時間：2023-03-22 17:42:30
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另外一類是需要用復雜算法對大量數據進行處理的應用，例如聲納探測和地震探測等，也需要用DSP器件。該類設備的批量一般較小、算法要求苛刻、產品很大而且很復雜。所以設計工程師在選擇處理器時會盡量選擇性能最佳、易于開發并支持多處理器的DSP器件。有時，設計工程師更喜歡選用現成的開發板來開發系統而不是從零開始硬件和軟件設計，同時可以采用現成的功能庫文件開發應用軟件。
在實際設計時應根據具體的應用選擇合適的DSP。不同的DSP有不同的特點，適用于不同的應用，在選擇時可以遵循以下要點。
算法格式
DSP的算法有多種。絕大多數的DSP處理器使用定點算法，數字表示為整數或-1.0到+1.0之間的小數形式。有些處理器采用浮點算法，數據表示成尾數加指數的形式：尾數×2指數。
浮點算法是一種較復雜的常規算法，利用浮點數據可以實現大的數據動態范圍(這個動態范圍可以用最大和最小數的比值來表示)。浮點DSP在應用中，設計工程師不用關心動態范圍和精度一類的問題。浮點DSP比定點DSP更容易編程，但是成本和功耗高。
由于成本和功耗的原因，一般批量產品選用定點DSP。編程和算法設計人員通過分析或仿真來確定所需要的動態范圍和精度。如果要求易于開發，而且動態范圍很寬、精度很高，可以考慮采用浮點DSP。
也可以在采用定點DSP的條件下由軟件實現浮點計算，但是這樣的軟件程序會占用大量處理器時間，因而很少使用。有效的辦法是“塊浮點”，利用該方法將具有相同指數，而尾數不同的一組數據作為數據塊進行處理。“塊浮點”處理通常用軟件來實現。
數據寬度
所有浮點DSP的字寬為32位，而定點DSP的字寬一般為16位，也有24位和20位的DSP，如摩托羅拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字寬與DSP的外部尺寸、管腳數量以及需要的存儲器的大小等有很大的關系，所以字寬的長短直接影響到器件的成本。字寬越寬則尺寸越大，管腳越多，存儲器要求也越大，成本相應地增大。在滿足設計要求的條件下，要盡量選用小字寬的DSP以減小成本。
在關于定點和浮點的選擇時，可以權衡字寬和開發復雜度之間的關系。例如，通過將指令組合連用，一個16位字寬的DSP器件也可以實現32位字寬雙精度算法(當然雙精度算法比單精度算法慢得多)。如果單精度能滿足絕大多數的計算要求，而僅少量代碼需要雙精度，這種方法也可行，但如果大多數的計算要求精度很高，則需要選用較大字寬的處理器。
請注意，絕大多數DSP器件的指令字和數據字的寬度一樣，也有一些不一樣，如ADI(模擬器件公司)的ADSP-21XX系列的數據字為16位而指令字為24位。
DSP的速度
處理器是否符合設計要求,關鍵在于是否滿足速度要求。測試處理器的速度有很多方法，最基本的是測量處理器的指令周期，即處理器執行最快指令所需要的時間。指令周期的倒數除以一百萬，再乘以每個周期執行的指令數，結果即為處理器的最高速率，單位為每秒百萬條指令MIPS。
但是指令執行時間并不能表明處理器的真正性能，不同的處理器在單個指令完成的任務量不一樣，單純地比較指令執行時間并不能公正地區別性能的差異。現在一些新的DSP采用超長指令字(VLIW)架構，在這種架構中，單個周期時間內可以實現多條指令，而每個指令所實現的任務比傳統DSP少，因此相對VLIW和通用DSP器件而言，比較MIPS的大小時會產生誤導作用。
即使在傳統DSP之間比較MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些處理器允許在單個指令中同時對幾位一起進行移位，而有些DSP的一個指令只能對單個數據位移位；有些DSP可以進行與正在執行的ALU指令無關的數據的并行處理(在執行指令的同時加載操作數)，而另外有些DSP只能支持與正在執行的ALU指令有關的數據并行處理；有些新的DSP允許在單個指令內定義兩個MAC。因此僅僅進行MIPS比較并不能準確得出處理器的性能。
解決上述問題的方法之一是采用一個基本的操作(而不是指令)作為標準來比較處理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作時間不能提供比較DSP性能差異的足夠信息，在絕大多數DSP中，MAC操作僅在單個指令周期內實現，其MAC時間等于指令周期時間，如上所述，某些DSP在單個MAC周期內處理的任務比其它DSP多。MAC時間并不能反映諸如循環操作等的性能，而這種操作在所有的應用中都會用到。
最通用的辦法是定義一套標準例程，比較在不同DSP上的執行速度。這種例程可能是一個算法的“核心”功能，如FIR或IIR濾波器等，也可以是整個或部分應用程序(如語音編碼器)。圖1為使用BDTI公司的工具測試的幾款DSP器件性能。
在比較DSP處理器的速度時要注意其所標榜的MOPS(百萬次操作每秒)和MFLOPS(百萬次浮點操作每秒)參數，因為不同的廠商對“操作”的理解不一樣，指標的意義也不一樣。例如，某些處理器能同時進行浮點乘法操作和浮點加法操作，因而標榜其產品的MFLOPS為MIPS的兩倍。
其次，在比較處理器時鐘速率時，DSP的輸入時鐘可能與其指令速率一樣，也可能是指令速率的兩倍到四倍，不同的處理器可能不一樣。另外，許多DSP具有時鐘倍頻器或鎖相環，可以使用外部低頻時鐘產生片上所需的高頻時鐘信號。
存儲器管理
DSP的性能受其對存儲器子系統的管理能力的影響。如前所述，MAC和其它一些信號處理功能是DSP器件信號處理的基本能力，快速MAC執行能力要求在每個指令周期從存儲器讀取一個指令字和兩個數據字。有多種方法實現這種讀取，包括多接口存儲器(允許在每個指令周期內對存儲器多次訪問)、分離指令和數據存儲器(“哈佛”結構及其派生類)以及指令緩存(允許從緩存讀取指令而不是存儲器，從而將存儲器空閑出來用作數據讀取)。圖2和圖3顯示了哈佛存儲器結構與很多微控制器采用的“馮·諾曼”結構的差別。
另外要注意所支持的存儲器空間的大小。許多定點DSP的主要目標市場是嵌入式應用系統，在這種應用中存儲器一般較小，所以這種DSP器件具有小到中等片上存儲器(4K到64K字左右)，備有窄的外部數據總線。另外，絕大多數定點DSP的地址總線小于或等于16位，因而可外接的存儲器空間受到限制。一些浮點DSP的片上存儲器很小，甚至沒有，但外部數據總線寬。例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存儲器，外部總線為24位，13位外部地址總線。而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存儲器，可以多種方式劃分為程序存儲器和數據存儲器。
選擇DSP時，需要根據具體應用對存儲空間大小以及對外部總線的要求來選擇。
開發的簡便性
對不同的應用來說，對開發簡便性的要求不一樣。對于研究和樣機的開發，一般要求系統工具能便于開發。而如果公司在開發下一代手機產品，成本是最重要的因素，只要能降低最終產品的成本，一般他們愿意承受很煩瑣的開發，采用復雜的開發工具(當然如果大大延遲了產品上市的時間則是另一回事)。
因此選擇DSP時需要考慮的因素有軟件開發工具(包括匯編、鏈接、仿真、調試、編譯、代碼庫以及實時操作系統等部分)、硬件工具(開發板和仿真機)和高級工具(例如基于框圖的代碼生成環境)。利用這些工具的設計過程如圖4所示。
選擇DSP器件時常有如何實現編程的問題。一般設計工程師選擇匯編語言或高級語言(如C或Ada)，或兩者相結合的辦法。現在大部分的DSP程序采用匯編語言，由于編譯器產生的匯編代碼一般未經最優化，需要手動進行程序優化，降低程序代碼大小和使流程更合理，進一步加快程序的執行速度。這樣的工作對于消費類電子產品很有意義，因為通過代碼的優化能彌補DSP性能的不足。
使用高級語言編譯器的設計工程師會發現，浮點DSP編譯器的執行效果比定點DSP好，這有幾個原因：首先，多數的高級語言本身并不支持小數算法；其次，浮點處理器一般比定點處理器具有更規則的指令，指令限制少，更適合編譯器處理；第三，由于浮點處理器支持更大的存儲器，能提供足夠的空間。編譯器產生的代碼一般比手動生成的代碼更大。
不管是用高級語言還是匯編語言實現編程，都必須注意調試和硬件仿真工具的使用，因為很大一部分的開發時間會花在這里。幾乎所有的生產商都提供指令集仿真器，在硬件完成之前，采用指令集仿真器對軟件調試很有幫助。如果所用的是高級語言，對高級語言調試器功能進行評估很重要，包括能否與模擬機和/或硬件仿真器一起運行等性能。
大多數DSP銷售商提供硬件仿真工具，現在許多處理器具有片上調試/仿真功能，通過采用IEEE1149.1JTAG標準的串行接口訪問。該串行接口允許基于掃描的仿真，即程序員通過該接口加載斷點，然后通過掃描處理器內部寄存器來查看處理器到達斷點后寄存器的內容并進行修改。
很多的生產商都可以提供現成的DSP開發系統板。在硬件沒有開發完成之前可用開發板實現軟件實時運行調試，這樣可以提高最終產品的可制造性。對于一些小批量系統甚至可以用開發板作為最終產品電路板。
支持多處理器
在某些數據計算量很大的應用中，經常要求使用多個DSP處理器。在這種情況下，多處理器互連和互連性能(關于相互間通信流量、開銷和時間延遲)成為重要的考慮因素。如ADI的ADSP-2106X系列提供了簡化多處理器系統設計的專用硬件。
電源管理和功耗
DSP器件越來越多地應用在便攜式產品中，在這些應用中功耗是一個重要的考慮因素，因而DSP生產商盡量在產品內部加入電源管理并降低工作電壓以減小系統的功耗。在某些DSP器件中的電源管理功能包括：a.降低工作電壓：許多生產商提供低電壓DSP版本(3.3V,2.5V,或1.8V)，這種處理器在相同的時鐘下功耗遠遠低于5V供電的同類產品。
b.“休眠”或“空閑”模式：絕大多數處理器具有關斷處理器部分時鐘的功能，降低功耗。在某些情況下，非屏蔽的中斷信號可以將處理器從“休眠”模式下恢復，而在另外一些情況下，只有設定的幾個外部中斷才能喚醒處理器。有些處理器可以提供不同省電功能和時延的多個“休眠”模式。
c.可編程時鐘分頻器：某些DSP允許在軟件控制下改變處理器時鐘，以便在某個特定任務時使用最低時鐘頻率來降低功耗。
d.控制：一些DSP器件允許程序停止系統未用到的電路的工作。
不管電源管理特性怎么樣，設計工程師要獲得優秀的省電設計很困難，因為DSP的功耗隨所執行的指令不同而不同。多數生產商所提供的功耗指標為典型值或最大值，而TI公司給出的指標是一個例外，該公司的應用實例中詳細地說明了在執行不同指令和不同配置下的功耗。
成本因素
在滿足設計要求條件下要盡量使用低成本DSP，即使這種DSP編程難度很大而且靈活性差。在處理器系列中，越便宜的處理器功能越少，片上存儲器也越小，性能也比價格高的處理器差。
封裝不同的DSP器件價格也存在差別。例如，PQFP和TQFP封裝比PGA封裝便宜得多。
在考慮到成本時要切記兩點。首先，處理器的價格在持續下跌；第二點，價格還依賴于批量，如10,000片的單價可能會比1,000片的單價便宜很多。
關鍵詞 數字信號處理 DSP 課程體系 滲透
中圖分類號：G424 文獻標識碼：A
Knowledge Penetration and Extension of Digital Signal
Processing Theory and Practice Teaching
CAO Xinli， TIAN Yi
（School of Electrical and Information Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073）
Abstract This paper takes mathematical principles to the domain transform domain digital signal processing when students are learning in a digital filter network for example， correspond by comparing before and after signal processing algorithms and theory on the actual hardware implementation， allows students to easily from the Z transform， discrete Fourier transform learning theory easy to draw circuits and program their hardware implementation is achieved. In the study of digital signal processing algorithms in the process， to students whose mathematical formulas penetration corresponding hardware circuits and structures， can make subsequent DSP applications while learning courses， easy to understand and design. Theoretical and experimental study by personal experience， feel the penetration and extension of signal processing system in the teaching curriculum.
Key words digital signal processing； DSP； course system； penetration
在電子信息工程學科中，數字信號處理的實現和仿真課程已經很好地融合進來。很多高校的信息類專業相繼開設了數字信號處理，DSP應用的相關理論課程，并開設了matlab信號分析與處理等課程設計和實驗。如何在理論和實踐課程教學中完成對數字信號處理知識的滲透于延伸，讓學生更好的認識到數字信號處理技術的理論和實踐和有機結合呢？
1 數字信號處理的作用
數字信號處理是研究把信號用數字或符號表示成序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設備，用數字的數值計算方法處理，提取有用信息便于應用的客觀規律性。
在信號處理中，很多信號比如聲音信號，在時域上看是雜亂無章的，沒有任何規律的，當轉化成頻域信號后，很容易看出來信號的相關性質，對信號的處理也更為方便。模擬信號在遠距離傳輸時信號衰減大，且抗干擾能力差；數字信號設備靈活、精確、抗干擾能力強、遠距離傳輸速度快且不失真。
數字信號處理可以將有用信號從雜亂無章的干擾中提取出來，恢復原始信號并可以對其增強。它對聲音，圖像，其他現實中的物理量進行信號調理、信號傳輸、信號接收還原、信號濾波等作用，保證信號傳輸質量，在電信和其它學科中具有重要的意義。
數字信號處理算法是對其離散信號與系統的變換和濾波的理論基礎，在此算法基礎上，用硬件或軟件的方法將其實現，這是整個數字信號處理的過程。下面我們來分析變換理論和具體實現之間的對應。
2 數字信號處理中數字濾波網絡算法原理
在數字信號處理中，以IIR數字濾波網絡為例。對于一個輸入輸出關系已經給定的系統，其系統函數或差分方程已知，可以用不同結構的數字網絡來實現該系統。由Z變換的相關知識，我們可以知道對N階差分方程進行Z變換，得到系統函數的一般表示式：
（1）
如果要設計IIR級聯型數字濾波網絡，就要根據級聯型網絡結構特點，將H（z）變換成級聯型一階節和二階節的形式。
（2）
這樣，就把系統函數分解成了N1個一階節和N2個二階節。有了這樣的結構，就可以得到IIR級聯型網絡方框圖，如圖1。
圖1 IIR級聯型網絡方框圖
3 數字濾波網絡二階節的硬件實現
第二節中是數字濾波網絡IIR級聯型網絡結構的算法原理和系統函數分解公式，那么這樣的數字濾波網絡結構怎樣用硬件實現呢？
從圖1看出，IIR級聯型網絡是由M個二階節組成的，一階節可以看做二階節的特殊情況。在每一個二階節中，有四個加法環節（如圖1中的圓圈標示），有兩個延時單元，有四個標量乘法環節。其中的加法環節和標量乘法器可以有專用數字信號處理芯片中的加法器和乘法器實現，延時單元可以由觸發器實現，比如D觸發器。
現在以一個二階節為例，根據方框原理圖（圖2）說明其硬件構成。
（3）
（4）
所以從到有兩個延時電路——延時一個周期和兩個周期，即為，；兩個乘法電路，；兩個加法電路。用硬件實現如圖3所示。同樣地，從到的電路結構與前面類似，延時電路可以與前面公用。
圖2 IIR級聯型網絡二階節方框圖
圖3 IIR級聯型網絡二階節的硬件實現
4 數字信號處理課程理論與實踐教學的知識滲透與延伸
學生在數字信號處理的理論課程中了解了相關的算法原理后，并和實際的硬件電路實現對應了解，就掌握了從理論到實踐的轉換過程。
所以在講授數字信號處理的每一個知識點時，都應該按照這樣的思想去引導學生：（1）清晰透徹的講授每一章節的離散信號與系統的算法原理，從時域分析到頻域分析，到時頻變換，快速算法，到數字濾波結構及實現。在每一個知識點上，都把相應的數學原理和對應的硬件結構對應起來，使學生了解知識的實際用途。（2）在學生掌握算法原理的基礎上，引導其在相應的仿真工具上進行算法的仿真，得到相應的系數和性能，分析算法的優缺點，并對算法進行改進。（3）根據前面學習的理論算法和硬件實現的知識滲透，使學生能夠快速輕松地選擇相應的數字信號處理器件，實現其算法原理，從而達到理論和實踐的較好結合，使得學生在數字信號處理領域，有了較深入和較高層次的認識，達到學以致用。
5 結論
論文以一個實際的《數字信號處理》教學范例——IIR級聯型網絡結構的原理，說明了教學的順序和層次，從理論知識的學習，到具體實現的滲透，使得學生在徹底掌握理論變換算法的基礎上，更深層次地與實際動手相結合，很好地對學生進行知識的滲透與延伸，在后續的DSP原理與應用，信號分析與處理中可以較為輕松深入地掌握，達到較好的教學效果。
參考文獻
[1] 張洪濤，萬紅，楊述斌.數字信號處理[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.
[2] 吳鎮揚.數字信號處理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
[3] 程佩青.數字信號處理教程（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2013.2.
【關鍵詞】測控技術與儀器；數字信號處理；教學內容與方法
【Abstract】The view of comprehension and application of digital signal processing techniques vary with different major. Some discussion is apposed in the paper about the consummation and innovation of digital signal processing teaching contents and methods under the characteristic and demand of the major of measurement & control techniques and instruments.
【Keywords】measurement & control techniques and instruments， digital signal processing， teaching contents and methods
數字化和信息化的迅速發展，使得數字信號處理技術與應用在日常生活中的地位越來越突出，新的算法（或改進算法）層出不窮，新的器件頻繁更替。對于儀器科學與技術學科下的測控技術與儀器專業，“數字信號處理”是一門重要的專業基礎課程，該課程不僅理論性強，工程應用背景也十分明確。作為一門涉及面廣的學科專業基礎課程，如何與學科的應用需求接軌、與學生的知識體系融合，改革教學內容與授課方法，全面提高教學質量與效果，與時俱進、科學發展，創建有專業特色的示范性課程是課程組面臨的問題。
論文以學校課程體系建設的目標與要求為出發點，結合國防科學技術大學測控技術與儀器本科專業的特點和建設需求，在“數字信號處理”課程教學內容的完善、教學方法的革新等方面進行了探討，提出了一些觀點和看法。
1 學科與專業對數字信號處理的專門需求
儀器是信息獲取、處理與應用的工具，而儀器學科與技術則是研究以獲取信息為目的的信息轉換、處理、傳輸、存貯、顯示與應用等技術與裝置的應用科學，其核心內容可以用四個關鍵詞概括，即：計量、測量、儀器和傳感器[1]。沒有測量就沒有科學，儀器科學與技術的領先程度決定了科研和生產的先進程度和競爭能力[2]。從這個角度來看，測控技術與儀器專業更加強調數字信號處理的物理意義，也就是信號對象的物理屬性，包括：時間屬性、頻率熟悉、誤差范圍、測量精度等。
目前該校儀器科學與技術學科逐漸形成了以現代傳感技術及系統、空間儀器工程、無線電測量理論及應用為主要方向，以信息獲取與處理為主要內涵的省重點特色學科，本科專業為測控技術與儀器，要求學生掌握信號采集、分析與處理等方面的基礎理論與技術，在測控、測量及測試等方面具有良好的理論素養和技術基礎。開設了“電工與電路基礎”、“信號系統與控制”、“數字信號處理”、“現代測試系統”等一系列專業課程。主要課程見表1。
表1：測控技術與儀器主要專業課程情況
從表中可見“數字信號處理”首當其沖成為一門重要的專業基礎課，并且為測控技術與儀器專業服務，有著明顯的信號采集、測量、微弱信號檢測、儀器系統設計等方面的應用需求。在本專業知識體系中，“數字信號處理”緊密連接傳感器的信號調理，與信息轉換、處理甚至是傳輸和存儲等有密切的關系，其內涵更加偏向于真實信號物理量的采樣與處理，目標更加注重于數字信號的物理意義和應用方向。課程內容包括：采樣過程及誤差分析、離散時間信號與系統、離散變換及其快速算法、數字濾波器設計、數字信號處理系統的實現、多采樣率信號處理等。課程將通過講授、練習、實驗使學生掌握數字信號處理的基本理論和方法，并能使用軟硬件工具進行相應的數字信號處理工作。
2 依據學科專業特點改革教學內容與方法
根據課程體系建設的需求，在教學內容與方法方面嘗試提出了如下建設目標：
2.1 結合學科專業特點，吸收國外先進教學理念，與國際著名院校課程內容設置充分融合，以經典“數字信號處理”課程體系為基礎，以現代測量系統中備受關注的信號處理方法和技術為導向，緊扣真實信號物理量采樣與處理的學科背景，結合國外相關專業知名教材，在專業課程體系內將教學的內容、課程間的關系與教學實踐緊密配合一起，積極梳理課程體系之間的關聯，根據學科和理論技術的發展，科學地完善教學內容。
2.2 開拓國際化視野，充分采用啟發式、交互式、研討式的教學方法和課堂、網絡和實踐相結合的教學手段；嘗試通過引進國外教學名師開展課外專題講座，提高學生的興趣、拓展學生的專業思路，提升授課效果；用儀器科學與技術大專業的通識教育理念，建立典型案例素材庫，完善學生的專業知識體系及應用能力；結合科研條件，采用軟件仿真和硬件驗證相結合實踐教學系統，實踐環節的比重達到30%以上；網絡教學突出互動性，答疑和研討環節能夠通過網絡教學平成。
3 開拓思路積極探索改革舉措
測控技術與儀器專業學生有著明顯的工程技術培養需求，“數字信號處理”課程是專業理論和實踐相結合的橋梁，必須結合學科特點，與國際化教學內容融合，與電工技術、信號系統與控制等課程密切配合、融合[3，4]，充分體現測控技術、儀器、傳感器對信號處理的更高要求和需求、拓展數字信號處理的廣度和深度，在無線電測量、精密儀器信號處理和微弱信號處理等方面突出授課重點，為學科專業打下堅實基礎。舉措如下：
3.1 結合學科專業特點，與國際著名院校類似專業課程內容設置充分融合，將教學的內容、課程間的關系與教學實踐緊密配合一起，充分提升授課效果，結合學科需求，將“數字信號處理”教學內容與國際接軌，并能根據學科和理論技術的發展而動態適應。
優秀教材與普通教材的區別，并不在于內容及其先進性，也不僅僅在于語言，主要在于教學的理念和方法[5]，對于本專業的“數字信號處理”課程更是如此。因此必須融合國外教材和國內教材的特點，合理安排教學內容的講授方式、時機與深度，引入概念方法時，注重啟發性、直觀性，可使學生先知其然，而后再知其所以然。在敘述方式上，同一內容由淺入深，在不同章節，從不同層次加以闡述，力圖體現各部分間有機聯系；同時注意結合自上而下和自下而上的方式，注重啟發、實用的同時，多幫助同學拎出主線和脈絡[6]，如表2所示。必要時做一些知識補充，以使學生不僅掌握一些具體的原理、實用的方法，還建立起比較系統的認識，以供進一步深造之需。
表2：數字信號處理課程內容分類
3.2 結合“電工與電路技術基礎”、“信號系統與控制”課程內容，與之優化整合，使“數字信號處理”課程內容與專業課程體系融會貫通。用儀器科學的通識教育理念，優化“數字信號處理”課程的授課內容、提升授課效果，完善學生的專業知識體系及應用能力。
“電工與電路技術基礎”、“信號系統與控制”和“數字信號處理”三門課程構成了專業體系中重要的“電路、系統、信號分析與處理”基礎課程體系。“電工與電路技術基礎”課程主要學習電路基本理論與分析方法相關的經典理論；“信號系統與控制”課程主要學習確定性信號的時頻域分析方法，線性時不變系統的描述方法與特性，以及線性時不變系統的變換域分析方法；“電工與電路技術基礎”和“信號系統與控制”是“數字信號處理”的理論基礎，“數字信號處理”是“電工與電路技術基礎”和“信號系統與控制”在離散域中的深入擴展與應用。
然而，傳統情況下“電工與電路技術基礎”、“信號系統與控制”和“數字信號處理”課程各自施教，在一定程度上存在授課內容重復、銜接不合理、綜合不夠等諸多問題，這些問題隨著教學計劃的修改和課時的減少顯得更加突出。如，在 “電工與電路技術基礎”課程中，已涵蓋了許多“信號與系統”課程中連續信號與系統分析的相關內容，而“數字信號處理”課程中也存在“信號與系統”課程中大量離散信號與系統分析內容的重復[3]。各門課程自身內容體系的最優不一定是整個教學計劃的最優，因此，有必要結合“電工與電路技術基礎”、“信號系統與控制”課程內容，與之優化整合，使“數字信號處理”課程內容與專業課程體系融會貫通，如此才能更好地完善學生的專業知識體系及應用能力。
3.3 儀器科學與技術是一個應用性較強的學科，“數字信號處理”是應用性很強的課程，因此該課程的教學應該是理論、實踐和科學研究的三元一體。
理論教學主要是通過課堂教學環節完成的。在教學過程中，應強調基本概念的建立和基本內容的深刻理解，淡化公式的推導和解題技巧，強化所學知識的綜合應用能力與創新能力的培養。加大教學內容和課程體系改革，建設形式上理論教學與實踐教學獨立設課，內容上互相交叉和融合，分層次按需設置的完整的理論和實踐教學體系[7]，通過實踐教學和簡單的科學研究思路，增強學生對基礎理論的認識，強化學生理解能力，深刻了解“數字信號處理”與專業相關課程的聯系。
配合課程教學預先安排了4 個教學實驗，要求學生用Matlab進行原理仿真，通過之后并在采樣信號處理綜合實驗系統上進行調試和運行，從而鍛煉學生對理論知識的掌握與應用能力，以及簡單的科研能力。如表3所示。
表3：數字信號處理課程的教學實驗內容
3.4 將授課效果作為第一評判標準，采用啟發式、交互式教學方法、通過多媒體、網絡、專題討論課等方法，提高學生對課程的掌握程度；在支撐學科發展的大視野下，根據課程在學科課程體系中的地位和作用，改革傳統教學手段，理論聯系實際，培養學生的創新思維和創新能力，加強梳理與其他課程或競賽之間的相互關聯，全面提高學生專業應用素質。
下面以文獻[6]中的實例為例，說明教學方法和教學手段的效果。在講授序列的傅里葉變換（DTFT）和離散傅里葉變換（DFT）時，學生很難理解這兩種形式傅里葉變換的區別。實際上，DTFT和DFT都是從頻譜分析的角度來分析一個序列。對于DTFT，只要該序列滿足絕對可和的條件，則它的傅里葉變換一定存在且連續，由于其一個域是連續的，因而不適合在計算機上運算。而DFT是專門針對序列“有限長”的特點而提出的，其頻譜也是離散的，因而適于在計算機上運算，同時也可以通過快速傅里葉變換（FFT）實現。為了讓學生不產生混淆，在教學過程中，可以利用MATLAB進行現場仿真，讓學生通過仿真結果直觀掌握二者的關系和區別。實驗中，采用矩形序列x（n）=R5（n），N=32。其中圖a是序列的波形圖及其DTFT變換的連續譜，周期為2π，圖中顯示的為主值區間（[0，2π]）頻譜。圖b是通過16點和32點FFT來實現的序列DFT變換，其中圖線的包絡即為信號的DTFT連續譜，從中明顯可以看出，DFT實際上是對主值區間上的DTFT連續譜在頻域進行抽樣，抽樣點數即變換的點數。通過這樣的現場仿真分析，學生很容易掌握和理解DTFT和DFT的關系和區別。
圖1：一種啟發式多媒體教學手段實例[6]
3.5 教師回歸“師者”的本位——傳道、授業、解惑，加強疏導，發揮學生主動性。所謂傳道就是傳授其中的基本規律和變化趨勢，引領學生入門；授業是傳授解決問題的方法和技能，發揮學生主動性；解惑就是答疑，持續發現并消除學生心中的疑惑。通過深入淺出、抓重點、理脈絡的方式解答學生在課程學習過程中的疑惑，提高其提出問題、分析問題、解決問題的能力。“授人以魚，不如授人以漁”。
4 結束語
“數字信號處理”是一個理論實踐性都很強的課程，每個學科對其應用和理解都可能會有所偏重，因此在教學內容與方法探索上應該認真分析本專業課程建設需求與現狀，不斷研究解決教學內容與方法建設中存在的問題，全面歸納、總結經驗，在充分研討的基礎上對教學內容與方法進行詳細地規劃，才持續地推進“數字信號處理”課程建設水平和授課效果，優化學生知識體系結構，滿足學科專業對本課程的需求。參考文獻
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關鍵詞：數字信號；信號處理；DSP
1．數字信號處理的概念
數字信號處理是用數字計算機對離散信號或將模擬信號離散化后進行處理的現代信號處理技術，自身有其獨特的計算方法和理論。數字信號處理是當前發展相當迅速的一種技術，無線通訊，多媒體技術，網絡等都是基于數字信號處理算法的。
數字信號處理器(DSP)是為進行數字信號處理而設計的微處理器。數字信號處理器是同數字信號處理技術一同發展起來的。它針對數字信號處理的應用采用了專用的硬件設計結構。
微處理器的發展經歷了單板計算機、單片計算機的歷程，DSP則是一種高性能的片上微計算機系統。它除了利用大量的新技術、新結構來大幅度改善芯片性能外，還把內存、接口、外設、事件管理器等集成在一個芯片上，成為一個功能強大的片上系統（SOC）。DSP的產生和發展，得益于數字信號處理理論及計算機、電子技術的飛速進步。
2．數字信號處理器模擬的實現
計算機系統本身是一個非常復雜的系統，要使用軟件來模擬每個晶體管或每個門電路各個方面的行為特征幾乎是不可能的。人們簡化系統復雜程度的常用辦法是對系統按層次進行抽象，體系結構就是對計算機系統在結構層次上的簡化。然而，體系結構層次上的計算機系統依然很復雜，開發其軟件模擬器也因此而十分困難。通常的做法是，在已存在的模擬器基礎上進行二次開發或改進，使其適應自己的要求。
在任何數字信號處理中，當涉及硬件實現時，都會遇到一個很普遍的問題：一般要處理的原始信號序列長度是非常長的，但受物理設備條件所限，每次(比如一個時鐘周期內)輸入給數字信號處理相關硬件(如DSP)的必定是有限長度的采樣后的數字序列，也就是說要對原有長序列進行一次截斷。顯然，截斷后的短序列相比于原有未截斷的長序列的信號屬性必然要發生變化。比如截取高斯白噪聲的一段，其截斷后的序列的均值和方差等統計特性相對于原有白噪聲序列肯定會有變化。這種由于截斷而引起的序列性能下降顯然會導致后續的DSP等硬件設備中數字信號處理性能的下降。
3．DSP硬件結構分析
在當前信息化、數字化進程中，信號作為信息的傳輸和處理對象，逐漸由模擬信號變成數字信號。信息化的基礎是數字化，而數字化的核心技術之一就是數字信號處理。數字信號處理技術已成為人們日益關注的并得到迅速發展的前沿技術。DSP作為一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，憑借其獨特的硬件結構和出色的數字信號處理能力，廣泛應用于通訊、語言識別、圖像處理、自動控制等領域。
3.1 DSP的主要特點及其硬件要求
數字信號處理是指將模擬信號通過采樣進行數字化后的信號進行分析、處理、它側重于理論、算法及軟件實現。數字信號處理算法具有如下一些主要的特點：信號處理算法運算量大，要求速度快；信號處理算法通常需要執行大量的乘累加運算；信號處理算法常具有某些特定模式；信號處理算法大部分處理時間花在執行相對小循環的操作上；信號處理要求專門的接口。
從一開始，DSP的結構就是針對DSP算法模型進行構造的，幾乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，數字信號處理的上述特點要求DSP必須是專門設計的。
3.2多總線，多處理單元結構
DSP芯片采用了哈佛結構，它分別設置程序存儲和數據存儲空間，使用專用的程序總線和地址總線。CPU可以同時訪問程序和數據，大大提高了處理速度。所謂的改進哈佛結構，體現在如下幾點：
1）允許數據存放在程序存儲器中，并可以被算術指令直接使用。但程序和數據不能同時讀取，多數訪問存儲器的指令需要兩個執行周期。
2）將指令存儲在高速緩存中，無須從數據/程序存儲器讀取，可以節約一個指令周期。
3）改進存儲器塊結構，允許在一個周期內同時讀取一條指令和兩個操作數。
使用兩類（程序總線、數據總線）六組總線。包括程序地址總線、程序讀總線、數據寫地址總線、數據讀地址總線、數據寫總線、數據讀總線。配合哈佛機構，大大提高了系統速度。
DSP內部一般都包括多個處理單元，如ALU、乘法器、輔助算術單元等。它們都可在單獨的一個指令周期內執行完計算和操作任務，而且往往同時完成。這種結構特別適合于濾波器的設計，如FIR和IIR。這種多處理單元結構還表現為在將一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻轉尋址和流水FIR濾波算法的循環尋址等。而且大部分DSP具有零消耗循環控制的專門硬件，使得處理器不用花時間測試循環計數器的值就能執行一組指令的循環，硬件完成循環跳轉和循環計數器的衰減。
3.4 DSP結構改進
過去的DSP結構設計主要是面向計算密集型的應用，而對控制密集型支持得不夠。而現實應用中很多場合需要信號處理和精確控制的有效結合，如數字蜂窩電話，它要有監控和語言音處理的工作。現代的DSP將采用DSP／MCU的混合結構，在保證計算能力優先的前提下，通過快速的現場切換、多執行部件并行執行等方式，加強控制類操作的處理能力。將MCU核集成到DSP核中，或者從整體上對DSP進行重新設計，使之兼有DSP和MCU的功能。
另外，為解決速度、功耗、可編程之間的矛盾，我們提出了一種新型的計算方式，它結合了現有微處理器和DSP的時間計算方式以及ASIC、FPGA解決方案的空間計算方式。這種可重構DSP處理器的關鍵是它能同時進行時間和空間計算。它由一個計算元件互相連接的二維陣列構成，每個陣列都有各自的邏輯單元和本地寄存器。連接這些計算元件的可編程連線借以對陣列的數據流架構動態重構，從而可根據運行的具體任務而對其進行優化。
參考文獻：
關鍵詞：數字信號處理；精品課程；三本院校；獨立學院
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0042-02
“數字信號處理”是利用計算機或DSP專用處理設備，對信號采用數值計算的方法進行采集、變換、綜合、估值與識別等處理，達到提取信號特征和利于應用的目的。“數字信號處理”是國內許多高校電子信息類、通信類和自動控制類的專業技術基礎課，具有基礎性強和應用性廣的特點，是應用DSP（數字信號處理）芯片、嵌入式技術、EDA技術解決實際問題的基礎。但是傳統的教學模式無論在教授內容還是教學方式上都比較偏重理論教學，其教學方式單一。課堂教學多以教師中文講課為主，缺乏必要的師生交流互動和實驗練習環節。滇池學院是教育部確認的獨立學院，學院先后被有關部門、機構和協會授予“社會滿意學校”、“民辦教育百強學校”、“全國百佳特色學校”、“2008年全國最佳獨立學院”。“數字信號處理”經過多年的課程建設，2010年被列為滇池學院的院級精品課程建設項目，該課程介紹數字信號處理的基本概念和基本理論，講授各種常用算法的計算機實現方法。在精品課程建設中，我們努力尋找新的教學方式和方法，在MATLAB實踐教學平臺上盡量做到深入淺出的教學；著重培養學生對數字處理技術的運用能力。通過學習該課程，讓學生掌握在上述技術中繼續學習和科研的必要工具。在課程建設過程中，我們應用新的教學手段，研究并實踐如何提高“數字信號處理”課程的教學水平，在對該課程的精品課程建設中，實現了教學形式的多樣化、加強了教學互動，這些手段有效地提高了數字信號處理課程的教學效果[1]。
一、確立教學目標、改革教學內容
“數字信號處理”是滇池學院“電子信息工程”專業的專業基礎課。目前，該課程中的一些主要內容，例如：離散時間傅立葉變換（DTFT）、離散傅立葉變換（DFT）、變換域中的線性時不變離散時間系統（LTI）、數字濾波器的設計等，是本課程的教學重點和難點。尤其是DFT是本課程的重點教學內容。學好這部分內容，將有助于借助計算機或DSP芯片，用數值計算的方法分析信號的頻譜。若講授只停留在理論和公式推導上，學生得到的還是較為抽象的概念。現在多數三本院校的教學方式為傳統的黑板式教學方式，大多數用的還是中文版教材，若能借助于當今先進的軟、硬件技術，相信教學效果會更好。隨著現代社會科技水平的發展，視頻教學和多媒體教學的出現，社會對三本院校學生應用能力的需求提高及學生學習目的的多樣性等原因，我們將對本課程的教學目標和內容進行改革和探索。因此，我們將從以下幾個的方面進行探索。
1.在教學內容方面改革：以培養學生應用知識能力和設計創新能力為目標，根據近年來數字信號處理在信號分析方面應用的熱點，以及電子信息專業對該課程的要求，結合課程特點，參照國內外知名大學的教學計劃體現實踐性、先進性和前沿性[1]。
2.在使用教材方面改革：選用《Digital Signal Processing――A Computer-Based Approach》，作者是SanjitK. Mitra。該教材是清華大學出版社引進的國際知名大學――美國加州大學圣?巴巴拉分校的原版（英文）教材，且作者Sanjit K. Mitra教授是國際著名的信號處理專家。
3.在教研結合方面改革：通過本課程的建設，能成立一支由專家領頭，普通教師參與，教學水平高，教研相互促進的教師梯隊，并要求擔任本課程建設的教師能積極參與教學改革、及時掌握國內外在本學科領域的先進教學理念，從而形成一流的教學成果。鼓勵學生參加電子設計大賽，將“數字信號處理”的專業知識與其他電子信息領域的知識相結合，并能參與實際項目研發和相關論文寫作；鼓勵學生參加課外科技活動小組，將所學的數字信號處理的知識應用到解決實際問題中，既提高了學習積極性，又鍛煉了學生。
4.在成績評定方面改革：除本課程基礎理論采用閉卷考試外，把MATLAB實踐教學平臺上DSP應用和數字濾波器設計實驗計入到實驗考試成績中，以鼓勵學生提高應用知識能力和創新能力。
二、創新教學手段，完善教學方法
現在“數字信號處理”課堂教學方式多數是傳統的教師講、學生聽的模式，這樣的教學手段有利于培養學生的推理能力和解題能力，但是不利于學生的自主學習能力和創新能力的提高[2]。因此，教學方法上我們積極推動現代化教學手段在該課程中的應用，實施多媒體教學與板書相結合的創新教學模式。針對應用型人才培養目標，增加課堂討論、MATLAB編程、項目訓練等教學環節，加強學生對數字信號處理理論的理解，從而提高其實踐應用的能力。通過該課程教學建設，我們將實現以下目標。
1.多媒體技術與傳統板書相結合的教學方式。我們制作與教材配套的多媒體課件，增加視頻和動畫，調動學生學習的積極性，挖掘學生的學習潛力，使學生由填鴨式接受變為主動學習探究。
2.雙語互動的教學模式。為使三本院校學生掌握“數字信號處理”學科國際最前沿知識，提高學生在該課程及電子信息相關領域方面的英語水平，我們逐步推動對該課程進行雙語教學，采用全英文教材和課件。在實際教學過程中以英語教學為主，對于重點知識點的講授增加中文解釋。適當補充“數字信號處理”學科中專業詞匯的英語解釋，讓大部分學生能順利地使用原版教材進行學習，能用英語回答提問，完成用英語出的練習題、考試題，以及讓80%的學生在完成練習與考試中能全用英語答題。
3.理論教學與實驗教學結合，創建實踐教學平臺。實驗教學是課堂教學的重要補充，能促進學生將課堂上的理論知識與實際問題相結合，既鍛煉了學生的應用能力又提高了學生的興趣。在“數字信號處理”課程的實驗教學中，MATLAB的引入很受學生的歡迎。由于其豐富的函數庫、強大的計算功能及高度的可視化，將抽象和復雜的問題變得直觀和容易理解，再加上多媒體教學手段的應用，大大方便了學生對本課程理論的學習，有效地提高了學生的學習效率。根據三本院校的特點，我們把實驗題目分為：基本型（必須完成），選做型（有一定難度，鼓勵選做），以及設計型（綜合實驗，較難，具有挑戰性，需要花較多的精力和時間來考慮）三類。三種類型的“數字信號處理”實驗題目，滿足了不同層次學生的要求。其中，綜合實驗通常還作為實驗考核的內容。大部分的學生都能完成“基本型”的題；約1/3的學生能完成“選作型”的題；不少學生不再滿足“驗證性”的實驗，而希望能做具有挑戰性的研究設計型題，尤其是應用性和實用性強的題目。
在滇池學院“數字信號處理”精品課程的建設過程中，我們將努力提高教學理念和完善教學方式，加強課程的中英雙語教學，建立MATLAB實踐教學實驗室，爭取在精品課程驗收前建立數字信號處理課程的網絡教學的平臺。我們在課程建設中總結出許多成功的經驗，同時，也存在的一些不足。為確保課程建設順利完成，我們逐步實現教學手段多樣化，加強教研互動，增進師生交流，強化師資隊伍等目標。
參考文獻：
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典型的信號處理任務就是把信息從一種信號傳遞到另一種信號上，例如，可將一張照片加以掃描、抽樣，并將畢業論文共存儲在計算機的存儲器中，在這種情況下，信息是從可變的銀粒密度轉換戌可見光束，再變成電的波形，最后變戍數字的序列，隨后該數字序列用。磁盤上磁疇的排列來表示CAT掃描器是一個比較復雜，經過處理，最后顯赤射線管(CRT)的熒光屏上或膠片上。數字處理能增加信息，但可以重新排列信息，使觀察者能更方便地理解它.觀察者不必觀看多個不同測面的投影而可直接觀察截面圖。
人們感興趣的是信號所包含的信息，而不管信號本身是什么形式。也許可以概括地說，信號處理涉及兩個基本任務一一信息的重新排列和信息的壓縮。
數字信號處理涉及到用數的序列表示的信號的處理，而多維數字信號處理則涉罰用多維陣列表示的信號的處理，例如對同時從幾個傳感器所接收的抽樣圖像和抽樣的時間波形的處理。由于信號是因而它可以用數字硬件處理，同時可以將信號處理的運算規定為算法。
促使人們采用數字方法的是不言而喻的。數字方法既有效靈活。我們可以用數字系統使其有自適應性并易于重新組合。可以很方便地把數字算法由一個廠商的設備上轉換到另一個廠商的設備上去，或者把專用數字硬件來實現。同樣，數字算法也可用來處理作為時間函數或空間信號，數字算法自然地和邏輯算符如模式分類相聯系。數字信號能夠長時間無差錯地存儲。對很多種應用而言，數字方法Ⅸ其它方法更為簡單，對另外一些應用，則可能根本不存在其他方法。多維信號處理是不同于一維信號處理，想在多維序列上實現的多運算，例如抽樣、濾波和交換等，用于一維序列，然而，嚴格芯說，我們不得不說多終信號處理與一維信弓有很大差別的。
論文摘要：信號是傳遞信息的媒介，信號處理涉及信息的提取。
隨著集成電路的運算速度更快，集成度更高，就有可能耐復雜目益增加均一些多維數字信號處理。所它在最近才開始出現的一個新領域。盡管如此，多維信號處埋仍然對以下一些間提了解決的辦法，這些問題是：計算機輔動斷層成術(CAT)，即綜合來自不同方向的X射線的投影，以重建人體某一部分的三維圖，源聲納陣列的設計及通過人造衛星地球資源。多維數字信號處理除具有許多引人注目和淺顯易行的應用之外，它還具有堅賣的數學基礎.，這不僅使我們能了解它的實現情況，而且當新問題出現時，也當及時解決。
典型的信號處理任務就是把信息從一種信號傳遞到另一種信號上，例如，可將一張照片加以掃描、抽樣，并將共存儲在計算機的存儲器中，在這種情況下，信息是從可變的銀粒密度轉換戌可見光束，再變成電的波形，最后變戍數字的序列，隨后該數字序列用。磁盤上磁疇的排列來表示CAT掃描器是一個比較復雜，經過處理，最后顯赤射線管(CRT)的熒光屏上或膠片上。數字處理能增加信息，但可以重新排列信息，使觀察者能更方便地理解它.觀察者不必觀看多個不同測面的投影而可直接觀察截面圖。、
人們感興趣的是信號所包含的信息，而不管信號本身是什么形式。也許可以概括地說，信號處理涉及兩個基本任務一一信息的重新排列和信息的壓縮。
數字信號處理涉及到用數的序列表示的信號的處理，而多維數字信號處理則涉罰用多維陣列表示的信號的處理，例如對同時從幾個傳感器所接收的抽樣圖像和抽樣的時間波形的處理。由于信號是因而它可以用數字硬件處理，同時可以將信號處理的運算規定為算法。
促使人們采用數字方法的是不言而喻的。數字方法既有效靈活。我們可以用數字系統使其有自適應性并易于重新組合。可以很方便地把數字算法由一個廠商的設備上轉換到另一個廠商的設備上去，或者把專用數字硬件來實現。同樣，數字算法也可用來處理作為時間函數或空間信號，數字算法自然地和邏輯算符如模式分類相聯系。數字信號能夠長時間無差錯地存儲。對很多種應用而言，數字方法Ⅸ其它方法更為簡單，對另外一些應用，則可能根本不存在其他方法。多維信號處理是不同于一維信號處理，想在多維序列上實現的多運算，例如抽樣、濾波和交換等，用于一維序列，然而，嚴格芯說，我們不得不說多終信號處理與一維信弓有很大差別的。
信號處理與一維信號處理還是有很大差別的，這是由三個因素造成的;(l)二維通常比一維問題包含的數據量大得多;(2)處理多維系統在數些上不如處理一維系統那樣完備；(3)多維信號處理有更多的自由度，這給系統設計音以一維情況中無法比擬的靈活性。雖然所有遞歸數字濾波器都是用差分方程實現的，一維情況下差分方程是全有序的，而在多維情況下差分方程僅是部分有序的，岡而就存在著靈活性，在一維情況小，離散傳里旰變換CDET)可以用快速傅里葉變換CEPT)算法來計算，而在多維情況下，有多且每一個OFT又可用多種AFT算法來計算。在一維情況下，我們可以調整速率。而且也可以調整抽排列。從另一方面來說，多維多項式不能進行因式分解，而一維多項式是可以進行因式分解的。因而在多維情況下，我們不能論及孤立的極，氣、孤立的零點及孤立的根。所以，多維信號處理與一維信號處理有相當大的差別。在20世紀60年代初期，用數字系統來模仿模擬系統的想法，使得一維數字信號處毫的各種方法得到了發展。這樣，仿照模擬系統理論，創立了許多離散系統理論.隨后，當數字系統可以很好地模仿模擬系統時，人們認識到數字系統同時也可以完成更多的功能。由丁這種認識及數字硬件工藝的有力推動，數字信號處理得到了發展，而且現今很多通用的方法，已成為數字方法所特有的，沒有與其等效的模擬方法，在發展多維數字信號處理時，可觀察到同一發展趨向。因為沒有連續時間的(或模擬的)二維系統理論可以仿效，因而最初的二維系統是以一維系統為基礎的，80年代后期，多數二維信號處理都是用可分的二維系統。可分的二維系統與用于二維數據的一維系統幾乎沒有差別。隨后，發展了獨特的多維算法，該算法相當于一維算法的邏輯推理。這是一段失敗的時期，由干許多二維應用要求數據量很大，且iT缺少二淮多項式太分解理論，很多一維方法不能很好地推廣到二維上來。我們現在正處于認識的萌芽時代。計算機工業以其部件的小型化和價格日趨低廉而有助于我們解決數據量問題。盡管我們總是受限于數學問題，但仍然認識到，多維系統也給了我們新的自由度。以上這些，使得該領域既富于挑戰性又無窮樂趣，電子信息技術的結合之軟件結臺，傳統產業中可用電產信息技術的地方，仍然可以在生產或很低的條件下使用人力或傳統機械。電予信息技術應到限制，在不同領域和不同水平有各種原因，但爛有一個共大原因是缺乏認識。沒有認識，便沒有應層。
事實上，在一維和二維信號處理理論之間有實質性的差別，而在二維和更高維之間，除了計算上的復雜世方耐差異之外，似乎差別較小。
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Wan Guofeng
（School of Electrical Engineering Northwest University for Nationality Lanzhou， 730030 ，China）
Abstract： According to digital signal processing course has the features of the deduction of many formula was very difficult and it was not easy to control. We fasten on Fourier Transform which is the main line of this course， integrated teaching material，optimized curriculum system. We also highlight the physical meaning and application of the concept ，still further pay attention on developing students’hands on ability and problem solving capability.The teaching reform turns out to achieve good results in practice.
Keywords： digital signal processing； teaching reform； main line
0引言
數字信號處理是高校電子信息類專業的一門重要課程。該課程在理論上涉及微積分、高等數學、隨機過程、線性代數、復變函數等先修課程，具有概念多、難度大、靈活度高、在有限的教學時間內不容易被學生熟練掌握等特點[1]，客觀上造成了學生對此課程的畏懼心理，甚至有些學生因此還產生了厭學情緒。那么如何做到讓學生有興趣學習，并且能學好這門課，就是老師需要解決的首要問題。筆者經過多年的教學經驗，進行了一些嘗試，收到了良好的效果。現在歸納如下，以饗讀者。
1 緊抓主線
數字信號處理課程的一條線主線就是Z變換-離散傅里葉變換（對于連續信號，則是S變換-傅里葉變換），Z變換的公式是
X（z）=∑n∞=-∞x（n） z-n （1）
其收斂域是Rx-
再看看周期信號的傅里葉變換為什么不存在。因為z變換存在的條件是
|X（z）|=|∑n∞=-∞x（n） z-n
顯然周期信號是不滿足式（2）的，學生自然就知道了周期信號的傅里葉變換只能用傅里葉級數表示了。
而對于用模擬濾波器間接設計數字濾波器，更是應用了這條主線。Z變換與s變換的關系是[2]：z=esT，設s=σ+jΩ，z=rejω，則
σ=0，r=1σ1 （3）
由式（3）看出，單位圓上的z變換對應的是虛軸上的s變換，單位圓內的z變換對應的是左半平面的s變換，單位圓外的z變換對應的是右半平面的s變換。一目了然，簡單明了。
因此，只要一開始給學生說明，整本書就是講一個公式，則學生就會以比較輕松的心態去學習了。
2優化授課內容，減少數學推導
首先，選擇難度適中的教材，難度過大的教材一開始就降低了學生學習的積極性。所以在教材和教學內容上要做到優選內容、側重兼顧，本教學團隊選擇的是由高西全和丁玉美編著，西安電子科技大學出版社出版的《數字信號處理》，本書內容難度相對較小，但不失系統性，由連續信號經過采樣得到離散信號及離散系統，從而講清楚了采樣定理，在此基礎上講授離散傅里葉變換及z變換，以及二者的關系，通過z變換的收斂域講清楚了只有當單位圓上的z變換存在時，其離散傅里葉變換才存在，從而讓學生知道了周期信號的傅里葉變換不存在的道理。
其次，要注意前后教學內容的銜接和優化。將信號與系統的基礎概念、連續與離散系統的時域分析與頻域分析（傅里葉分析、拉氏分析、z變換分析等），以及系統的狀態變量分析等內容在“信號與系統”課程講。而將數據采集、量化、A/D、D/A轉換、離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）、IIR和FIR數字濾波器的設計及有限字長效應等內容作為“數字信號處理”課程的主要內容。這樣，就不至于出現重復講授，既節約了時間，又不至于使得學生生厭。
“數字信號處理”是建立在數學基礎上的學科[2]，課程的特點是理論性強、抽象概念多、起點高、難度大、數學推導嚴密[3]。但大量的數學推導會讓學生感到枯燥乏味，產生畏懼心理甚至厭學情緒。因此，在教學過程中教師應強調基礎理論知識，減少數學推導，更加注重強調應用背景和實際意義，盡量將學生的注意力放在概念意義的理解和技術應用，從而加深學生理解。例如在講解離散傅立葉變換時，假如單單講解離散傅立葉變換的定義和特性再進行數學推導，學生會很難理解，而且會感到枯燥乏味。但是通過對離散傅立葉變換和反變換在語音信號處理、生態系統處理以及數值分析等各個領域應用的講解，可以使學生深刻的理解和掌握其概念。
還要對課程重點內容通過深入詳細地分析其特性及與其他知識點之間的相互關系，使學生能夠真正理解其實質，從而達到觸類旁通的效果[1]。
關鍵詞：大班教學；形象化教學；學習共同體；數字信號處理
作者簡介：盧迪（1971-），女，天津人，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，教授；蘭朝鳳（1981-），女，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，講師。（黑龍江 哈爾濱 150080）
基金項目：本文系黑龍江省新世紀高等教育教學改革工程項目（項目編號：66996）、哈爾濱理工大學教育教學研究項目（項目編號：C201200011）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）16-0086-02
自大學擴招以來，各高校普遍存在學生多教師少現象，因此本科生的公共課、專業課的講授常采用大班額配課制度，學生數在百名左右。大班教學帶來的問題主要有兩個方面：一方面是大班教學對學生學習積極性的影響。在大班教學中，師生之間的交流較小班教學減少，學生的個性差異和獨特性被忽視，學生往往學習動機較低、學習積極性較差、學習被動、注意力不集中，師生之間和生生之間互不認識、互動很少。[1-3]另一方面，從教師的角度來說，由于大班教學導致學生發言、表達自己的意見機會大大減少，課堂氣氛比較沉悶，教師往往采用“一言堂”的教授模式，教學方法單一，而且由于課堂教學時間有限、學生數多，教師很難從學生那里得到有效反饋，不能全面了解學生對課程內容的接受、理解程度。
針對這些問題，越來越多的高校教師關注于大班教學方法的研究，從中國知網的統計來看，2010年發表的相關研究論文有123篇，2011年有203篇，2012年有155篇。這些論文中，80%左右的研究集中于大學英語等公共課程，而對專業課程的大班教學方法研究較少，因此本文針對“數字信號處理”這門專業課的大班教學方法進行了一些探討。“數字信號處理”課程是通信工程、電子信息工程、信息工程、自動控制、測控儀器等專業的重要專業基礎課。該課程理論性強、數學知識應用較多、物理意義不明顯，公式推導多，是學生普遍認為較難學懂、理解的課程之一。本文針對大班教學環境特點，從激發學生學習主動性，構建學習共同體方面出發，通過改善課堂效果，提高課堂上的學習效率，達到提升“數字信號處理”課程大班教學質量的目的。
一、建立“學習共同體”教學模式
“學習共同體”是指由學習者及助學者（包括教師、專家、輔導員等）共同構成的團體。團體成員在學習過程中經常進行溝通、交流，并分享各種學習資源，共同完成一定學習任務，形成相互影響、相互促進的人際聯系。學習是學習者主動構建內部心理表征的過程，學習過程需要與物和教材對話、與他人對話、與自己對話。為此，教師要在教學過程中給學生“自主學習的空間”，使學生針對任務或問題去思考、分析、理解、探究，和學生構建“學習共同體”，增進師生之間、學生之間的協作和互動，[4]將學習的主動權歸還給學習者，激發學生內在學習動力，將傳統課堂教學活動中教師負責“教”、學生負責“學”的單向活動回歸到師生互教、互學的雙向活動，師生關系不再是“管理者—被管理者”的關系，而是“民主平等”的關系。課堂上，教師不再是知識的主講者，而應像主持人一樣，是知識的介紹者和串聯者，學生應作為知識的“主講者”闡述其對知識的理解。只有理解“知識”，而不是死記硬背“知識”，才能應用“知識”。譬如在講授傅里葉變換時，教師在課堂上可以先從周期信號的分解歷史開始介紹，從18世紀Euler、Lagrange等科學家對弦振動的分析（此內容物理中有相應實驗），19世紀Fourier給出了周期信號級數的展開和積分、Parseval關于時域和變域的能量守恒原理、Dirichlet給出的級數和積分條件、Gibbs闡述的吉布斯現象，到20世紀無線電的產生、Nyquist采樣定理、Wiener功率譜、Cooley&Tukey給出的FFT算法等。通過對傅里葉變換演變歷史的介紹，學生很容易接受將任意信號分解為三角函數或指數函數形式的必然性，進而理解傅里葉變換的重要意義，掌握信號從時域到頻域的轉換過程。鼓勵學生利用強大的網絡資源，對教師介紹的有關歷史進行深一步的挖掘。在這個過程中，學生會對相關知識進行初步學習，當課堂上教師講解到相關知識點時，學生可以進一步補充自己了解的內容和對該知識點的理解。
大學工科專業課所講內容本質上是數學、物理、化學等基礎知識在工程實踐中的應用，如何將這些基礎知識與工程實踐相結合是工程類本科學生必須掌握的技能，而只有理解這些基礎知識才能很好地應用它們。英國著名哲學家和物理學家波蘭尼將人類的知識分為顯性知識和默會知識，其中默會知識本質就是理解力，是一種領會進而把握經驗、重組經驗，從而達到對它的理解和控制能力。相同的教師給同一批學生授課，但是每個學生的理解程度不一樣，這就是默會知識掌握程度不同。默會知識的獲得是與特定的問題或任務情景聯系在一起的，由于每個學生的理解方式都受其獨特的生活和文化環境影響，因此對相同問題的理解也是不一樣的。掌握默會知識的最好方法就是讓學生置身于知識所在的日常實踐情景和科學實踐情景中，通過參與專家、同伴的思考和行動過程而獲得那些不能明確表達的規范、準則等。
為加強“數字信號處理”這門課的實踐性，嘗試將學生分為Flash課件制作組、MATLAB課件制作組，DSP程序編寫組等，讓學生將比較抽象的數字信號理論知識用自己的方式形象化表達出來，以判斷其對默會知識的掌握。通過小組合作，學生可以充分闡述自己的學術觀點，在觀點的碰撞中，觸發靈感，加強批判性思維，提升對所學知識的理解程度。
二、課堂效果的掌控
“學習共同體”的建立是要激發學生內在的學習動力，調動學習主動性，而課堂學習效率的提高可以達到事半功倍的效果。首先要建立統一、規范的課堂秩序，如上課不遲到、不早退，上課時不準許使用手機、筆記本電腦等電子設備，不能無故大聲喧嘩，發言前要舉手示意教師等基本行為準則。沒有規矩不成方圓，在確保課堂教學秩序的前提下，才能保證教學效果，要使學生清楚了解、理解這些行為規范，并自覺遵守執行。其次，教師要利用語言表達能力和肢體語言吸引學生的注意力。教師的語言要簡潔、準確、生動、富有邏輯性，可以通過聲調的變化強調所講知識點的重要性。由于采用多媒體教學，教師不用一直站在講臺上，可以到學生座位附近邊走邊講，這樣，不僅可以縮短師生之間的空間距離，還可以縮短師生之間的心理距離。當教師走到學生身邊時，學生必定會將注意力轉移到教師身上，提高了其聽課的專注度。教師在教室內的走動，還有利于隨時維護課堂秩序，并隨時得到課堂信息的反饋。
課堂秩序的規范不是要求學生沉默地聽，而是要保證正常的教學秩序，學生如果想要發表自己的見解，可以隨時舉手示意教師。教師鼓勵學生之間進行討論，而教師則處于一種裁判的地位，負責給出結論和維持課堂秩序。這樣，在課堂教學中，教師不再始終處于主講地位，而是將學習的主動權交給學生，激發學生主動學習的能力。
三、“數字信號處理”課程的形象化教學
在文獻[5]、[6]中都提到了“數字信號處理”課程形象化教學方法，目的是更好地幫助學生建立起數學描述與物理概念、物理過程之間的聯系。因此在課堂上，教師要鼓勵學生將數學描述用圖形的方式表達出來。譬如在學完DFT的定義后，可以啟發學生將拉氏變換，連續時間信號傅里葉變換（FT）、序列傅里葉變換（DTFT）與離散傅里葉變換（DFT）在s平面、z平面上畫出來。雖然教材上有相關圖形，但是可以讓學生將這幾個圖形及模擬濾波器的頻率響應、數字濾波器的頻率響應繪制在一張紙上，如圖1所示。在圖1（a）中，虛軸上的拉氏變換對應連續時間非周期信號的FT；當時間信號為非周期序列時，進行DTFT變換，那么z平面上（如圖1（b）所示）的單位圓對應的是序列的FT，此時學生可以清晰地看出數字頻率仍然是連續的，但是具有了周期性質，這種頻率連續的信號仍然不能用數字處理芯片進行處理，因此要在單位圓上進一步將連續的進行離散，如圖1（c）所示，將單位圓N等分，即，可清楚表明DFT的概念。在解釋圖1（d）（e）時，重點強調模擬濾波器的角頻率范圍是，而數字濾波器的數字角頻率是周期性的，只研究這一個周期就可以。
在課堂講授中，多媒體教學能將抽象、生澀的知識形象化、直觀化，改變了傳統教學中粉筆加黑板的單一、呆板的表現形式。在多媒體教學上，可以將PPT、flash和MATLAB綜合在一起應用。例如，在講解卷積、圓周卷積等概念時，由PPT給出相應概念與公式，用flash展現2個序列做卷積、圓周卷積的過程。將圓周卷積中的移動序列做成一條貪吃蛇的形狀，學生們看了之后，對圓周卷積有了一種直觀的認識，對其原理的理解也更透徹。此外，多媒體教學信息量大，可以提高課堂的教學效率。但是，對于“數字信號處理”這類理論較強的課程，單純使用多媒體教學，效果往往不佳，譬如在推導一些定理、公式時，推導過程直接呈現在PPT上，學生一眼掃過，導致思路跟不上（或也不愿意思考），理解不透徹，此時還是傳統的板書效果更佳。在授課中，將知識的重點、難點及重要公式的推導由板書的形式呈現出來，方便學生記筆記，有利于學生日后對資料的整理和復習工作。
四、小結
“數字信號處理”是一門理論強、公式多、難理解的課程，在大班教學環境學下，如果學生不積極參與到教學活動中，則教學效果不佳。通過推行“學習共同體”思想，激發學生學習的內在主動性，通過形象化教學，提高學生學習的外在興趣點，以達到學好、學透“數字信號處理”這門課的目的。
參考文獻：
[1]陳艷蓮.高校大班教學存在的問題及教學方法的優化[J].教育與職業，2011，（12）：164-165.
[2]劉曉利.“特朗普制”教學模式與大班課堂教學的控制[J].計算機教育，2011，（12）：59-61.
[3]于化新，劉慧慧，謝鑫.大班教學問題與策略的探討[J].當代教育論壇，2011，（6）.
[4]薛煥玉.對學習共同體理論與實踐的初探[J].中國地質大學學報（社會科學版），2007，（1）.
