新工科背景下數字信號處理課程教學方法探討

韓建 牟海維 姜曉嵐 呂秀麗 邢志方

摘要：數字信號處理是電子信息類專業的主干課程之一，是一門理論與實踐相結合，理論聯系實際的橋梁和紐帶，是實踐性較強的專業課程。為適應新工科對電子信息人才培養需求，針對本課程工程性強的特點，對該課程的教學方法進行探索和實踐。采用語音信號為處理對象，對語音信號進行頻率變換和數字濾波處理，涵蓋了本課程主要知識點，提升了學生工程實踐動手能力和創新意識，在教學中取得了較好效果。

關鍵詞：信號處理;新工科;頻譜分析;濾波器設計

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）11-0185-02

一、引言

數字信號處理需要牢固掌握離散時間信號的z變換、離散傅里葉變換、數字濾波器的基本理論和實現方法，熟練地進行信號頻域分析，能夠完成兩種數字低通濾波器的設計，培養學生的實踐操作能力、實事求是的科學態度。結合數字信號處理課程既有完整的理論體系，又與各種新技術及應用密切相關的特點，從工程實踐視角重構教學內容，利用仿真平臺進行實踐教學活動，重視課程互動教學、實驗教學、目標導向教學和項目案例教學融合進行數字信號處理課程的教學改革探討[1，2]。本文以學生錄制本人語音信號為對象，貫穿整個數字信號教學過程當中，如信號頻域變換和分析、對比語音信號經過濾波器前后變化，學生參與教學當中，既能提升學習興趣，也能加深對知識點理解，提升工程意識和思維能力[4-6]。

二、教學方法

教師是教學主體，學生是教學中心，新工科背景下的數字信號處理課程改革，以目標為導向，采用互動式教學講解基本理論和基本分析方法，采用實驗和項目結合方式進行示例教學模式，整個數字信號處理過程以語音信號為對象，貫穿信號頻率變換和濾波器處理整個過程。涉及教學過程如圖1所示。

三、語音信號獲取

利用MATLAB進行學生本人語音信號采集和存儲，采用R=audiorecoder（8000，16，1），設定計算機聲卡采集參數，本例設定采樣率8000Hz、16bits存儲、單聲道模式。Pause（8）采樣時間設定8s。

voice=getaudiodata（8000，16，1），進一步得到錄制的音頻信號，賦值為變量voice。

語音信號以設定播放和存儲功能，通過聲卡錄制的語音波形如圖2所示。

四、頻譜變換和濾波器設計

數字信號處理課程知識點多，內容繁雜，學生學習有一定畏懼心理，教師在教學過程中一定要化繁為簡，從頂層開始逐步分析，首先數字信號處理內容主要分為兩個方面，第一個方面為時域信號計算和頻譜變換分析，主要知識點為信號離散傅里葉變換，變換真正的為公式（1）所示。

本公式和現行數字信號處理教材有一定區別，主要為逆變換公式前面的系數1/N挪到正變換前，符合工程實際信號，同時注意變換時能量守恒，并且頻譜沒有負值，所以在乘以2倍，這樣得到的是信號真實峰值，所以及MATLAB計算FFT時幅度譜要乘以2/N原因，頻譜幅度對應信號真實的峰值。用頻率為橫坐標，縱軸為頻譜賦值即為時域信號峰值。原始語音信號圖2變換后得到幅度譜如圖3所示。

數字信號處理第二個方面為濾波器設計，主要包括IIR型和FIR型兩種濾波器類型。以往在實驗過程中重視濾波器本身參數設計，分析濾波器幅頻特性和相頻特性，但是對學生而然難于理解。本文介紹如何語音信號通過設計好的低通濾波器后，對比聲音效果，這樣現象明顯，理解深刻。利用fdesign.lowpass函數設定濾波器參數，計一個采樣頻率8000Hz的低通濾波器，通帶截止頻率1200Hz，阻帶截止頻率1400Hz，通帶衰減最大3dB，阻帶衰減最小30dB，為IIR型濾波器，采用Filter函數數字濾波器過程實現。也可以利用FDATool工具箱得到濾波器系數，通過編寫對應差分方程進行濾波處理。理解采樣頻率概念，給出頻域信號幅度和頻率坐標。

語音信號經過低通濾波器的時域信號波形如圖4所示，濾波后語音信號對應頻譜如圖5所示，對比信號濾波處理前后，并且通過揚聲器回放聲音，可以反復設計濾波器參數，可以聽到聲音信號明顯有所區別。

五、結論

為了新工科建設對課程改革要求，數字信號處理結合自身特點和優勢，把案例式教學一直融入到教學中來，理論和實踐并存，通過每個學生錄制自己的語音信號，增強學生學習興趣的同時，提升工程實踐能力，深刻理解和掌握理論如何應用到實踐中去，通過信號實例教學，工程問題理解深刻，明白了必須知道采樣頻率量綱，才能標定后續參數，深刻理解頻率幅度物理概念等關鍵問題，為創新型卓越工程人才提供必要支撐。

參考文獻：

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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