電氣工程專業“數字信號處理”課程改革研究與實踐

摘要：針對電氣工程專業學生的知識體系結構，探討了面向該類專業的“數字信號處理”課程的體系結構、授課內容、實驗設計的改革研究與實踐，并圍繞課程改革進行了教材建設。

關鍵詞：電氣工程；數字信號處理；課程改革

作者簡介：歐陽華（1978-），女，湖北仙桃人，海軍工程大學電氣工程學院，副教授；錢美（1974-），男，江蘇鹽城人，海軍工程大學電氣工程學院，講師。（湖北 武漢 430033）

基金項目：本文系海軍工程大學2011年教育科研課題的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0054-02

數字信號處理（Digital Signal Processing）是從20世紀60年代以來，隨著信息科學和計算機科學的高速發展而迅速發展起來的一門新興學科，它以數字計算機和專用數字信號處理系統為工具，用數值計算方法對信號進行分析、濾波、變換、估計等處理。[1]

數字信號處理技術是信息科學的重要組成部分，隨著其基本理論、方法和技術的迅猛發展和廣泛應用，“數字信號處理”課程已經不僅是傳統的無線電技術專業的必修課程，而且已成為許多工科專業的共同基礎。由于該課程特定的發展歷史，該課程的體系結構、授課內容、成熟教材大部分是針對電子工程專業的，對于電氣工程專業學員的知識體系結構來說并不適合。電氣工程專業的課程設計沒有“信號與系統”課程作為先導，必須先給學員補充信號分析與系統分析的相關基礎知識。另外，電氣工程專業涉及的強電信號頻率相對較低，信號幅值較高，而且多為緩變信號，信號處理的對象與方法與弱電略有不同。因此有必要進行課程體系和內容的改革，并建設適合電氣工程專業的“數字信號處理”入門基礎課程教材。

電氣工程專業“數字信號處理”課程改革研究與實踐以專業建設為導向，在課程體系、課程內容和實驗設計上作深入的探討，并圍繞課程改革進行了教材建設。

一、國內高校電氣工程專業開設“數字信號處理”課程的基本情況

20世紀80年代末我國在無線電專業研究生和部分高年級本科生教學中引入“數字信號處理”課程，隨后推廣為電子信息類專業本科生的專業基礎課。

電氣工程與自動化專業[2]涉及電力系統、電機系統、電力電子裝置及系統、工業自動化系統等，具有強弱電結合、軟硬件結合、電氣工程專業知識與自動化信息基礎知識結合和專業面寬的特點。電氣系統和自動化系統都廣泛地涉及信號分析和處理技術。自動化系統中按一定的控制規則得出的控制信號、系統狀態的估計，控制對象數學模型的確定、系統測量噪聲的剔除，直至自適應控制、智能控制等都通過信號的分析和處理來實現。電機、電力系統的故障分析和診斷、電力系統的微機保護、電能質量分析與控制等更是數字信號處理技術的直接應用例子。隨著電工學科的進一步發展，數字信號處理技術在電氣工程領域的作用和影響必將越來越大。

因此，信息科學學科的核心課程——“數字信號處理”也成為電氣工程學科專業基礎課。電氣工程學科該課程不能照搬作為信息科學專業基礎的“數字信號處理”，而應根據培養電氣工程與自動化專業人才的需要安排具體內容，既要補充“信號與系統”中信號與系統以及頻譜的基本概念，又不能重復“電路原理”和“自動控制理論”的內容；既要為專業課提供必要的基本概念和基本原理，又不能變成簡單的專業知識介紹。電氣工程與自動化專業開設“數字信號處理”應有它自己的教學內容和體系。

正是為了適應這一學科建設和發展的需求，各高等學校電氣工程與自動化專業越來越重視類似于“數字信號處理”課程的建設。[3]西安交通大學電子與信息工程學院自動化系將“數字信號處理”列為自動化專業核心課程，北京交通大學電氣工程學院將“信號分析與處理”課程列為電氣工程及其自動化專業（包括科學技術型和工程技術型）專業基礎課程，浙江大學電氣工程學院也開設了“信號分析與處理”課程。[4]2000年海軍工程大學在電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、計算機科學與技術等三個專業中新開設了“數字信號處理”課程。[5]

二、課程體系的改革

根據前述在電氣工程學科開設“數字信號處理”課程的目的及意義，結合學生的專業背景，我們在相對穩定中追求變革，研究適合電氣工程專業需要且與當代信息科學發展相適應的課程體系。根據培養電氣工程與自動化專業人才的需要安排具體內容，補充“信號與系統”中信號與系統以及頻譜的基本概念，將拉普拉斯變換原理與應用放在“電路原理”中講授，將狀態空間移至“自動控制原理”課程講授。強調信號分析和處理的基本原理和方法。

在課程框架設計上注重學員的能力培養，突出數字信號分析是基礎，數字系統分析是橋梁，仿真分析為手段，實現原理、方法和應用的有機結合。在內容安排上積極引入信息技術領域的發展成果，優化課程體系，更新教學內容。在實驗設置上緊貼專業應用背景，做到學以致用。

三、教學內容的改革

教學內容改革的基本思想是，在理論上研究如何以當代信息科學的觀點講授經典理論；在實踐上研究如何突出工程應用軟件的應用，如何突出信號處理技術在電氣工程中的應用。

課程教學內容的改革主要表現在三個方面。

1.根據專業的特點精選內容，避免重復，注意銜接

在自動控制理論中對系統已經進行了充分的介紹和講解，離散系統的基本知識和Z變換學生已經學過。所以在教學中僅簡單介紹這部分內容?？紤]到電氣工程專業主要對過程控制和運動控制中的一些模擬量進行處理，為此，適當增加數據采集和模擬信號轉換方面的內容。在教學中，由連續信號分析過渡到離散信號分析，便于學生鞏固和應用以前所學的知識。

2.注重經典理論與現代電氣技術的結合

課程教學效果成敗的關鍵不在于學生認識和記憶了多少定義、定理的條文，而應注重正確引導學生運用數學工具分析典型的物理問題。[6]雖然信號處理的應用領域由傳統的電氣工程向電氣工程擴展，但許多經典理論只需稍微補充、修正即可適用于電氣工程領域。把握好這一原則將有利于在講述傳統內容的過程中充分體現時代氣息，處理好經典理論的闡述與最新技術引進的相互融合。例如在建立“信號傳輸”概念時，可以從全球定位系統、個人通信技術和國際互聯網等實例引入，營造了當代信息科學飛速發展的濃厚氣氛。同時，介紹信息流、能量流、管理流互動的智能電網的概念，實現電氣電子的交叉融合。

3.理論聯系實際，注重培養學生解決問題的能力

我們注重講清基本概念和方法，介紹信號處理技術的應用，不過分強調數學公式的推導和證明。例如講解頻譜分析時，介紹其在微機保護、故障診斷、頻率跟蹤檢測方面的應用。

為了加強MATLAB實踐環節訓練，加深學生對基本概念和理論的理解，在理論教學中隨時滲透MATLAB的應用，不少例題在理論求解后給出MATLAB實現的結果，兩相對照，既掌握了理論推導方法，也實現了計算機仿真設計和驗證。MATLAB的應用使學生養成積極思考、善于推導的良好習慣，又使學生深入理解必要的物理概念。課堂PPT中，大部分波形圖均是由MATLAB繪制，尤其是講授濾波器設計時，直接調用FDATool工具箱，幫助學生掌握設計的核心指標和方法。在作業中，也有一些MATLAB仿真小作業，這也是國內外大部分院校采取的方法。

三、實驗設計的改革

如何通過實踐環節來培養工科大學生的創新意識以及如何更好地開展實驗教學問題已成為當前高等院校工科專業教學改革的熱點與難點問題?！皵底中盘柼幚怼闭n程開課伊始就是理論與實驗算法并重，其實驗體系較為完善。我們在實驗設計方面改革的基本思想是立足基礎驗證實驗，注重綜合設計實驗。

MATLAB仿真軟件使用簡單、功能強大，兼有豐富的工具箱和軟件包，因此首選MATLAB作為實驗仿真工具。具體而言，實驗內容分為五個：實驗一——信號的時域分析。實驗二——信號的頻域分析。實驗三——濾波器設計基礎。這三個實驗是基礎實驗，通過實驗，要求學生掌握MATLAB語言的基本使用方法，并能夠采用該語言實現信號分析和系統設計。實驗四——信號的抽樣與恢復，該實驗是綜合設計實驗，要求學生根據信號頻譜分析得到的頻率成分，實現模擬信號的抽樣與恢復。實驗五——信號濾波，該實驗是自主設計實驗，要求學生綜合應用信號頻譜分析和數字濾波器設計的知識，實現信號濾波。

此外，作為后續實驗改革的一個方向，在課堂上給學員進行了LabVIEW虛擬實驗演示。LabVIEW虛擬儀器和MATLAB仿真軟件各有利弊。MATLAB編程過程類似于數學演算，并具有強大的命令集和信號處理工具箱，是目前數字信號處理的標準語言，對于訓練學員信號處理的算法實現技巧、培養綜合應用能力極有裨益，但對圖形支持不夠，編程較為復雜。LabVIEW虛擬儀器使用獨特的圖形化編程技術，用軟件代替儀器功能，人機界面友好，使用方便，將其應用于“數字信號處理”教學，使學生能直觀地領會和理解“數字信號處理”課程的分析方法和處理結果。但若作為本科實驗程序設計語言，則由于學時和學員知識結構限制，實驗內容將會限于演示驗證實驗，不利于培養學員綜合利用DSP理論分析和解決實際問題的能力。因此，是否在實驗中引入LabVIEW虛擬儀器，是完全替代MATLAB還是兩者互為補充，這個問題教研組還在進一步的考慮之中。

四、“數字信號處理”教材建設

課程建設，教材為先。為體現數字信號處理基本概念、原理和方法，結合電氣工程及其自動化等專業的需求，我們特編寫了《數字信號處理》教材。教材內容豐富，強調基本理論、基本概念和基本方法，注重內容的時代性和前沿性，將計算機仿真工具MATLAB與教材內容緊密結合，增設了相應的例題與習題，充分體現了經典與現代相結合，基本理論與工程技術相結合，解析方法與計算機輔助分析相結合的特點。全書條理清楚，深入淺出，有實例，便于自學。教材緊緊抓住數字信號這條主線，重點介紹信號處理、分析的基本原理和方法。補充“信號與系統”中信號與系統的基本概念，強調傅里葉變換、頻譜和頻率響應的概念。盡量避免與“自動控制原理”和“電路分析”的內容重疊，弱化拉普拉斯變換的地位。教材另外一個重要的特點是將MATLAB這個工具在信號處理技術中的應用貫穿于全書，使學員在學習了基本概念、方法后能夠用計算機對信號進行分析處理，一方面能加深對基本概念、原理的理解，一方面為后續畢業設計、科學研究打下良好基礎。

長期以來，學生感覺“數字信號處理”等課程內容難學難用，主要原因是信號處理類課程具有較強的理論性和實踐性，學生沒有將理論與實踐相結合，造成對數字信號處理原理和方法的理解不深刻，對數字信號處理技術應用不靈活。我們根據多年來的實踐教學經驗，編寫了“信號分析與處理”實驗指導書，作為內部講義以供學員使用。實驗指導書分為三個模塊：信號的分析與處理、系統的分析與設計、信號處理綜合應用。

五、結束語

本文探討了電氣工程專業“數字信號處理”課程改革研究的一些思考和做法。課程改革與建設是一個需要持之以恒而又與時俱進的工作，其間總會產生新的問題，形成新的看法，我們將進行進一步研究討論，做好教書育人工作。

參考文獻：

[1]奧本海姆，謝弗，巴克.離散時間信號處理[M].第2版.劉樹棠，黃建國，譯.西安：西安交通大學出版社，2001.

[2]趙光宙，等.關于電氣工程與自動化專業中信息課程的一點認識[C].全國高校電氣信息類（電氣工程與自動化）專業面向21世紀教學改革第三屆研討會論文集.武漢，1999：130-135.

[3]靳希，楊爾濱，趙玲.信號處理原理與應用[M].第2版.北京：清華大學出版社，2008.

[4]趙光宙.信號分析與處理[M].第2版.北京：機械工業出版社，

2008.

[5]尹為民，歐陽華，錢美.數字信號處理[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]鄭君里.教與寫的記憶——信號與系統評注[M].北京：高等教育出版社，2005.

（責任編輯：劉輝）