22）：98-99.

[6]李彤.创新设计课程项目驱动教学法探索[J].计算机教育，2015，（9）：72-74.

Discussion on Teaching Method of Digital Signal Processing Course under New Engineering Background

HAN Jian， MOU Hai-wei， JIANG Xiao-lan， LU Xiu-li， XING Zhi-fang

（School of Electronic Science， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318，China）

Abstract：Digital signal processing is one of the main courses of electronic information specialty. It is a bridge and link between theory and practice， and it is a practical professional course. In order to meet the needs of the training of electronic information talents in the new engineering subject， the teaching methods of this course are explored and practiced according to the strong engineering characteristics of this course. Using the speech signal as the processing object， the speech signal is processed by frequency conversion and digital filtering， which covers the main knowledge points of this course， improves the students' practical ability of engineering and the consciousness of innovation， and achieves good results in teaching.

Key words：signal processing; new engineering; spectrum analysis; filter design