《數(shù)字信號處理》的優(yōu)化設(shè)計探討

陳　嘉

摘要：《數(shù)字信號處理》課程實用性強、理論內(nèi)容豐富但概念抽象，因此作為學(xué)生，學(xué)習(xí)起來勢必會力不從心。從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度，闡述了《數(shù)字信號處理》的優(yōu)化設(shè)計，探討了數(shù)字信號處理》的課程的改革優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；課程優(yōu)化；方案

中圖分類號：TN911.7文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

Optimal Design of "Digital Signal Processing"

CHEN Jia

（Cai Family Commissioner of Guizhou University of Electrical Engineering College Campus,Zhouyang 550003, China）

Abstract: "digital signal processing" courses practical and theoretical abstract concept but rich in content, as a student, learning together is bound to Impossible. From the perspective of student learning, described the "digital signal processing," the optimal design, digital signal processing of the "optimization of the curriculum reform programme.

Keywords: Digital signal processing; Optimization of courses; Programme

《數(shù)字信號處理》作為電子與信息工程學(xué)科的主干課程，其主要任務(wù)是以通信和控制系統(tǒng)的應(yīng)用為背景來研究信號傳輸與處理的基本理論和基本分析方法。盡管其內(nèi)容都已相對穩(wěn)定，所涉及的理論和分析方法也都比較成熟和經(jīng)典，但是，信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，作為面臨著和社會直接接軌的學(xué)生來說，實現(xiàn)《數(shù)字信號處理》課程的優(yōu)化設(shè)計事在必行。

1 數(shù)字信號處理課程優(yōu)化設(shè)計概述

“數(shù)字信號處理”是信息工程專業(yè)信號類課程的一門主干課，前導(dǎo)課是“信號與系統(tǒng)”。“數(shù)字信號處理”課程理論性較強，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生普遍反映抽象、難學(xué)。對此，1999年以來，一方面引進課件（清華大學(xué)出版的“數(shù)字信號處理多媒體CAI教程”）進行課內(nèi)外的計算機輔助教學(xué)，另一方面加強了與前導(dǎo)課“信號系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容的銜接與協(xié)調(diào)，去掉不必要的重疊。從2003年起，將線性離散系統(tǒng)和z變換部分的教學(xué)內(nèi)容放在了“信號與系統(tǒng)”課程中去進行，讓學(xué)生提前在較早的時間就接觸離散系統(tǒng)部分的教學(xué)內(nèi)容，既分散了難點，又為“數(shù)字信號處理”課程中的消化不良現(xiàn)象騰出了時間，為深入改革課堂理論教學(xué)提供了新的機會。

但是，“數(shù)字信號處理”畢竟是一門概念性較強的課程，多年來，我們?nèi)匀灰恢逼毡楦械匠橄箅y學(xué)。通過最佳一致逼近的瑞米茲（Remez）交換算法優(yōu)化設(shè)計這一環(huán)節(jié)教學(xué)工作為例可以看出，課程改革的成功，需要多個教學(xué)環(huán)節(jié)改革的協(xié)調(diào)配合，包括課堂理論的CAI教學(xué)改革、教學(xué)法研究、習(xí)題課及課程設(shè)計改革等。課程改革成功與否，還可以在相關(guān)畢業(yè)設(shè)計中得以體現(xiàn)。

“數(shù)字信號處理”課程的優(yōu)化設(shè)計中，最佳一致逼近的瑞米茲交換算法最為重要，它是FIR（有限沖激響應(yīng)）數(shù)字濾波器的主要優(yōu)化設(shè)計方法，F(xiàn)IR濾波器在具有任意的幅度特性的同時具有嚴(yán)格的線性相位，F(xiàn)IR經(jīng)過一定的延時后可以將非因果有限長序列變成因果的有限長序列，所以在數(shù)字信號處理中得到廣泛應(yīng)用。

2 數(shù)字信號處理課程優(yōu)化方案

2.1 學(xué)習(xí)方法優(yōu)化

在學(xué)習(xí)上采取重點和難點突破，簡單的或應(yīng)用場合不多的可以少學(xué)或自學(xué)；對于復(fù)雜問題進行歸納和簡化，以使自己易于理解。如在學(xué)習(xí)如何根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)的零點和極點位置來判斷系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性時，闡明了問題的實質(zhì)，即“某一頻率處的幅度響應(yīng)與單位圓上該頻率點到所有零點和極點的距離有關(guān)，零點附近的幅度響應(yīng)是極小值，極點附近是極大值”。抓住這一基本概念后就可以自己去理解教材上的例題。同時結(jié)合這一概念，理解在設(shè)計FIR濾波器時，必須根據(jù)具體要求，對系統(tǒng)單位取樣響應(yīng)的對稱性作出正確的選擇，這樣該概念就由抽象復(fù)雜變得簡單明了。另外根據(jù)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容采取靈活多樣的學(xué)習(xí)方法如：設(shè)問誘思法，換位思考法，逆向思維法，比喻法，例舉法，分類對比法，模型構(gòu)建思維法等。通過對學(xué)習(xí)方法的優(yōu)化可以激活學(xué)生的思維，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2.2 應(yīng)用與實踐課程的并進

眾所周知，數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)已在極其廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。我們認(rèn)為，如仍按以往的內(nèi)容實施數(shù)字信號處理課程的學(xué)習(xí)和實驗，已不能適應(yīng)DSP技術(shù)高速發(fā)展的需要。

首先，以往開設(shè)的數(shù)字信號處理課程以理論為主，涉及到實際應(yīng)用的內(nèi)容基本上局限在數(shù)字濾渡器的設(shè)計等方面，且由于本課程的課時限制，能安排為實驗的學(xué)時一般較少，因此，學(xué)生所能掌握的DSP技術(shù)是很有限的。

其次，DSP技術(shù)本身在飛速發(fā)展，尤其是高速DSP芯片的廣泛應(yīng)用，對這一領(lǐng)域?qū)I(yè)人才需求已日趨緊迫。而這方面的技術(shù)和有關(guān)課程 往我們是在碩士研究生階段開設(shè)的，本科生對高速DSP技術(shù)了解甚少，應(yīng)該樸上這一課。因種種原因，學(xué)生的硬件實踐環(huán)節(jié)不是加強，相反有削弱的趨勢，特別是設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)。

所以我們應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)?shù)拇胧┮蕴岣咦陨淼膭邮帜芰Α?/p>

本課程雖然是理論課，但它與實踐關(guān)系密切，如果僅僅講授理論知識，我們對理論知識的理解往往是膚淺的、表面的。因此我們必須加大了實驗環(huán)節(jié)，利用一些信號處理軟件如Matlab、Systemview等，改變已有的演示驗證性實驗?zāi)Ｊ剑黾泳C合設(shè)計性實驗。以此激發(fā)我們學(xué)習(xí)參與實驗的積極性，使在學(xué)習(xí)課程基本概念、基本理論和基本方法的同時，也培養(yǎng)自身獨立分析、解決問題的能力。在實驗中，遵循驗證和設(shè)計相結(jié)合的原則，采取舉例為輔，設(shè)計為主的方法，達到拋磚引玉的效果。通過實驗，我們既學(xué)會了利用軟件分析解決問題的

方法，同時也加深了對所學(xué)知識的理解。例如在IIR濾波器設(shè)計實驗中，教師給出利用沖激響應(yīng)不變法設(shè)計濾波器的范例，要求我們設(shè)計雙線性變換法濾波器程序，并在頻譜分析的基礎(chǔ)上，用此濾波器對帶噪信號進行濾波。通過實驗，我們既驗證了所學(xué)理論，又利用Matlab語言作為工具編程實現(xiàn)了理論和概念的仿真，鍛煉了設(shè)計分析能力。

2.3 強調(diào)概念的物理意義和應(yīng)用

就“數(shù)字信號處理”的概念抽象難懂、涉及數(shù)學(xué)知識較多、公式推導(dǎo)繁瑣等問題，我們改革并豐富傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)手段，開發(fā)并完善適合學(xué)習(xí)的多媒體輔助系統(tǒng)，充分發(fā)揮現(xiàn)代手段的優(yōu)勢。例如，可以利用Authorware、Flash等工具制作動畫，將抽象的概念感性化，以形象生動的圖像、動畫來展示理論內(nèi)涵。這樣可以啟發(fā)自身的思維，培養(yǎng)自身的學(xué)習(xí)興趣，實施形象學(xué)習(xí)。例如，對于信號采樣及恢復(fù)問題，在介紹時采用了動態(tài)演示的方法 將采樣及恢復(fù)過程用Flash動畫形象的表現(xiàn)出來。這樣一來，一方面使抽象的過程生動起來，使自身加深理解，另一方面也激發(fā)了自身的學(xué)習(xí)興趣。

由于“數(shù)字信號處理”課程中大量的理論和結(jié)論都是通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式得到，所以我們往往過于注重公式推導(dǎo)或證明，而不能理解其實質(zhì)和用途。針對這種情況，在學(xué)習(xí)中特別要強調(diào)結(jié)論的物理意義和應(yīng)用，尤其是結(jié)合科研實踐給出理論在圖像處理、語音信號處理方面的具體應(yīng)用以此加深自身理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

例如，離散付里葉變換DFT是頻域分析的有效工具，信號的頻譜分析在通信、圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域都占有非常重要的地位，因此在該章的學(xué)習(xí)中，除了對其概念及性質(zhì)的介紹，還對其應(yīng)用進行了舉例說明。例如，一個信號由10Hz、20Hz和30Hz的三個正弦信號構(gòu)成，即

X(t)=sin(2π×10t)+sin(2π×20t)+2sin(2π×30t)

且該信號被隨機噪聲污染，在時域中很難確定其組成成分，我們可以利用Matlab編程實現(xiàn)離散付里葉變換，分析出該信號的成分。設(shè)采樣頻率為500Hz，如圖1所示：

圖1 信號頻譜分析

圖1(a)為純凈時域信號；圖1(b)為受到噪聲干擾的時域信號，從圖中可以看出噪聲較大，已經(jīng)看不出信號的周期性；圖1(c)為該信號的頻譜，可見信號集中在10Hz、20Hz和30Hz三個頻率上。通過這樣的直觀結(jié)果可以增強自身的感性認(rèn)識，加深對DFT概念的理解。

3 結(jié)語

《數(shù)字信號處理》是一門非常重要的課程，因此在適應(yīng)素質(zhì)教育對電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)的要求下，我們結(jié)合自身實際情況對該課程進行優(yōu)化改革。

實踐證明，隨著通信技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)對《數(shù)字信號處理》的優(yōu)化設(shè)計，有利于提高課時效率，有利于拓寬專業(yè)知識面，有利于培養(yǎng)和加強自身系統(tǒng)設(shè)計能力和實踐能力，有利于加強自身素質(zhì)教育的課程改革，諸如課程內(nèi)容的劃分與銜接、學(xué)習(xí)內(nèi)容的主次安排及增刪、實驗課程的設(shè)置和實踐環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌。

但是，如何在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮自身的主動性，將多更多方案應(yīng)用于學(xué)習(xí)，使自身學(xué)習(xí)效果達到最優(yōu)，有待我們進一步探索和實踐。

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收稿日期：2008-04-05

作者簡介：陳嘉（1984-），男，學(xué)歷本科，單位：貴州大學(xué)蔡家關(guān)校區(qū)電氣工程學(xué)院。