《數字信號處理》的優化設計探討

陳　嘉

摘要：《數字信號處理》課程實用性強、理論內容豐富但概念抽象，因此作為學生，學習起來勢必會力不從心。從學生學習的角度，闡述了《數字信號處理》的優化設計，探討了數字信號處理》的課程的改革優化方案。

關鍵詞：數字信號處理；課程優化；方案

中圖分類號：TN911.7文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

Optimal Design of "Digital Signal Processing"

CHEN Jia

（Cai Family Commissioner of Guizhou University of Electrical Engineering College Campus,Zhouyang 550003, China）

Abstract: "digital signal processing" courses practical and theoretical abstract concept but rich in content, as a student, learning together is bound to Impossible. From the perspective of student learning, described the "digital signal processing," the optimal design, digital signal processing of the "optimization of the curriculum reform programme.

Keywords: Digital signal processing; Optimization of courses; Programme

《數字信號處理》作為電子與信息工程學科的主干課程，其主要任務是以通信和控制系統的應用為背景來研究信號傳輸與處理的基本理論和基本分析方法。盡管其內容都已相對穩定，所涉及的理論和分析方法也都比較成熟和經典，但是，信息技術飛速發展的今天，作為面臨著和社會直接接軌的學生來說，實現《數字信號處理》課程的優化設計事在必行。

1 數字信號處理課程優化設計概述

“數字信號處理”是信息工程專業信號類課程的一門主干課，前導課是“信號與系統”?！皵底中盘柼幚怼闭n程理論性較強，對數學基礎要求較高，學生普遍反映抽象、難學。對此，1999年以來，一方面引進課件（清華大學出版的“數字信號處理多媒體CAI教程”）進行課內外的計算機輔助教學，另一方面加強了與前導課“信號系統”教學內容的銜接與協調，去掉不必要的重疊。從2003年起，將線性離散系統和z變換部分的教學內容放在了“信號與系統”課程中去進行，讓學生提前在較早的時間就接觸離散系統部分的教學內容，既分散了難點，又為“數字信號處理”課程中的消化不良現象騰出了時間，為深入改革課堂理論教學提供了新的機會。

但是，“數字信號處理”畢竟是一門概念性較強的課程，多年來，我們仍然一直普遍感到抽象難學。通過最佳一致逼近的瑞米茲（Remez）交換算法優化設計這一環節教學工作為例可以看出，課程改革的成功，需要多個教學環節改革的協調配合，包括課堂理論的CAI教學改革、教學法研究、習題課及課程設計改革等。課程改革成功與否，還可以在相關畢業設計中得以體現。

“數字信號處理”課程的優化設計中，最佳一致逼近的瑞米茲交換算法最為重要，它是FIR（有限沖激響應）數字濾波器的主要優化設計方法，FIR濾波器在具有任意的幅度特性的同時具有嚴格的線性相位，FIR經過一定的延時后可以將非因果有限長序列變成因果的有限長序列，所以在數字信號處理中得到廣泛應用。

2 數字信號處理課程優化方案

2.1 學習方法優化

在學習上采取重點和難點突破，簡單的或應用場合不多的可以少學或自學；對于復雜問題進行歸納和簡化，以使自己易于理解。如在學習如何根據系統函數的零點和極點位置來判斷系統頻率響應特性時，闡明了問題的實質，即“某一頻率處的幅度響應與單位圓上該頻率點到所有零點和極點的距離有關，零點附近的幅度響應是極小值，極點附近是極大值”。抓住這一基本概念后就可以自己去理解教材上的例題。同時結合這一概念，理解在設計FIR濾波器時，必須根據具體要求，對系統單位取樣響應的對稱性作出正確的選擇，這樣該概念就由抽象復雜變得簡單明了。另外根據不同的學習內容采取靈活多樣的學習方法如：設問誘思法，換位思考法，逆向思維法，比喻法，例舉法，分類對比法，模型構建思維法等。通過對學習方法的優化可以激活學生的思維，提高學習質量。

2.2 應用與實踐課程的并進

眾所周知，數字信號處理（DSP）技術已在極其廣泛的領域中得到應用。我們認為，如仍按以往的內容實施數字信號處理課程的學習和實驗，已不能適應DSP技術高速發展的需要。

首先，以往開設的數字信號處理課程以理論為主，涉及到實際應用的內容基本上局限在數字濾渡器的設計等方面，且由于本課程的課時限制，能安排為實驗的學時一般較少，因此，學生所能掌握的DSP技術是很有限的。

其次，DSP技術本身在飛速發展，尤其是高速DSP芯片的廣泛應用，對這一領域專業人才需求已日趨緊迫。而這方面的技術和有關課程 往我們是在碩士研究生階段開設的，本科生對高速DSP技術了解甚少，應該樸上這一課。因種種原因，學生的硬件實踐環節不是加強，相反有削弱的趨勢，特別是設計性實驗環節。

所以我們應當通過適當的措施以提高自身的動手能力。

本課程雖然是理論課，但它與實踐關系密切，如果僅僅講授理論知識，我們對理論知識的理解往往是膚淺的、表面的。因此我們必須加大了實驗環節，利用一些信號處理軟件如Matlab、Systemview等，改變已有的演示驗證性實驗模式，增加綜合設計性實驗。以此激發我們學習參與實驗的積極性，使在學習課程基本概念、基本理論和基本方法的同時，也培養自身獨立分析、解決問題的能力。在實驗中，遵循驗證和設計相結合的原則，采取舉例為輔，設計為主的方法，達到拋磚引玉的效果。通過實驗，我們既學會了利用軟件分析解決問題的

方法，同時也加深了對所學知識的理解。例如在IIR濾波器設計實驗中，教師給出利用沖激響應不變法設計濾波器的范例，要求我們設計雙線性變換法濾波器程序，并在頻譜分析的基礎上，用此濾波器對帶噪信號進行濾波。通過實驗，我們既驗證了所學理論，又利用Matlab語言作為工具編程實現了理論和概念的仿真，鍛煉了設計分析能力。

2.3 強調概念的物理意義和應用

就“數字信號處理”的概念抽象難懂、涉及數學知識較多、公式推導繁瑣等問題，我們改革并豐富傳統的學習手段，開發并完善適合學習的多媒體輔助系統，充分發揮現代手段的優勢。例如，可以利用Authorware、Flash等工具制作動畫，將抽象的概念感性化，以形象生動的圖像、動畫來展示理論內涵。這樣可以啟發自身的思維，培養自身的學習興趣，實施形象學習。例如，對于信號采樣及恢復問題，在介紹時采用了動態演示的方法 將采樣及恢復過程用Flash動畫形象的表現出來。這樣一來，一方面使抽象的過程生動起來，使自身加深理解，另一方面也激發了自身的學習興趣。

由于“數字信號處理”課程中大量的理論和結論都是通過數學推導的方式得到，所以我們往往過于注重公式推導或證明，而不能理解其實質和用途。針對這種情況，在學習中特別要強調結論的物理意義和應用，尤其是結合科研實踐給出理論在圖像處理、語音信號處理方面的具體應用以此加深自身理解，提高學習興趣。

例如，離散付里葉變換DFT是頻域分析的有效工具，信號的頻譜分析在通信、圖像傳輸等領域都占有非常重要的地位，因此在該章的學習中，除了對其概念及性質的介紹，還對其應用進行了舉例說明。例如，一個信號由10Hz、20Hz和30Hz的三個正弦信號構成，即

X(t)=sin(2π×10t)+sin(2π×20t)+2sin(2π×30t)

且該信號被隨機噪聲污染，在時域中很難確定其組成成分，我們可以利用Matlab編程實現離散付里葉變換，分析出該信號的成分。設采樣頻率為500Hz，如圖1所示：

圖1 信號頻譜分析

圖1(a)為純凈時域信號；圖1(b)為受到噪聲干擾的時域信號，從圖中可以看出噪聲較大，已經看不出信號的周期性；圖1(c)為該信號的頻譜，可見信號集中在10Hz、20Hz和30Hz三個頻率上。通過這樣的直觀結果可以增強自身的感性認識，加深對DFT概念的理解。

3 結語

《數字信號處理》是一門非常重要的課程，因此在適應素質教育對電子信息專業人才培養的要求下，我們結合自身實際情況對該課程進行優化改革。

實踐證明，隨著通信技術、電子技術和計算機技術的飛速發展，實現對《數字信號處理》的優化設計，有利于提高課時效率，有利于拓寬專業知識面，有利于培養和加強自身系統設計能力和實踐能力，有利于加強自身素質教育的課程改革，諸如課程內容的劃分與銜接、學習內容的主次安排及增刪、實驗課程的設置和實踐環節的統籌。

但是，如何在學習過程中發揮自身的主動性，將多更多方案應用于學習，使自身學習效果達到最優，有待我們進一步探索和實踐。

參考文獻：

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收稿日期：2008-04-05

作者簡介：陳嘉（1984-），男，學歷本科，單位：貴州大學蔡家關校區電氣工程學院。