數字信號處理課程教學方法探討

數字信號處理已成為電子信息專業本科生和研究生的一門重要的專業基礎理論課。本文根據作者長期的教學經驗，針對工科類大專本科院校學生學習數字信號處理的現狀，分析了數字信號處理課程的特點，提出教學中存在的“理論難與基礎差”之間的差距問題，給出了具體的教學方法，并在教學中提倡可視化教學。通過多年教學實踐證明效果顯著。

數字信號處理教學內容教學方法MatLAB

一、前言

目前，數字信號處理已成為國內外很多大學電子信息專業本科生及研究生的一門重要的必修專業基礎理論課。各個大專院校投入了大量的人力與物力，進行了該課程的基本建設和改革，各院校教師也投入了大量的時間和精力，積累了大量的寶貴經驗，用于促進教學。

數字信號處理主要講述離散信號的基本概念、快速Fourier變換（FFT）、數字濾波器（DF）等，包含了如FFT、DF等純數學定義及其推導過程，枯燥無味，教學過程如同講授純數學。本文結合我校十多年的電子信息相關專業的教學實際，在教學實踐基礎上，針對我校特點對教學內容和方法進行了總結和探討，并提出相應的改革方案。

二、教學內容

1.教材內容的精心組織：數字信號處理教材繁多，理論強，難度大，難以適應以工程為背景的數學相對薄弱的學生。根據教學需求，我們查閱了國內外的很多教材，有目的地精選了教材內容，并將其裝訂成講義。

為了適應我校學生的特點，我們選擇從連續信號開始講起，在復習中講授離散時間信號的知識點；從連續信號的Fourier變換引出離散Fourier變換，再講授FFT，同時復習采樣定理等內容；從模擬濾波器的設計引出無限沖激響應的數字濾波器設計，再講授有限沖激響應。我們還提供大量經過精心設計的習題，以幫助學生掌握課程的內容，彌補了該課程學時較少的缺點。

同時，我們選用由程佩青編著的清華大學出版社出版的教材《數字信號處理教程》(第二版)作為參考教材，該書對信號處理的基礎理論和基本算法進行了充分的論述與討論，條理清楚，深入淺出，有利于學生更牢固地掌握數字信號處理的基本概念及基本理論。

2.精心組織教學內容：數字信號處理內容理論性強，晦澀難懂，很多概念涉及到大量數學公式的推導，學生普遍反映枯燥無味。為了讓學生在有限的學時(共42～48學時，含6學時實驗)內更好地掌握數字信號處理的基本知識點，對數字信號處理的授課內容進行了精心安排和選擇，精簡了部分內容，重點講授基本概念和關鍵結論，最后以專題的形式講解數字信號處理在信息學科中的應用。避免大量冗長復雜的公式推導，豐富了教學內容，提高了學生的興趣。

我們把數字信號處理的基本內容分成四大部分：第一部分復習關于信號與系統的基礎知識，包括Fourier級數、Fourier變換、Laplace變化和z變換；第二部分內容是采樣定理、離散信號，以及DTFT變換、DFT變換及其快速實現算法FFT。重點要理清各種變換之間的關系，便于學生系統地掌握知識；第三部分內容是濾波器的結構及設計。通過深入詳細地分析其結構、特點及與之前學過的知識點之間的聯系，使學生真正理解和掌握各種數字濾波器的設計方法；第四部分內容是以專題的形式講解典型工程信號的檢測與分析，并重點講述信號處理中較為實用的技術及算法。

3.保證理論教學與實驗教學同步進行

我們總共安排學生6學時實驗，分別為信號的產生與采集、信號的FFT分析、濾波器設計。要求學生在熟悉MatLAB的情況下采集信號，并對信號進行回放、顯示、放大、縮小等操作，然后對不同頻率、不同幅值的信號進行FFT譜分析，畫圖說明譜的含義，最后對這些信號進行濾波，并比較信號在濾波前后的頻譜變化。每一部分的實驗與課堂內容相結合，與課堂教學節奏相符，以便學生及時掌握課堂內容，最后我們還有一次數字信號處理的綜合實驗，完全由學生完成信號的獲取、譜分析、濾波等操作。

三、教學方式

1.理論內容的可視化

目前，很多國外高校采用Matlab仿真方法來完成數字信號處理的相關理論教學，并與實驗教學環節結合，做到基本原理和基本運算可視化、可操作化。這里的“可視化”和“可操作化”是國外大學所提供的一個在理工科教學中很好的思路和解決方法。從各個高校布置的實驗上看，還有大型化和多系統仿真的趨勢，難度較大，使學生對復雜的理論能夠動手操作，提供了一些解決實際問題的機會，也使學生能更加深入地理解和掌握數字信號處理課程所教授的內容。

2.縮短純理論教學時間，增加實踐演示環節

數字信號處理包含了大量的抽象理論，涉及復雜的數學公式推導過程。因此，在進行理論講解之前，利用MATLAB仿真實驗讓學生感受到算法及抽象理論的作用和性能，提高他們的興趣和求知欲，以便切實參與到教學中。例如，奈奎斯特定理比較抽象，如果一開始直接講解其推導過程，學生理解起來比較困難，教學效果差。相反，先用MATLAB軟件演示信號的采樣與重建，并且通過設定不同的采樣頻率。觀察抽樣后信號的頻譜圖，可以很明顯地看到采樣頻率小于信號最大頻率的兩倍時，產生的頻譜混疊現象。這時，有目的地提出奈奎斯特定理，并且利用黑板板書的形式進行推導，就能有力地抓住學生的思維，取得良好的教學效果。

3.理論與實踐并重

加強實驗環節教學實驗教學是工科大學教學中一個重要環節，它是學生鞏固所學理論知識、培養學生創新能力的重要途徑。數字信號處理是一門理論與實踐密切相關的課程，僅通過課堂的理論教學和少量的課外輔導，學生還是完全停留在對理論知識的表面認識上。為此。加強實驗教學環節，讓實驗教學與理論教學同步進行，以便及時有效地加深學生對理論知識的鞏固和理解，并且能夠將理論應用于實踐。

該課程共設置了三個實驗和一個綜合性實驗，其中前三個實驗為基礎性實驗，例如：利用序列的傅立葉變換，對離散信號及系統響應進行頻域分析、濾波分析，最后的大型實驗為綜合性實驗，要求學生用雙線性變換法設計IIR數字濾波器、用窗函數法設計FIR數字濾波器，然后用頻譜分析濾波器設計的正確性。

通過自己動手編寫程序，既鞏固了理論知識，又鍛煉了分析問題、解決問題的能力。

四、結語

數字信號處理是電子信息工程專業的基礎專業課程，也是其他專業如機械測試、振動與信號處理、醫學圖像處理、生物醫學信號處理的前導課程，理論性和實踐性很強，必須在教學內容、教學手段和實驗教學方面不斷地進行探索和嘗試。今后，我們將繼續進行教學研究，不斷完善理論教學和實驗教學過程，力爭讓學生更好地理解和掌握理論知識，并且能夠將其運用于實踐。

參考文獻：

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