數(shù)字信號處理研究型實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)探索與實(shí)踐

林連冬

(黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著大學(xué)畢業(yè)生就業(yè)形勢的改變，在新的世紀(jì)里高等教育除了注重培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生外，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手操作、知識的綜合運(yùn)用、獨(dú)立解決問題，以及科技論文寫作等能力，才能培養(yǎng)出滿足社會需要的實(shí)用型人才[1]。因此，實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的重要手段，受到越來越多的重視[1，7]。

為了滿足培養(yǎng)應(yīng)用型人才的需要我校電子工程學(xué)院的各個專業(yè)從2010年開始研究設(shè)立符合各專業(yè)特色的電子類實(shí)訓(xùn)課程，其目的就是把各專業(yè)的主干課程聯(lián)系起來，理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生通過獨(dú)立完成一個完整的電子系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)加深專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)實(shí)際操作能力。本文以電子信息科學(xué)專業(yè)的DSP技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程為例，從電子類專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程的題目設(shè)計(jì)原則、實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)考核方法以及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)中的不足和改進(jìn)方案等方面進(jìn)行了闡述。為今后開展各類研究型實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)工作進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐[8]。

1 DSP實(shí)訓(xùn)課程題目設(shè)計(jì)原則

首先依據(jù)我校電子工程學(xué)院的辦學(xué)特色，并根據(jù)我校電子工程學(xué)院的師資、教學(xué)科研、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況及社會對信息類人才的需求等情況，確定了我院電子信息科學(xué)專業(yè)才培養(yǎng)模式:即培養(yǎng)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信號與信息處理方向的專業(yè)人才。培養(yǎng)學(xué)生熟悉電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法、信號與系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，掌握各類信息獲取、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)。能夠熟練地使用數(shù)字信號處理器、數(shù)字信號仿真分析工具，掌握常用的電路系統(tǒng)開發(fā)工具同時具備較強(qiáng)的工程設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用能力[2]。

DSP實(shí)訓(xùn)課程題目設(shè)計(jì)的首要原則是要符合我院電子信息科學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案。其次還應(yīng)該結(jié)合DSP實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)來制定，DSP驗(yàn)室主要是通過面向現(xiàn)代數(shù)字信號處理工程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，突出技術(shù)實(shí)用性和現(xiàn)代性等特點(diǎn)，切實(shí)提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力。最后題目的設(shè)計(jì)還應(yīng)該體現(xiàn)在課程體系中的不同課程之間的相互關(guān)聯(lián)性，這樣才能更加接近實(shí)際應(yīng)用，鍛煉和提高學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用能力。

由于DSP實(shí)訓(xùn)課面向大三學(xué)生開設(shè)，在此之前學(xué)生們已經(jīng)學(xué)習(xí)過“信號與系統(tǒng)”、“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“數(shù)字信號處理”、“數(shù)字電路”、“微機(jī)原理”等專業(yè)課程。按以上原則選擇的實(shí)訓(xùn)題目是基于DSP技術(shù)的DTMF信號產(chǎn)生與Goertzel檢測算法的實(shí)現(xiàn)[3]。

2 DSP實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容的具體設(shè)計(jì)

雙音多頻 DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的傳輸速度，可以在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛地用來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)流和語音等信息的遠(yuǎn)程傳輸。

將DTMF信令的產(chǎn)生與檢測工作集成到一個基于數(shù)字信號處理器(DSP)的系統(tǒng)中，是一個能夠綜合訓(xùn)練數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的實(shí)訓(xùn)題目[4]。

DSP實(shí)訓(xùn)的教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括:① DTMF信號的產(chǎn)生算法原理——數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì)原理，DTMF信號的檢測原理——Goertzel檢測算法原理;② 基于Matlab2012的DTMF信號產(chǎn)生與檢測算法GUI仿真程序設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;③基于TMS3205402的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì);④基于CCS500的DSP程序設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;⑤系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。下面討論教學(xué)中的一些關(guān)鍵問題。

2.1 DTMF信號產(chǎn)生原理

DTMF編碼，將8個頻率分為高頻群和低頻群兩組，分別作為列頻和行頻，每一個按鍵的頻率模式由來自于列頻和行頻的兩個頻率疊加而成。DTMF信號的生成方法有三種，計(jì)算法、查表法和數(shù)字正弦振蕩器。用計(jì)算法求正弦波的離散序列值程序設(shè)計(jì)容易，但實(shí)際應(yīng)用時會占用計(jì)算時間，使系統(tǒng)運(yùn)行速度變慢。查表法是先通過Matlab將正弦波的序列值計(jì)算出來并寄存在存儲器中，運(yùn)行時只要按順序和一定的速度取出便可。這種方法要占用較多的存儲空間，但是速度快。第三種方法是利用數(shù)字振蕩器來實(shí)現(xiàn)不同頻率信號的疊加，這種方法通過迭代的方法計(jì)算出不同頻率的正弦信號序列，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算速度快，節(jié)省內(nèi)存，因此在實(shí)際應(yīng)用中我們選擇了這種方法[6]。

數(shù)字振蕩器的本質(zhì)是，使用一個 IIR(Infinite Impulse Response)濾波器，通過把它的極點(diǎn)放在單位圓上面來產(chǎn)生振蕩[8-15]，

可以得到正弦序列x(n)的z變換為:

式(2)設(shè)計(jì)一個二階IIR濾波器，使其系統(tǒng)傳遞函數(shù)就是正弦序列x[n]的z變換。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

由傳輸函數(shù)得出該系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，在單位圓上有2個復(fù)共輒極點(diǎn)，由極點(diǎn)位置可以得出，系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)為一恒定幅度的振蕩信號，即所需的正弦信號。由系統(tǒng)函數(shù)求得差分方程:

式(4)是一個二階差分方程，其單位沖激響應(yīng)就是sin wt。由式(3)可得數(shù)字振蕩器系統(tǒng)流程圖如圖1所示:

圖1 數(shù)字振蕩器系統(tǒng)流程圖

2.2 數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證

由式(3)可知，系統(tǒng)參數(shù)如下:

式中:f0為輸出信號的頻率;k為正弦信號的幅值;fs為采樣信號頻率(8 kHz);w0為歸一化數(shù)字頻率。

根據(jù)上面的參數(shù)，代入輸出信號的頻率可以得到產(chǎn)生不同頻率正弦信號所需要的參數(shù)(見表1)。

表1 數(shù)字振蕩器參數(shù)表

基于CCS500的數(shù)字振蕩器DSP調(diào)試結(jié)果如圖2數(shù)字按鍵‘1’的產(chǎn)生仿真圖所示，其中(a)圖是697 Hz+1 209 Hz的時域圖形(即代表數(shù)字按鍵‘1’);圖(b)是頻譜圖結(jié)果。通過圖2可以看到仿真結(jié)果和預(yù)期結(jié)果一致。

圖2 數(shù)字按鍵‘1’DTMF信號產(chǎn)生仿真圖

2.3 DTMF信號的檢測算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

DTMF信號檢測算法即是對輸入信號進(jìn)行頻譜分析并從中搜索出有效的行頻和列頻。計(jì)算數(shù)字信號的頻譜可采用DFT及其快速算法FFT而采用Goertzel算法要比FFT更快。因?yàn)閷τ贒TMF信號只用關(guān)心其8個行頻/列頻及其二次諧波信息即可(二次諧波的信息用于將DTMF信號與聲音信號區(qū)別)。此時Goertzel算法能更快速地在輸入信號中提取頻譜信息。

Goertzel算法的系統(tǒng)差分方程:

系統(tǒng)的輸出方程:

因?yàn)橹恍枰辣粰z測信號譜值的信息，所以對式(5)取模，得到式(6)。可以看到，在實(shí)際的運(yùn)算中已經(jīng)不包含復(fù)數(shù)運(yùn)算。

DTMF信號檢測的仿真圖如圖4所示。

圖4 DTMF信號檢測圖

DTMF系統(tǒng)的輸入信號是由矩陣鍵盤得到的信號，輸出的判斷結(jié)果由液晶顯示器進(jìn)行顯示，這里矩陣鍵盤的讀取與控制我們采用HD7279A芯片，HD7279A是一款具有SPI串行接口的器件，可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管及管理最多64鍵鍵盤，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能，大大簡化電路設(shè)計(jì)，占用資源極少。液晶顯示采用LCM12864芯片，為了減少系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，以及系統(tǒng)的靈活配置，我們采用CPLD芯片作為外圍芯片與TMS54C02之間的連接控制芯片。由于篇幅的限制，這里我們不再對電路功能和原理進(jìn)行闡述[5]。

3 DSP實(shí)訓(xùn)課程的考核方法

參與實(shí)訓(xùn)課程的班級有40名學(xué)生，為了能夠?qū)γ恳粋€學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行有效的監(jiān)督和考核我們采取了如下方法:

(1)分組考核制。把學(xué)生按照4人一組分成10組，以小組為單位獨(dú)立完成設(shè)計(jì)。每個小組成員負(fù)責(zé)一個方向的工作。比如，1個同學(xué)負(fù)責(zé)Matlab程序設(shè)計(jì)，另外1個負(fù)責(zé)CCS程序開發(fā)及設(shè)計(jì)，第3個同學(xué)負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)，最后1個同學(xué)負(fù)責(zé)FPGA程序開發(fā)及撰寫報告。

(2)考核形式。為了使每個同學(xué)都能夠在實(shí)驗(yàn)中有所收獲，除了按照最后的報告給成績外，我們還要求每個小組的學(xué)生都要以答辯的形式進(jìn)行考核。

(3)考核成績。考核總成績由平時成績+作業(yè)成績+答辯成績等三部分組成，所占比例分別為10%，40%，50%。所以答辯成績對于學(xué)生來說非常重要，因此也就督促學(xué)生們在上課時更加認(rèn)真的準(zhǔn)備。

4 教學(xué)中的不足和改進(jìn)方案

經(jīng)過一個學(xué)期的教學(xué)工作，我們總結(jié)出工作中存在以下一些不足和待改進(jìn)的地方，以及改進(jìn)方案。

(1)實(shí)驗(yàn)題目數(shù)量不足。從效果上看不能完全的保證杜絕不同組之間進(jìn)行抄襲的現(xiàn)象，解決方案:開發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)題目，比如數(shù)字濾波器，數(shù)據(jù)采集等，最好是保證每一組都有不同的任務(wù)。

(2)實(shí)驗(yàn)學(xué)時的限制。應(yīng)該讓每一個組員都能夠熟悉并動手實(shí)踐軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，報告撰寫等工作，但由于學(xué)時的限制，現(xiàn)在每個人只能完成整個設(shè)計(jì)的一部分工作。解決方案:增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時。

(3)互動不足。由于實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)屬于開放性實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)時間都是由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并完成設(shè)計(jì)，因此在遇到問題時，不能及時求助老師。解決方案:建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，在網(wǎng)站上發(fā)布學(xué)習(xí)計(jì)劃，各種資料，并回答學(xué)生的問題，對論文設(shè)計(jì)工作進(jìn)行在線指導(dǎo)。

5 結(jié)語

討論了綜合實(shí)訓(xùn)類課程合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善實(shí)驗(yàn)考核形式的重要性。并且通過基于DSP的DTMF信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個完整的例子，解釋了綜合實(shí)訓(xùn)類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程和教學(xué)方法。通過一個學(xué)期的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)這種綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)訓(xùn)類課程非常受學(xué)生的歡迎，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果，同時也激勵我們開發(fā)更多地綜合性實(shí)訓(xùn)類的實(shí)驗(yàn)題目，滿足學(xué)生們的學(xué)習(xí)愿望。

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