淺談基于FPGA音頻信號處理平臺的數(shù)字信號處理教學(xué)改革

鄭昱 馮璐 吳鵬 張竹嫻

[摘? ? ? ? ? ?要]? 數(shù)字信號處理是通信工程、電子信息工程等專業(yè)的核心課程，其教學(xué)效果直接影響學(xué)生的就業(yè)率及后續(xù)深造。因此，對該課程進行教學(xué)改革，提升學(xué)生對基本知識的掌握程度是非常有必要的。針對當(dāng)前數(shù)字信號處理課堂氣氛不活躍、學(xué)生對知識點難以掌握的問題，提出基于FPGA語音處理平臺的課程教學(xué)改革方案。通過輸入一定長度的語音信號，將抽象的傅里葉變換（FT）、離散傅里葉變化（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）以及低通、高通、帶通等濾波過程在基于FPGA的仿真平臺實現(xiàn)。通過一段時間的實驗課教學(xué)實踐，相比傳統(tǒng)的基于MATLAB實驗課教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了很大程度的提高，并且對基本知識點的掌握也更加扎實。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)字信號處理;FPGA語音處理平臺;學(xué)習(xí)興趣;教學(xué)效果

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2021）11-0214-02

數(shù)字信號處理是信號與系統(tǒng)的后繼課程，是包括通信工程專業(yè)在內(nèi)的電子學(xué)專業(yè)的必修課程，所涉及的知識是從事通信工程專業(yè)的人員需要了解和掌握的，同時，數(shù)字信號處理也是后續(xù)專業(yè)課如通信原理、移動通信技術(shù)等課程的基礎(chǔ)。因此，該課程的教學(xué)效果對學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)以及深造起著至關(guān)重要的作用。并且在信息時代的背景下，數(shù)字信號處理課程關(guān)乎國家信息安全，培養(yǎng)數(shù)字信號專業(yè)人才，能夠為信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻力量[1]。

在傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理課程教學(xué)模式下，由于課程包含了眾多的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)以及專業(yè)性強的理論知識，使很多學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)的積極性不高。上課走神、打瞌睡、玩手機等現(xiàn)象較為嚴(yán)重。這導(dǎo)致學(xué)生對基本知識的掌握不扎實，考試掛科率偏高。現(xiàn)有的研究中，對該門課的教學(xué)方式也進行了一系列的改革，主要是基于教學(xué)手段的改革，例如，基于線上輔導(dǎo)+線下講授方式的改革[2]、基于MATLAB仿真的實驗教學(xué)改革[3]、微課教學(xué)模式[4]等。雖然“基于線上輔導(dǎo)+線下講授方式的改革”和“微課教學(xué)模式”為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了課堂以外的渠道，培養(yǎng)了學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的習(xí)慣，但是，未能從本質(zhì)上提升學(xué)生對復(fù)雜公式以及概念的理解程度。雖然“基于MATLAB仿真的實驗教學(xué)改革”通過MATLAB平臺可以展現(xiàn)出信號時域、頻域的波形，但是這些都是基于數(shù)學(xué)表達式或矩陣得來的，其對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提升程度不是很顯著。綜上所述，對數(shù)字信號處理進行教學(xué)改革，以學(xué)生喜聞樂見的形式，掌握課程中復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型以及抽象的概念是非常有必要的。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問題

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

目前，在本校，數(shù)字信號處理課程的教學(xué)只是基于傳統(tǒng)的課堂講授式模式來進行的，其中，適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合板書以及多媒體PPT進行。實驗教學(xué)都是通過MATLAB對公式進行仿真而開展的。其中，理論教學(xué)部分主要講解時域離散信號和系統(tǒng)的頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅立葉變換、時域離散系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、IIR和FIR濾波器設(shè)計等內(nèi)容;實驗教學(xué)部分主要包括離散時間信號的表示及運算、離散時間信號的頻域分析、離散時間系統(tǒng)的時域分析和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計等內(nèi)容。課程考查方式為平時課堂考勤+作業(yè)占10%，實驗占30%，期末考試占60%。

（二）存在的問題

現(xiàn)階段該門課的教學(xué)過程中，主要存在以下幾個主要問題：

1.教學(xué)過程中未能充分體現(xiàn)數(shù)字信號在工程應(yīng)用領(lǐng)域的意義。本課程理論部分的講授直接從序列傅里葉變換的公式開始;其實驗部分的操作也是起始于序列的頻譜分析。學(xué)生無法很好地將該課程的基本知識與生活、工程實際聯(lián)系起來理解。這導(dǎo)致很多學(xué)生對該門課的學(xué)習(xí)目的不明確。

2.由于數(shù)字信號處理課程的理論性很強，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求很高，現(xiàn)階段的課堂講授中各種信號處理，如傅里葉變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、濾波（包括高通、低通、帶通、帶阻）都是通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型+公式演算來展示的;其實驗部分的教學(xué)基本也是對這些數(shù)學(xué)模型進行MATLAB簡單地仿真展示，觀察其波形圖。這導(dǎo)致學(xué)生對這門課的學(xué)習(xí)興趣不是很高，理論課上存在學(xué)生做與課堂無關(guān)的事情的現(xiàn)象;實驗課上，“打醬油”的現(xiàn)象比較多。

3.盡管該課程的教學(xué)采取了線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，將重要的課件在課后上傳于超星學(xué)習(xí)通平臺，通過學(xué)習(xí)通平臺布置作業(yè)題、考試題以及根據(jù)作業(yè)和測驗的情況記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，該方法也只是提供了一個課后學(xué)習(xí)的快捷渠道，對于自覺性強的學(xué)生有一定的效果，但是對自覺性差的學(xué)生，或者對知識點不理解、數(shù)學(xué)功底不好的學(xué)生，該方法取得的效果不是很明顯。

4.考核機制過于強調(diào)卷面成績，很多學(xué)生對本門課的知識點基本不理解，但是為了考試順利通過，在考前瘋狂刷題。考完后，對這門課的印象不深，不會用這門課所學(xué)的知識解決后續(xù)工程、科研中所遇到的問題。

二、課程教學(xué)改革方法

經(jīng)過一段時間的數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革實踐、與學(xué)生之前的交流以及與國內(nèi)外同行專家之間的交流，本教學(xué)團隊研發(fā)了音頻信號處理平臺，提出了基于FPGA音頻信號處理平臺的數(shù)字信號處理教學(xué)改革方法。具體如下：

1.為了更加明確學(xué)生對這門課學(xué)習(xí)的目的，本課程的第一節(jié)課將設(shè)置一信號處理的場景，在該場景下，設(shè)置兩個教學(xué)任務(wù)，任務(wù)一：將語音信號數(shù)字化進行存儲;任務(wù)二：將存儲的數(shù)字化后的語音信號進行播放。然后根據(jù)所設(shè)定的任務(wù)，構(gòu)建基于FPGA的音頻信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括如下模塊。

●麥克風(fēng)：將語音信號進行放大并轉(zhuǎn)化為電信號輸送至FPGA平臺的輸入端。

●模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊：該模塊包含于FPGA平臺，用于將麥克風(fēng)接收到的模擬語音信號數(shù)字化處理，并且該模塊帶有自行調(diào)節(jié)采樣率的功能。

●數(shù)據(jù)存儲模塊：該模塊包含于FPGA平臺，用于存儲數(shù)字化之后的語音信號。

●數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊包含于FPGA平臺，對所保存的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換、離散傅里葉變換、濾波等處理，并且該模塊可以調(diào)節(jié)頻域采樣點。

●數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換模塊：該模塊包含于FPGA平臺，用于將存儲的數(shù)字化語音信號轉(zhuǎn)化成模擬的電平信號以輸送至終端進行播放。

●揚聲器：用于播放數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號。

在該任務(wù)中，還將進行A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣率的調(diào)節(jié)，讓學(xué)生體驗在不同采樣率情況下在揚聲器端監(jiān)聽錄制的語音信號的效果，從而對奈奎斯特采樣定理有更形象生動的理解，并且明確了該門課程的學(xué)習(xí)意義及其與信號及系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的差別。

2.在講授傅里葉變換、離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換等知識點的時候，采樣課堂板書與FPGA音頻信號處理平臺相結(jié)合的教學(xué)模式。除了課堂上對基本數(shù)學(xué)模型的講授外，設(shè)置相應(yīng)語音信號處理的實驗，在數(shù)據(jù)處理模塊中將錄制的語音信號進行傅里葉變換、離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換，輸出其對應(yīng)的波形圖，觀察傅里葉變換、離散傅里葉變換與快速傅里葉變換頻譜的異同點。通過對頻域采樣點的調(diào)節(jié)，觀察在離散傅里葉變換的場景下，何時能夠最小失真地還原出信號的連續(xù)頻譜。

3.在講授濾波器相關(guān)知識點的時候，除了課堂上對濾波器設(shè)計一般步驟的講述外，還將基于FPGA音頻信號處理平臺，在數(shù)據(jù)處理模塊中對保存的語音信號進行低通、高通、帶通、帶阻的濾波處理。將濾波之后的信號通過揚聲器終端播放出來，以監(jiān)聽不同濾波方式保留的語音信號頻率成分。

4.改進課程考核機制。除了卷面成績、考勤與平時作業(yè)之外，還將學(xué)生對FPGA音頻信號處理平臺的使用情況納入考查范圍并給予較高的比例。本課改擬提出如下機制，平時作業(yè)+考勤占10%，基于FPGA音頻信號處理平臺的操作情況占50%，期末考試卷面成績占40%。

5.與此同時，本課改還提出了競賽推動教學(xué)的模式，鼓勵專業(yè)基礎(chǔ)較好的學(xué)生參加電子設(shè)計大賽等行業(yè)比賽，靈活運用所學(xué)的知識，解決工程實際問題，從競賽中鍛煉能力，并且制定競賽的名次置換課程考核項目的機制。這樣，有助于改變學(xué)生只是為考試而學(xué)習(xí)的心態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，真正達到培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的目的。

三、教學(xué)反饋與效果評價

教學(xué)效果主要從學(xué)生對該門課的認識、積極性、對課程的興趣、相關(guān)工程能力的培養(yǎng)以及同專業(yè)教師的評價幾方面進行評估。進行課改實踐之后，筆者發(fā)現(xiàn)，首先，學(xué)生對該門課的學(xué)習(xí)目的有了更加清晰的認識，學(xué)生的主觀能動性得到了充分調(diào)動。與此同時，通過基于FPGA語音信號處理平臺的教學(xué)，學(xué)生的課堂積極性得到了大幅度的提升，改變了之前上課時打瞌睡、玩手機的狀態(tài)。并且學(xué)生對其中復(fù)雜數(shù)學(xué)模型所代表的物理意義也有了更高層次的理解。此外，通過FPGA仿真平臺的實際操作，學(xué)生的工程能力有了很大的提升，例如，學(xué)生學(xué)會了在工程應(yīng)用中如何區(qū)分兩路不同頻率信號的方法。并且，通過參加學(xué)科競賽，基礎(chǔ)較好的學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了進一步的提升。本課改的方案得到了本校以及外校通信工程專業(yè)教師的認可，通過理論以及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的聽課，對課改取得的效果進行了較高的評價。并且，本課改也得到了學(xué)生的一致好評。

四、結(jié)語

本文基于在數(shù)字信號處理課程教學(xué)中遇到的問題，從激發(fā)學(xué)生的主觀能動性、理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力以及課程的更新考核標(biāo)準(zhǔn)等方面入手，提出了基于FPGA音頻信號處理平臺演示的教學(xué)方法。通過一段時間的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對本門課的學(xué)習(xí)興趣有了明顯提高。并且通過該平臺，學(xué)生的工程實踐能力比傳統(tǒng)的教學(xué)模式有了較大的提升，能夠根據(jù)構(gòu)建的工程實踐場景，提出相應(yīng)的解決方案。

參考文獻：

[1]楊亮.《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革實踐與啟示[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2020，3（5）：31-32.

[2]付建梅，張雪英，任國鳳，等.“自主學(xué)習(xí)+點授”式數(shù)字信號處理課程教學(xué)[J].高師理科學(xué)刊，2020，40（10）：73-77.

[3]李愛華，晉剛.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)模式實踐：以“數(shù)字信號處理”課程為例[J].科教文匯（上旬刊），2020（4）：86-87.

[4]張印強，王莉，李麗娟.數(shù)字信號處理微課教學(xué)改革探索[J].西昌學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，34（1）：108-110，128.

編輯 鄭曉燕