数字信号处理论文大全11篇

数字信号处理论文篇（1）

1.1科学家成长经历的介绍

科学家之所以可以提出被广泛接受和应用的理论、公式、方法等成果，与他们的成长经历是分不开的。教学改革中添加了对科学家的家庭背景、成长经历、就学学校、对他产生影响的导师这些内容。比如在傅里叶变化的教学中，授课教师介绍了约瑟夫傅里叶因为幼年父母双亡，所以很小便被送入天主教本笃会接受教育，之后考入巴黎高等师范学校，毕业后在军队中教授数学，27岁时他到巴黎高等师范学校教书。这些经历对他后来傅里叶变换的提出起到了关键作用。

1.2科学成果所在年代的历史背景

获得科学成果所在年代的历史背景也是非常重要的内容。所在历史年代的特殊性给了科学家们特定的环境、氛围、机遇等等，使得他们有机会提出新的理论和方法。比如傅里叶所在的年代是18世纪末，当时正是拿破仑东征时期，傅里叶跟随拿破仑军队东征，被任命为下埃及的总督。由于英国舰队对法国人进行了封锁，所以他受命在当地生产军火为远征部队提供军火。这个时期，他向开罗埃及学院递交了几篇有关数学的论文。1816年他回到巴黎，六年后他当选了科学院的秘书，并发表了《热的分析理论》一文，此文是建立在牛顿的热传导理论的速率和温度差成正比的基础上。

1.3中外相同历史时期的对比

将中外历史进行对比，更有助于学生展开联想，容易想象和理解科学家所处时代的环境，从而更好地理解学习内容。仍以傅里叶为例，授课教师介绍了从十七世纪中后期到十九世纪欧洲科技史的发展，在数学课中提到的其他数学家，比如牛顿、拉普拉斯、柯西这些人与傅里叶的前后关系。同时傅里叶所在时期是中国的清朝时期，当时中国的情况、科技的发展又是怎样的。这些对比既增加了学生听课的兴趣，又便于他们理解内容。

2教学反馈与体会

通过对数字信号处理课程引入比以往教学中更多的科技史内容这一探索，授课教师获得了很多正面的反馈，对教学方法改革有了更为深切的体会，积极意义有以下三个方面：

2.1激发了学生的学习兴趣

科技史方面的介绍明显的激发了学生的学习兴趣。关于科学家具体人物的背景介绍更加吸引学生的注意力，大家会更加专注的去聆听授课教师的课程内容，有时会主动提出问题，讨论科学家的经历对他们发表成果的影响。而且课程当中不断回顾这些科技史的内容，会周期性的刺激学生，将暂时失去注意力的学生重新拉回到课堂上来。

2.2培养了学生正确的思考方法

科技史的介绍更加清楚的讲清楚了科学家是如何一步一步推演出最终结论的。传统的教学方式直接给出最终的结果、定理、定律，而新的教学方法更加符合科学发展的自然规律，从最初始的一个新想法，一直讲到最终理论的形成。这一思考方法更有利于学生的思考过程。未来学生在自己学习、从事科研活动中，会应用到这些正确的思考方法，更为容易的取得成果，推动科技进步。

2.3加深了对所学知识的理解

科技史的相关介绍增加了学生的学习热情，让他们有了更为清晰的学习思路，从而获得更好的学习成果。课堂互动、平时测验与期末考试的成绩，都反映出了教学改革之后学生对知识的理解更加深入、透彻，更好的掌握了数字信号处理的许多知识点。学生们也明显对与科学家直接相关的学习内容有更好的记忆力。

数字信号处理论文篇（2）

一、前言

目前，数字信号处理已成为国内外很多大学电子信息专业本科生及研究生的一门重要的必修专业基础理论课。各个大专院校投入了大量的人力与物力，进行了该课程的基本建设和改革，各院校教师也投入了大量的时间和精力，积累了大量的宝贵经验，用于促进教学。

数字信号处理主要讲述离散信号的基本概念、快速Fourier变换（FFT）、数字滤波器（DF）等，包含了如FFT、DF等纯数学定义及其推导过程，枯燥无味，教学过程如同讲授纯数学。本文结合我校十多年的电子信息相关专业的教学实际，在教学实践基础上，针对我校特点对教学内容和方法进行了总结和探讨，并提出相应的改革方案。

二、教学内容

1.教材内容的精心组织：数字信号处理教材繁多，理论强，难度大，难以适应以工程为背景的数学相对薄弱的学生。根据教学需求，我们查阅了国内外的很多教材，有目的地精选了教材内容，并将其装订成讲义。

为了适应我校学生的特点，我们选择从连续信号开始讲起，在复习中讲授离散时间信号的知识点；从连续信号的Fourier变换引出离散Fourier变换，再讲授FFT，同时复习采样定理等内容；从模拟滤波器的设计引出无限冲激响应的数字滤波器设计，再讲授有限冲激响应。我们还提供大量经过精心设计的习题，以帮助学生掌握课程的内容，弥补了该课程学时较少的缺点。

同时，我们选用由程佩青编著的清华大学出版社出版的教材《数字信号处理教程》(第二版)作为参考教材，该书对信号处理的基础理论和基本算法进行了充分的论述与讨论，条理清楚，深入浅出，有利于学生更牢固地掌握数字信号处理的基本概念及基本理论。

2.精心组织教学内容：数字信号处理内容理论性强，晦涩难懂，很多概念涉及到大量数学公式的推导，学生普遍反映枯燥无味。为了让学生在有限的学时(共42～48学时，含6学时实验)内更好地掌握数字信号处理的基本知识点，对数字信号处理的授课内容进行了精心安排和选择，精简了部分内容，重点讲授基本概念和关键结论，最后以专题的形式讲解数字信号处理在信息学科中的应用。避免大量冗长复杂的公式推导，丰富了教学内容，提高了学生的兴趣。

我们把数字信号处理的基本内容分成四大部分：第一部分复习关于信号与系统的基础知识，包括Fourier级数、Fourier变换、Laplace变化和z变换；第二部分内容是采样定理、离散信号，以及DTFT变换、DFT变换及其快速实现算法FFT。重点要理清各种变换之间的关系，便于学生系统地掌握知识；第三部分内容是滤波器的结构及设计。通过深入详细地分析其结构、特点及与之前学过的知识点之间的联系，使学生真正理解和掌握各种数字滤波器的设计方法；第四部分内容是以专题的形式讲解典型工程信号的检测与分析，并重点讲述信号处理中较为实用的技术及算法。

3.保证理论教学与实验教学同步进行

我们总共安排学生6学时实验，分别为信号的产生与采集、信号的FFT分析、滤波器设计。要求学生在熟悉MatLAB的情况下采集信号，并对信号进行回放、显示、放大、缩小等操作，然后对不同频率、不同幅值的信号进行FFT谱分析，画图说明谱的含义，最后对这些信号进行滤波，并比较信号在滤波前后的频谱变化。每一部分的实验与课堂内容相结合，与课堂教学节奏相符，以便学生及时掌握课堂内容，最后我们还有一次数字信号处理的综合实验，完全由学生完成信号的获取、谱分析、滤波等操作。

三、教学方式

1.理论内容的可视化

目前，很多国外高校采用Matlab仿真方法来完成数字信号处理的相关理论教学，并与实验教学环节结合，做到基本原理和基本运算可视化、可操作化。这里的“可视化”和“可操作化”是国外大学所提供的一个在理工科教学中很好的思路和解决方法。从各个高校布置的实验上看，还有大型化和多系统仿真的趋势，难度较大，使学生对复杂的理论能够动手操作，提供了一些解决实际问题的机会，也使学生能更加深入地理解和掌握数字信号处理课程所教授的内容。

2.缩短纯理论教学时间，增加实践演示环节

数字信号处理包含了大量的抽象理论，涉及复杂的数学公式推导过程。因此，在进行理论讲解之前，利用MATLAB仿真实验让学生感受到算法及抽象理论的作用和性能，提高他们的兴趣和求知欲，以便切实参与到教学中。例如，奈奎斯特定理比较抽象，如果一开始直接讲解其推导过程，学生理解起来比较困难，教学效果差。相反，先用MATLAB软件演示信号的采样与重建，并且通过设定不同的采样频率。观察抽样后信号的频谱图，可以很明显地看到采样频率小于信号最大频率的两倍时，产生的频谱混叠现象。这时，有目的地提出奈奎斯特定理，并且利用黑板板书的形式进行推导，就能有力地抓住学生的思维，取得良好的教学效果。

3.理论与实践并重

加强实验环节教学实验教学是工科大学教学中一个重要环节，它是学生巩固所学理论知识、培养学生创新能力的重要途径。数字信号处理是一门理论与实践密切相关的课程，仅通过课堂的理论教学和少量的课外辅导，学生还是完全停留在对理论知识的表面认识上。为此。加强实验教学环节，让实验教学与理论教学同步进行，以便及时有效地加深学生对理论知识的巩固和理解，并且能够将理论应用于实践。

该课程共设置了三个实验和一个综合性实验，其中前三个实验为基础性实验，例如：利用序列的傅立叶变换，对离散信号及系统响应进行频域分析、滤波分析，最后的大型实验为综合性实验，要求学生用双线性变换法设计IIR数字滤波器、用窗函数法设计FIR数字滤波器，然后用频谱分析滤波器设计的正确性。

通过自己动手编写程序，既巩固了理论知识，又锻炼了分析问题、解决问题的能力。

四、结语

数字信号处理是电子信息工程专业的基础专业课程，也是其他专业如机械测试、振动与信号处理、医学图像处理、生物医学信号处理的前导课程，理论性和实践性很强，必须在教学内容、教学手段和实验教学方面不断地进行探索和尝试。今后，我们将继续进行教学研究，不断完善理论教学和实验教学过程，力争让学生更好地理解和掌握理论知识，并且能够将其运用于实践。

参考文献：

数字信号处理论文篇（3）

中图分类号：G624文献标识码：A文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0163-02

1传统教学中存在的问题

数字信号处理课程具有理论性强、概念抽象的特点[2]，大量的理论和算法都要通过严密的数学推导，传统的教学计划学时大都用在算法的讨论和理论公式的推导，教学手段主要以黑板教学为主，缺少灵活性，课程偏难且枯燥；教材中Matlab仿真实例以验证性实验居多，缺少具有实际工程背景的设计内容[3]，更缺少与数字信号处理教学内容相关的编程实验，与专业教学计划设置脱节，学生渴望实践锻炼，但又对实验等一些实践环节重视程度不够，因此容易出现学生怕学、厌学及学不懂，老师怕教、难教、教不好的现象。

2课堂教学的改革

2.1修订教学大纲

陕西理工大学数字信号处理课程的教学计划一般安排40学时理论教学，8学时实验教学。遵照学时安排，合理设计对学生的知识与能力指标体系，以适应应用型人才培养。课程使学生培养信号分析与处理的思想，掌握信号处理的基础理论知识，并侧重于理论知识在实践中的应用，让学生具备应用信号处理的基本原理和方法去分析和解决实际工程问题的能力。

2.2课堂教学改革

数字信号处理内容理论性较强，偏重于理论及算法推导，较少涉及实现方法及相关的软硬件技术，学生容易感觉枯燥难懂。为解决这些难题，就要完善现有教学模式，采用多媒体教学和传统板书教学并用的教学手段。

一方面，对于课程中的基本理论和算法推导，以及习题讲解仍然采用板书详细讲解，以便学生有足够的时间跟上教师的授课思路，同时结合学科发展趋势，列出一些实际的工程实例与课本知识结合起来，让学生感觉学以致用。另外，也要把数字信号处理的发展过程与理论知识结合起来，从而能够掌握各个知识点的关联与区别，加深对信号处理思想与工具的理解。例如“信号与系统”偏重于模拟信号与系统，“数字信号处理”偏重于数字信号与系统，原因是计算机只能处理数字信号，不能处理连续信号，所以必须把模拟信号通过抽样、量化、编码等步骤变换成数字信号，计算机才能识别处理模拟信号。这样就可使学生把相关的思想、原理和方法融会贯通成一个完整的知识体系。另一方面，对于诸如时域频域抽样和Z变换等表示物理工程概念，以及包括本学科新技术和新进展在内的课程内容则采用多媒体方式，通过声音、图片、动画、Matlab仿真等多种互动教学形式，不仅节省了学时，而且有助于学生形象理解和提高学习兴趣，加深对课程内容的理解。

2.3考试措施改革

学生的综合成绩主要由笔试、实验和平时成绩组成，各占比重为70%，20%，10%，有效地将学习过程考核、实验设计环节，以及课程设计纳入到考核范围[4]。其中笔试主要考核学生对数字信号处理理论内容的掌握情况，注重分析与综合运用；实验成绩为操作技能和实验报告两部分组成，增强学生对实践环节的重视，强化其编程、仿真调试能力，以及独立分析解决问题的素质；平时成绩的给定主要参考平时课题提问及回答、作业成绩、课堂考勤，以及课程设计等部分，课程设计报告要求在数字信号处理课程结课后，分小组自助选题做研究，并按照规定的格式和内容要求提交一份研究报告。

3实践教学的改革

3.1改革Matlab实验

在教材或实验指导书验证性实验的基础上，为学生提供必要工作环境和条件，增设设计性和综合型实验内容。例如，人体心电图在测量过程中间容易受到外界环境通信及电磁信号的干扰。实验给出一个心电图信号采样序列标本x（n），假设该信号中存在外界干扰信号，要求在实验中输入心电图序列x（n），滤除x（n）序列中的外界干扰信号，保留原始的有用信号。学生通过类似的综合性实验，可以实现信号的频谱分析、滤波和设计，完成简单的数字信号处理功能，从而锻炼了学生的综合运用能力，使其感觉有趣、有用，更能进一步增强其学习、科研的兴趣和能力。

3.2改革DSP实验

目前，我院利用现有的银杏科技公司的DES320PP-U数字信号处理仿真/教学实验系统集成了型号为XDS510仿真调试器，不需要外部JTAG仿真器即可完成DSP各个模块的实验；该实验系统全面支持TI公司的C2000，C5000，C6000等系列DSP，可开设出算术运算类、数字信号处理理论类、芯片原理类、DSP/BIOS、信号与系统类、控制类，以及硬件扩展设计实验等实验项目。为此，在现有的实验项目基础上，借助于试验箱及其CCS编程环境，学生可以在CCS图形窗口观察信号的时域和频域曲线，观察原始信号和滤波后信号的曲线。这样，可有机地将硬件和软件相结合进行实验，将数字信号处理理论与DSP控制器使用编程融为一体，真正地讲数字信号处理理论应用到实际工程中，达到理论与实践相统一的目的，学生在实验与编程环节中达到“知其然，更知其所以然”。

我院将全部实验室对外开放，学生可以主动联系实验室，可以在实验室无教学任务的情况下，自行练习教材或课堂上的程序，也可以自己提出要研究的课题，进行论证编程。通过实践实验环节的锻炼，达到从教学实验锻炼到工程实践的逐层深化和提高，从而有助于学生具有自助学习探究的态度，以及创新创业的精神，以适应当前多元化的社会对综合人才的需求[5]。

4结语

通过对数字信号处理的课程大纲、课堂教学、实践教学等方面的系列改革，在实际的教学中取得了令人满意的教学效果，不仅激发了学生的学习兴趣和积极性，让学生更为深刻地理解了信号处理的思想和基本理论，而且培养了学生思考与钻研能力。希望通过进一步地教学改革和尝试，带动应用型本科院校数字信号处理教学质量再上一个台阶。

参考文献 

[1] 王秋生，袁海斌.“数字信号处理"教学方法的探索与实践[J].电气电子教学学报，2008，30（4）：87-89. 

[2] 王冬霞，李波，孙福明，等.应用型本科院校《数字信号处理》的教学改革与探索[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2010，12（6）：30-31. 

[3] 毛伊敏，钟文涛.数字信号处理课程研究型教学方法研究[J].中国电力教育，2008（11）：79-80. 

数字信号处理论文篇（4）

【基金项目】论文由“上海理工大学‘精品本科’系列研究项目”专项资助。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）35-0231-01

数字信号处理是一门的重要专业基础课，由于理论性很强、比较抽象，对于听课的学生和授课的教师均是一个难点。为了能让学生深入的体会和学好数字信号处理的理论知识，教学实践环节是必不可少的。

1.数字信号处理教学实践环节的现状

目前在数字信号处理课程的教学实践环节中，较为普遍的是采用MathWorks公司的数学分析软件Matlab，学生通过Matlab软件编程对数字信号处理的理论知识进行仿真和验证，这种通过纯粹软件编程进行仿真验证的实践方法仍然是比较抽象的，不利于学生对所学知识的深入理解，也不利于理论联系实践。

国内一些高校开始采用Matlab编程与可编程逻辑器件相结合的方法来进行该课程的实践教学，这种将软、硬件平台相结合的方法是一个很好的尝试，但它需要学生在熟悉可编程逻辑器件的基础上，熟练进行硬件描述语言（HDL，hardware description language）的编程，这样就容易使学生在掌握软件使用和熟悉硬件平台等方面花费过多的时间，从而忽视了对数字信号处理课程本身一些重要理论和概念的理解与掌握，达不到教学实践目的。因此，需要对本课程教学实践的方法进行探索和改革。

2.教学实践方法的改革

2.1教学实践方法的思路探索

需要找到一种简单易行的方法，使得数字信号处理的理论算法可以在硬件上得以实现，并且可以通过嵌入式测量软件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）对信号的处理结果进行实时在线观测，那么学生必然会对所学的理论知识能有更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力。

鉴于学生在前期课程中已学习过可编程逻辑器件FPGA的相关知识，而FPGA是一种实现数字信号处理的通用硬件器件，如果能够通过一种简单的操作将数字信号处理的理论算法在FPGA器件中得以直接实现，那么就能起到事半功倍的学习效果。

2.2 DSP Builder工具软件的特点

在数字信号处理中Matlab是用作算法开发和仿真的软件，而DSP Builder通过Matlab中的Simulink模块将Matlab的算法开发和仿真与硬件描述语言（HDL）的综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具软件的集成，从而使学生在进行系统级设计、算法设计和硬件设计时共享同一个开发平台，并且不需要过多关注硬件设计方面的知识和硬件描述语言的编程，同时，DSP Builder是作为Matlab中Simulink模块的一个工具箱出现[1]，使得学生可以通过Simulink图形界面调用DSP Builder工具箱中的提供Altera知识产权核（IP core， intellectual propert core）MegaCore进行DSP系统设计，因此学生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花过多的精力熟悉DSP Builder的使用。

2.3 DSP Builder应用于教学实践

应用DSP Builder在教学实践中进行基于FPGA的DSP系统开发，整个设计流程是基于Matlab的Simulink模块，DSP Builder和QuartusII的，包括从系统描述到硬件实现都可以在一个完整的设计环境中完成，构成了一个自顶向下的设计流程。它主要分为以下几步[2， 3]：

（1）利用Simulink模块、DSP Builder模块以及IP核模块Matlab的Simulink模块中对DSP系统进行建模，只需双击系统中的模块就可以对该模块进行参数设置，同时可以基于Simulink平台仿真验证所搭建DSP系统的功能。

（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模块，将Simulink模块文件（.mdl）转换成RTL级的VHDL硬件描述语言代码描述以及用于综合、仿真、编译的TCL脚本。

（3）在得到VHDL文件后，设计者仍然可以通过Signal Com？鄄piler自动调用综合工具和编译工具。目前DSP Builder自动流程中支持的综合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。综合后产生的网表文件送到QuartusII中进行编译优化，最后生成编程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件对目标器件进行编程配置和硬件实现，同时生成可分别用于QuartusII的门级仿真文件和Modelsim的VHDL时序仿真文件以及配套的VHDL仿真激励文件，可用于实时测试DSP系统的工作性能。另外，设计者也可以在Simulink外手动调用其他C合工具和编译工具。

（4）针对第二步中生成的VHDL，利用自动生成的Modelsim的TCL脚本和仿真激励文件所做的仿真为功能仿真，而当由QuartusII编译后生成的VHDL仿真激励文件和Modelsim的TCL脚本进行的仿真为时序仿真。

（5）最后将QuartusII生成的配置文件下载到目标器件中，形成DSP硬件系统。

2.4教学实践的实施步骤

（1）教授学生使用DSP Builder进行基于FPGA的DSP系统开发的过程。

（2）设计出利用DSP Builder进行数字信号处理教学实践的典型题目。

（3）让学生将Matlab中编写的数字信号处理算法，直接在FPGA器件中得以实现。

（4）对信号的处理结果进行实时测试，解决数字信号处理中的实际问题，切实做到理论联系实践。

3.教学实践的效果

在数字信号处理的教学实践中，应用DSP Builder在FPGA器件上实现数字信号处理的算法，使学生在设计过程中摆脱了繁琐的具体硬件设计，将更多的精力关注在数字信号处理算法设计的实现上，对所学数字信号处理的理论知识能有一个更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力，取得了良好的教学效果。

参考文献：

数字信号处理论文篇（5）

作者简介：李磊（1981-），男，河南南阳人，郑州大学物理工程学院，讲师；杨洁（1983-），女，河南商丘人，郑州大学物理工程学院，讲师。（河南 郑州 450001）

基金项目：本文系2012年度教育部大学生创新创业训练计划课题（项目编号：1210459084）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0056-02

“数字信号处理”课程是电子信息、通信工程、自动化工程及相近专业必修的专业课，在电气工程、测控技术、计算机技术等领域得到了广泛应用。[1]当前国家越来越重视大学生的创新意识和实践能力的培养。通过实施教育部大学生创新创业训练计划和卓越工程师计划，促进高等学校转变教育思想观念，改革人才培养模式，强化创新创业能力训练，增强高校学生的创新能力和在创新基础上的工程实践能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。为了提高学生的创新意识和应用知识解决实际问题的工程实践能力，需要调整“数字信号处理”课程的教学内容，引入新的教学手段和教学方法来提高学生学习的积极性，这是专业基础课教师所面临的重要课题。笔者介绍了一种针对本科生教学的分层教学模式，突破单一的理论灌输的教学弊端，显著提高学生们学以致用的能力，并运用实例介绍了这种分层教学模式。

一、“数字信号处理”课程教学现状

数字信号处理是一门理论性很强的课程，内容抽象，公式繁多，课程内容涉及很多数学推导与计算。目前，传统的教学模式主要存在以下问题：[2，3]

1.教学内容过度重视理论推导，不注重理论和实践相结合

国内大学的很多任课老师往往注重讲授公式性质、定理的由来，注重理论的严谨与正确性，这势必大大占据有限的授课时间。这种教学思路使课程陷于数学推导和计算，而使学生感到枯燥乏味，抓不住重点，教学效果大打折扣。

2.课程实验内容单一，与工程实践还有距离

课程实验内容一般都以MATLAB软件作为仿真平台，对课程中的时域离散信号、系统的时频域理论和数字滤波器设计理论进行仿真实验。诚然，MATLAB仿真软件作为信号处理的实验手段，具有信息量大、形象直观的特点，在很大程度上补充了单一的理论教学模式。但是仿真手段毕竟是理论的数学编程，还是脱离了工程应用的实际背景。仿真不能完全取代本课程的实验和实践内容。算法仿真内容过于形式化、过于简单，只能作为工程实践的前期阶段设计内容。

二、分层教学法原则与内容

传统的数字信号处理课程大多只讨论算法的理论及其推导，较少涉及工程实现方法及相应的软硬件技术。大学的教学应是理论教学、实践教学和科学研究为一体的，实践教学作为理论和科学研究的桥梁，是现有理论的源头，也是未来科研开拓的基础。理论课程应实现教学形式的多样化，包括多种实验、课程设计、科技竞赛和创新活动等。数字信号处理课程可以分为理论学习，算法仿真，数字信号处理工程应用平台实验，课题为导向的数字信号处理课程工程实践拓展训练四个层次。[4]

1.第1层：理论学习

广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。目前本科生只是学习经典的数字信号处理理论，主要包括有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。因为教学时间有限，现代信号处理或者数字图像处理的内容只能根据项目需求有针对性进行学习和研究。教师可以鼓励学生去搜索相关文献，查找资料，激发他们的自学热情和能力。

2.第2层：算法仿真

算法仿真往往是电子信息工程实施以前必经的重要阶段。MATLAB语言具有强大的科学计算和可视化功能。它作为数字信号处理的有力助手，成为教学的重要部分。其以矩阵运算为基础，具有丰富的数值计算功能，强大的绘图功能，更重要的是具有完备的数字信号处理函数工具箱。比如FIR滤波器的设计，包含三种方法：程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法。其中FDATool（Filter Design & Analysis Tool）是MATLAB信号处理工具箱专用的滤波器设计分析工具，操作简单、灵活，可以采用多种方法设计FIR和IIR滤波器。在MATLAB命令窗口输入FDATool后回车就会弹出FDATool界面。SPTool是MATLAB信号处理工具箱中自带的交互式图形用户界面工具，它包含了信号处理工具箱中的大部分函数，可以方便快捷地对信号、滤波器及频谱进行分析、设计和浏览。学生可以采用MATLAB进行电子工程中算法的前期仿真，然后将MATLAB程序转换成C语言移植到硬件平台上。

3.第3层：数字信号处理工程应用平台实验

数字信号处理算法需要借助特有的硬件平台实现工程应用，采用的编程语言一般是C语言。目前数字信号处理系统的硬件实现方式一般有三种：（1）利用通用可编程DSP芯片进行开发的方式。由于是采用基于C语言进行编程，算法实现过程简单，但资源受到限制，并行度差。（2）采用专用集成电路ASIC方式进行开发。虽然效率高，但开发流程长，成本高，开发出来的系统不能更改。（3）采用FPGA芯片进行开发。可以提供高效率和高质量的数字系统。在实际硬件平台选型中，使学生能够对单片机、ARM、DSP、FPGA的应用领域加以区分，从而更加深刻认识到DSP和FPGA实现数字信号处理的巨大优势。

4.第4层：课题为导向的“数字信号处理”课程工程实践拓展训练

课题为导向的教学模式是提高学生实践能力的新型教学模式。它以大学生创新实验项目为平台，以基于案例为教学模式，以科学研究的方式组织和引导学生获取和运用知识，培养学生创新性思维和分析解决问题的能力。这种方式克服了教学和实验中单纯模仿的弊端，发挥学生的主观能动性，拓展学生的眼界，引导学生解决开放性问题，促使学生不断提出新问题、发现新问题和解决新问题。

以上这四个层次并不是单一的顺序递进关系，而是不断交互的关系。比如工程实际问题的解决过程往往促使学生回归理论学习层次去深入研究，反过来能够更好地去解决工程实践中遇到的技术难题。算法仿真采用的MATLAB语言需要转换成数字信号处理工程应用平台实验使用的C语言进行移植，这也需要第二层和第三层内容的不断交互。

三、教学实例

为了实现对学生实践能力的综合培养、潜力开发和工程创新精神的激励，学校积极为学生们搭建工程实验平台，为学生参加“全国电子设计竞赛”、全国挑战杯、大学生创新实验计划项目等活动奠定基础。下面基于教育部大学生创新实验课题“基于麦克风阵列声源定位的动态视频跟踪系统”来例证“数字信号处理”课程的分层教学模式。[5]

首先，学生们经过调研确定项目需求，选取合适的算法模型进行研究。基于课题驱动的教学模式促使学生从需求这个工程项目源头进行考虑。经过广泛的调研，学生们发现在日常生活中，常规的摄像头监控系统的摄像头安装是固定的，监控方位是静态的，只能监控有限的方位区间。这样的监控系统监控方位区间狭窄，难免存在很大的监控盲区，无法很好地实现监控功能。由人类的耳朵和眼睛协调工作的仿生原理得到启发，人类的耳朵相当于一个二元声音传感器阵列，捕捉到声源信息，通过大脑判断，得到声源的方位信息。然后驱动我们的脖子扭转到声源方向，我们的眼睛就可以实时看到声源目标，做出视觉的判断。为此，学生们用微型麦克风阵列来代替人耳，用一个步进电机来代替脖子，用摄像头代替眼睛，用DSP处理器来代替人脑实现信号的运算处理和控制功能，从而实现一个基于麦克风阵列声源定位的动态视频跟踪系统，如图1所示。这样，该视频监控系统通过麦克风阵列进行多传感器联合信号处理，可以首先根据声源的声音有无来判断是否启动监控，再通过声源的方位可以驱动步进电机，自动转动摄像头跟踪实时运动的目标，实现无盲区、全角度实时自动监控。

算法模型的确定促使学生广泛阅读文献，最终找到了阵列信号处理理论作为麦克风阵列数学建模的理论基础。通过MATLAB仿真分别分析了仿真的宽带音频信号和实验采集的音频信号，验证理论模型和实验结果能够很好地匹配。该本科生研发团队把宽频声音信号的特点和传统的远场声源方位估计算法相结合，依据到达时间差的声源定位原理，提出了一种频域波束形成算法，系统框图如图2所示。系统上电后，多路麦克风分别接收音频信号，并进行采样缓存，送入DSP处理器中进行端点检测，如当前信号为噪声或无用信号，则丢掉已采集的信号帧数据；如检测到有用信号，则对其进行频域波束形成和进一步处理，最后采用基于能量值的谱搜索算法计算出声源的方位，从而控制步进电机驱动摄像头转向声源所在方位，使声源出现在摄像头视野范围内。该课题针对当前智能视频监控存在的监控盲区的问题，提出并实现了一种基于麦克风阵列的宽频声源定位系统。通过采用频域波束形成和基于能量值的谱搜索算法，实现了二维空间声源的快速准确定位。经验证该系统在室内及室外对各种声源的实时响应表现良好，在现代视频监控中具有一定的工程实用意义。通过该课题学生们申请了实用新型专利和发明专利各一项，学术期刊论文2篇，了解了电子信息工程设计的步骤和培养了科学研究的基本素养。

四、结语

按照上述的分层次递进教学模式，使学生按照基础理论实验、仿真实验和DSP工程实现理论和实践的交互学习。这一体系从简单到复杂，从理论到实践，循序渐进，逐步提高。经过工程实践的训练，激发了学生们学习“数字信号处理”课程的热情，巩固了课本上的知识，拓展了工程实践的视野。同时，大大提高了学生们独立解决问题的能力和工程实践创新能力。学生在专利申请和论文撰写的训练中，实践了科学研究的方法，为将来的科学研究奠定基础。通过上述的教学实践，取得了良好的教学效果，得到了广大师生的认可。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]王典.数字信号处理课程分类和分层教学模式探索[J].实验技术与管理，2013，（2）：31-32.

数字信号处理论文篇（6）

关键词： 数字信号处理实验；MATLAB；DSP ；FIR数字滤波器

Key words： digital signal processing experiment；MATLAB；DSP；FIR digital filter

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0200-02

0 引言

《数字信号处理》课程是高校电子信息类专业的主干课程，其主要教学目的是使学生理解数字信号处理的基本理论和分析算法、掌握其基本算法和设计方法[1]。本科阶段数字信号处理课程主要涉及离散时间信号与系统基本概念、傅里叶变换算法、数字滤波器结构与设计等方面。由于本课概念较抽象，内容牵涉到较多数字公式，给学生在深刻理解课堂内容方面造成一定的障碍。很多高校设置课程时，均给予该课一定数量的实验课时，通过实验以帮助学生更好地理解数字信号处理理论知识。

目前，数字信号处理课程的实验方法主要是基于MATLAB软件为主，即在MATLAB中编程并运行观察有关信号处理效果[2][3]。运用MATLAB软件作为实验平台，确实能提供便捷的分析方法[4]。然而，基于MATLAB的数字信号处理课程实验过程中，大量调用了MATLAB已有的函数，学生只需修改这些函数的参数即可。这种模式不能有效训练学生将理论知识用于工程实践的能力。

针对以上问题，本文研究了在数字信号处理课程现有的MATLAB实验基础上，引入数字信号处理芯片DSP（Digital Signal Processor）及其软件，通过实验过程针对DSP芯片实现常用数字信号处理算法。

1 实验设计

数字信号处理课程共64课时，其中实验课时8课时。本文以系数对称有限冲激响应滤波器（Infinite Impulse Response，IIR）为例来分析在MATLAB实验的基础上，引入DSP实验的方法与实验过程，该实验课时为4课时，要求学生有基本的DSP编程知识。

1.1 实验内容 实验包括了MATLAB实验和DSP实验两个环节。其中，MATLAB实验部分的主要任务是产生实验原始数据、设计滤波器系数、调用滤波器函数验证滤波器滤波效果。DSP实验部分是用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器并观察滤波效果。

1.2 实验过程 实验过程可以分7步进行，分别为：①MATLAB设计数字滤波器，获得系数；②MATLAB给出仿真原始待滤波数据；③MATLAB调用数字滤波器函数验证滤波效果；④观察是否符合滤波要求，若不符合要求则重新设计数字滤波器；⑤如果符合要求则将系数、原始数据归一取整后送往CCS；⑥CCS使用获得的系数与数据，基于DSP编程调试；⑦观察DSP是否符合滤波要求，若不符合修改程序。

2 实验设计

2.1 MATLAB实验部分 MATLAB实验部分首要任务是根据实验要求设计所需数字滤波器。这个环节既可以调用MATLAB函数进行设计，也可以直接使用MATLAB提供的数字滤波器工具FDATOOL进行设计。无论哪种方法，都需要确定滤波器类型、阶数等参数，最后由MATLAB帮助获得滤波器系数。本文给出的实例为采样频率为12KHz，通带截止频率为1200Hz，阻带起始频率为2400 Hz，阻带衰减不小于-40dB的FIR直接型低通滤波器。

若以窗函数法进行设计，则要求学生在实验过程中，多次实验观察不同窗函数对滤波器滤波效果的影响。本文采用Bartlett窗为例进行设计，设计所得数字滤波器为23阶。

获得数字滤波器系数后，由MATLAB产生待滤波信号，待滤波指信号可以是白噪声，也可以是由程序指定的几个不同频率信号的叠加。本文所举实例为便于说明，设置了频率分别为800Hz、3KHz、4KHz的三种信号混合作为待滤波信号。

滤波前后的信号频谱如图1所示。从图1可以看出该滤波器确实能够实现低通滤波。此后，实验进入DSP实验环节，要求基于DSP编程，并将得到的实验结果与MATLAB实验结果作对比，以确保基于DSP实现了数字滤波器要求。

2.2 DSP实验部分 DSP实验为训练工程实现能力，必须要求学生考虑各方面的细节，包括存储器的安排。本实验中，安排了三个存储器区域，分别存放数字滤波器系数、等待滤波的原始数据以及滤波后的数据。其次，由于本实验的编程目标是TI公司C5000系列的定点芯片，必须考虑定标问题，本实验中建议学生定标为Q15。滤波器系数与待滤波的原始数据在导入DSP系统的存储器之前，要求先归一化后取整。

本文以TI公司的C54xx系列DSP芯片的汇编语言系统为例来编程实现FIR低通数字滤波器。

一个L-1阶的FIR数字滤波器的I/O方程可以表示为：y（n）=■b■x（n-i） （1）

MATLAB实验调用filter函数实现（1）式滤波器。学生虽然知道滤波器的各项参数含义，但缺乏如何将FIR差分方程用具体的编程语言实现的概念，为此，本实验要求学生使用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器。

程序的部分源代码如下所示：

LD *DATA_IN+， A ；取得待滤波数据

FIR： STL A， *FIR_DATA+% ；将待滤数据存入指定缓存区

RPTZ A， （ORDER-1）

；重复执行系数与数据相乘并累加实现滤波

MAC *FIR_DATA+0%， *FIR_COEF+0%， A ；

STH A， *DATA_OUT+ ；将滤波后数据存入指定缓存区

以上程序中，FIR_DATA是指向存放待滤数据的寄存器，FIR_COEF是指向存放滤波器系数的存储器单元的寄存器。DATA_IN、DATA_OUT是指向存放滤波前后数据的存储器单元的寄存器，MAC指令执行乘累加操作。

本文所举实例中DSP实验部分的运行结果分别如图2所示。

图2表明，基于DSP编程设计的数字滤波器，实现了低通滤波的效果。与MATLAB的运行结果对比，二者一致。

3 结语

在现有使用MATLAB开展数字信号处理实验的基础上，引入DSP技术，基于DSP设计数字滤波器，在实际操作过程中，数字滤波器的类型、各项参数、以及原始待滤信号如何产生，都在教师演示后，由学生举一反三进行修改。整个实验过程综合了数字信号处理基本理论知识、MATLAB函数、DSP基本原理及其编程等方面的知识，对学生的知识综合运行提供良好的平台。由于本文研究的实验方法兼顾了理论性与工程性，使学生体会了理论知识在工程实践中的运用过程，极大了调动了学生的积极性、提高了学生将理论用于实践的信心。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].清华大学出版社，2007，2.

[2]袁小平.基于Matlab的数字信号处理课程的实验教学[J].实验室研究与探索，2002，2.

数字信号处理论文篇（7）

1.引言

数字信号处理，是现今应用成效最显著、应用领域最广的新科学之一，国内外各高校均开设了数字信号处理课程。这门课程相应的特点是：公式特别多、性质的推导复杂繁琐、概念性的东西比较多，还需要以信号与系统等诸多课程为基础，被很多同学认为大学最难的课程之一，学生因跟不上老师的进度和本身对学习内容的理解不到位而对这门课程失去兴趣。传统的教学模式已经远远满足不了新时代教学的需求，在计算机技术快速发展的今天，计算机辅助教学己经逐步成为教师授课的主要方式。MATLAB为数字信号处理课程的教学提供了很大的实验帮助。很早之前，国外就开始把交互式软件MATLAB用于数字信号处理的教学中，并采用功能强大的系统开发平台。本文利用MATLAB的图形界面设计工具（GUI），以数字信号处理理论知识为基础，设计了与课堂教学、实验内容相配套的辅助工具。该辅助工具可用于《数字信号处理》课程的实验辅助教学、课堂教学演示，也可作为学生课后自学平台，真正的将实验内容融入教学过程中。

2.MATLAB GUI简介

GUI是当今计算机软件的发展趋势。MATLAB为表现其基本功能而设计的演示程序demo是使用GUI的最好范例。MATLAB全面支持GUI编程，可自行设计窗口、菜单、对话框、滑动条等。在MATLAB的命令窗口中运行guide，即进入交互式编程。Guide可以根据用户GUI的版面设计过程直接自动生成M文件框架，这样就简化了GUI应用程序的创建工作，用户可以直接使用这个框架来编写自己的函数代码。

GUI设计可以采用两种方法，一种是利用GUIDE工具进行设计。这种方法的优点是上手容易；缺点是对于有些复杂功能的实现比较困难。另一种方法是基本代码法，即在M文件中用MATLAB代码写出所有的图形对象控件所对应的代码，通过各个参数的控制可以灵活地实现所需要的功能。这种方法的缺点是上手困难；优点是功能强大，可以实现许多复杂的功能，而且调试程序也比较容易。

3.基于MATLAB GUI的数字信号处理仿真平台的构建方案

5.结论

此仿真平台的制作是为了能够更方便地进行数字信号处理的辅助教学，此平台使得教学的内容更加直观，理论知识更容易理解，所以能够有效地提高教师授课的效率。通过此仿真平台，不仅能够激发学生对数字信号处理课程的学习兴趣，还能够加深对理论公式等知识的理解。此外，有了这样一个可以在计算机上操作的仿真平台，不仅使学生容易掌握那些比较抽象的数字信号处理知识的内容抽象，而且使教师的教学内容更形象化、生动化。本系统拥有友好的MATLAB GUI界面设计，用丰富的画面、简洁的文字将数字信号处理中抽象的实验内容展现在学生面前，提高了学生的学习主动性和积极性。

参考文献

[1]程佩青.数字信号处理（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2007.

数字信号处理论文篇（8）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0159-02

“数字信号处理”是电子信息及其通信工程专业的一门重要专业必修课程。数字信号处理的处理对象是数字信号，处理方式是数值运算，信号处理相比较具有许多优点，诸如：灵活性高；高精度和高稳定性；便于大规模集成；对数字信号可以存储、运算，系统可以获得高性能指标等。自1965年以来，这门学科基本形成了一套完整的理论体系，在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信、生物医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、自动化仪表等领域已取得了广泛的应用。该门课程作为普通高等本科生的专业基础课，主要学习其基本理论和基本分析方法。[1]该门课程是一门理论和实践、原理和应用紧密结合的课程。针对数字信号处理的这些特点，同时为帮助学生理解和掌握数字信号处理的基本概念、基本原理及其分析方法，锻炼学生应用所学知识解决实际问题的能力，培养工程实践创新能力。为此，课程组对“数字信号处理”课程教学方法，不断探索研究，经过不懈努力，笔者对该课程及其先修课程进行了优化整合，探索课堂教方法，重视实践环节，提高该门课程的教学效果。

一、“数字信号处理”及其与先修课程的整合

“高等数学”、“工程数学”、“信号与系统”是学习“数字信号处理”的先修课程。其中“高等数学”和“工程数学”属于基础课程，而“信号与系统”和“数字信号处理”是两门核心专业课程，为今后学习“现代数字信号处理”和“DSP技术”等起着基础铺垫作用。对“信号与系统”和“数字信号处理”进行优化整合大体思路如下：

第一，“信号与系统”这门课程主要内容包括两大系统和三个变换，分别为连续系统和离散系统、傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换。这些是学习“数字信号处理”的基础，“数字信号处理”的主要内容包括：时域离散信号与时域离散系统；时域离散信号与系统的频域分析；离散傅立叶变换（DFT）；快速傅立叶变换（FFT）；时域离散系统的基本网络结构和分析法；IIR滤波器的设计；FIR滤波器的设计。这些又都是“信号与系统”在离散系统中的进一步扩展和延伸。第二，在“数字信号处理”学习过程中，对于离散信号与离散系统、Z变换等内容由于已经在“信号与系统”课程中进行了相应的分析学习，故而可以考虑把课堂让给学生，告诉学生重点、难点，以及要求突出数字信号处理和系统的分析。让学生在课下查阅文献及参考资料，并抽同学在下次课上对该部分内容进行讲授，这样可以充分调动学生的积极性以及学习热情。第三，能正确区分傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换和离散傅里叶变换这四大变换的数学概念、物理概念和工程概念。[2]在学习完“数字信号处理”中的DTFT和DFT之后，上面提到的四种变换将全部学完，笔者到时候要引导学生对这几种变换进行归类总结。

通过对“信号与系统”和“数字信号处理”两门课程内容的剖析和梳理，对其相关内容进行优化整合，使其各自在保持相对独立和完整的前提下，能够进行深入的融会贯通，形成有机统一的专业课程体系。另外，在教学方式和方法、实践教学手段以及师资队伍建设等各个环节有待进行深入研究。

二、教学方法探索

1.传统教学与多媒体授课相结合

“数字信号处理”是建立在数学基础上的一门学科，它承袭了数学的基本特点，课程中概念定理偏多、公式繁多，课堂上若仅仅凭借PPT课件，难以让学生对概念有深入的理解和系统的认识，尤其在公式推导过程中，多媒体软件所表现出的不足就会更加明显。[3]传统教学中的板书授课速度相对较慢，利于学生思考，在板书的过程中可以边写边进行讲解，诱导深入，由浅入深，循序渐进，把知识的衔接点在黑板上通过推导展现给同学们。再者长期的多媒体教学形式过于单一，学生在思想上也容易产生厌倦情绪，适时加入板书可以起到提高学生注意力的效果，这样才可以使学生从根本上接受新知识，并对其理解、掌握和应用。

板书教学在数学讲授中具有较好的效果，可是在“数字信号处理”这门课的课堂全部用板书授课就会使课堂变成数学理论课，给学生一种繁琐、枯燥的感觉。再者板书过于单调，难以满足授课中遇到的抽样、卷子、频谱分析、信号滤波等比较抽象难懂的知识点。而多媒体软件，诸如Flasf和PPT等，具有形象生动的特点，把多媒体软件授课引入课堂辅助传统授课方式，就可以将抽象问题形象化，复杂问题简单化，创造出宽松的授课环境，激发学生学习激情，提升学习效率。

Matlab软件由于其较好的仿真效果，可以把抽象化的概念理论直观化，通过软件仿真把一系列的理论概念以图片或声音的形式呈现给人们，正是Matlab仿真软件的这些特点使其在数字信号处理方面具有很广的应用范围。把Matlab软件引入课堂，可以使理论和工程实践结合更加紧密，使复杂抽象的理论概念得以直观的演示，并使学生能对其所学的理论知识在实际应用中有一个初步的认识。

图1为一个长度为16点的有限序列x[k]=cos（2πrk/N），N=16，r=4，利用Matlab计算16点序列x[k]的512点DFT。从图1可知对x[k]序列进行512点的DFT，可以得到频谱函数X（ejΩ）更为全面的细节，由于序列N点的离散Fourier变换XN[m]就是序列DTFT X（ejΩ）一个周期内的N个等间隔抽样。[4]序列x[k]进行16点的DFTX[m]可以完全恢复原始序列x[k]。

传统教学与媒体授课相结合，图形并茂，声音和动画相辅助，充分利用课堂资源，调动学生积极性，在有限的时间内，给学生提供更多的信息量，彰显素质教育的主旨，将理论和实践有机结合，使学生学会多角度、多层次地思考解决问题。

2.课堂和课下相结合

当今社会电子信息、Intel网技术高速发展，人们每天接收的信息日益增大，学生们对不懂的知识习惯求助于网络，这也为学生们自主学习创造了条件。“数字信号处理”这门课程理论性较强，数学公式偏多，不少学生在不知道其学习意义的前提下，往往容易被数学公式所累，失去学习兴趣。为了提高课堂效果，可以在课堂上留出十分钟左右的时间介绍下次课所要讲授的重点，并给出相应的专业论坛，让学生通过网络资源去自己了解相应课程内容的重点、难点以及在生活中的应用。在下次课开始时老师可以根据学生的自学情况让其自由发言，讲述本次课自身的认识、应注意的环节和在工程实践中的应用价值。

“数字信号处理”这门课程需要掌握的细节性知识较多，全部把希望寄托于课堂，所能达到的效果只能是差强人意，这就要求学生们在每节课之后要多做总结和复习。为了使复习更具有目的性，可以把《数字信号处理多媒体CAI教程》推荐给同学们，由于多媒体CAI课件是经过教学目标确定、教学内容和任务分析、教学活动结构和界面设计而成，重点难点突出，具有友好的人机交互性能，让多媒体CAI课件来辅助学生课后复习和预习可以起到事半功倍的效果。例如，在讲解过奈奎斯特定理之后，为了更进一步理解奈奎斯特定理以及在不同抽样频率情况下，对信号频谱的影响，图2所示即为在自然抽样方式下小于二倍信号最高频的信号时频域的显示图。从图2可以清晰得出奈奎斯特抽样定理的基本特征，可见借助多媒体CAI课件来复习这些知识点会起到强化加深的效果。

三、重视实践环节

实践环节是做到理论联系实际的根本，把课堂上所学的理论知识加以灵活应用，更好地为生产生活服务，这是实践环节的出发点。

1.Matlab仿真软件

Matlab语言在学术界和工程界被广泛应用，已经成为科研工作人员进行数值计算、系统仿真、数字信号处理与交流的事实标准平台。Matlab软件语法简单，语句和数学描述近似，能够将复杂的信号处理及仿真算法用简洁的代码表达，便于学习、交流和仿真验证，[5]并且具有完备的电子信息专业专用的函数库和工具箱，可以大幅度提高研发和设计的效率。

数字信号处理中涉及到的离散Fourier变换、离散Fourier变换快速算法、IIR和FIR数字滤波器的设计以及功率谱估计等都可以让学生在实验课上借助于Matlab仿真软件进行仿真实现和验证。学生通过实时编程仿真对所学理论知识进行形象化和直观化的实现，切实加强学生对相关理论的认识和把握，提高学生积极主动学习的能力，增进其探索精神，为将来步入工作岗位打下较强的工程实践基础。

2.DSP实验平台

数字信号处理课程设计是实践环节的延伸，学生通过为期一周的课程设计初步了解DSP实验设备的基本使用方法，能进行熟练的编程和调试操作，熟悉DSP编程环境和基本工作原理，掌握CCS软件使用方法。围绕相应的培养目标给学生下达任务书，让学生亲自动手操作DSP开发试验装置，真切感受到理论知识在实际中的应用。笔者试验室所提供的DSP芯片是TMS320C64X系列，通过该试验开发平台引导学生用C语言在CCS上进行编程调试实现FFT算法、卷积算法、FIR和IIR算法，对程度较好的同学可以尝试做一些类似于交通灯控制、数码管显示、实时滤波和信号发生等试验。通过对DSP试验平台的操作训练，加深了解DSP芯片的相关功能，培养学生的动手能力，使学生学会如何利用工具手册来解决未知问题，为培养应用型人才做好充分的准备。

四、结束语

“数字信号处理”是一门必修专业课程，并且难度相对较大，为了使学生学好本门课程，更好地为今后学习和工作服务，多年来课程组老师在教学内容、方式方法、实际环节探索等方面都做了探索性的尝试和改革。通过多年的实践及其学生反馈，证明教学改革取得的效果良好，为广大师生一致认可。

通信技术、计算机技术和电子信息技术日新月异，数字信号处理技术和手段飞速发展，诸如：HHT、盲源分离和压缩感知等新型理论和算法不断涌现，作为一名专职教师，有责任和义务把新知识、新技术和新理论引入到课堂中，在不断学习、变革中把握专业发展动态，丰富和深化课堂内容，更好地为学生服务，为社会发展培育出合格的专业技术型人才。

参考文献：

[1]丁玉美，高西全.数字信号处理[M].第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[2]蔡成林，吴海燕，杨玲.“数字信号处理”教学改革的研究与探索[J].湖南人文科技学院学报，2011，（2）：137-139.

数字信号处理论文篇（9）

作者简介：曹建玲（1974-），女，河北辛集人，重庆邮电大学通信学院，讲师；刘焕淋（1970-），女，重庆人，重庆邮电大学通信学院，教授。（重庆　400065）

基金项目：本文系重庆市教育教学改革项目（项目编号：113002）的研究成果。

中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0088-02

“数字信号处理”是重庆邮电大学通信电子类、自动化、测控仪器等专业的一门理论性、实践性均很强的主干课，学生在学习这门课时普遍对理论不能理解，也很难将该课程的理论知识应用到工程实践中，[1]因此实验在教学中占有十分重要的地位。如何让学生理解和掌握课程内容及学会灵活运用这一理论工具，提高解决实际问题的能力、提高科研能力和创新能力是“数字信号处理”实验教学所要解决的关键问题。[2]

一、实验教学体系

实验内容上，改变以往运用MATLAB工具对数字信号处理基本理论单一化仿真验证的软件实现方法，增加了研究性和综合性实验，将实验分为三大类：仿真验证实验、研究性实验、综合设计性实验。仿真验证实验主要是运用MATLAB工具对基本理论仿真验证，实验内容主要有利用MATLAB验证时域采样定理；利用MATLAB实现时域离散系统的时域和频域分析。研究性实验要求学生在实验中改变某些参数，看这些参数对结果的影响，分析原因。实验内容主要有用FFT进行谱分析、IIR数字滤波器和FIR数字滤波器的设计。综合设计性实验要求学生实例编程完成实验内容，例如综合设计数字语音滤波系统，此实验综合了信号的采样定理、FFT的基本原理及IIR和FIR数字滤波器设计方法的数字信号理论知识。实验教学体系归纳如图1所示。

二、实验教学内容

1.仿真验证性实验

验证性实验比较简单，目的是加强学生对数字信号处理所学基础知识的理解，主要是对比较抽象的知识点进行原理性演示，给学生以直观的认识。学生只需要参照实验指导书上的程序输入就可观察到图形。例如对于时域采样定理，学生很难理解信号采样前后频谱的关系，没有直观的认识。通过实验，学生可以看到采样后信号的频谱发生的改变，也可以看到采样频率和最高频率分量不同时频谱的特点，从而理解采样定理。

2.研究性实验

研究性实验要求学生首先从理论上进行分析，参照指导书上的要求，编写MATLAB程序，得出在不同参数下的多个实验现象，并对这些实验现象进行比较研究，发现问题并用所学的理论知识解决问题，以便在实际中应用。如用FFT进行谱分析，在实验中要求对给出的三类信号（周期序列、非周期序列和连续信号）分别进行谱分析。对于每类信号进行谱分析的时候，采样点数N变换三种取值，对比N不同取值下FFT图形，并和信号的幅频特性曲线比较，以理解DFT的物理意义及分析出FFT作谱分析时有关参数的选择方法。

例如对连续信号x=cos（8πt）+cos（16πt）+cos（20πt）做谱分析关键代码如下：

N=64；

fs=64；

n=0：N-1；

x=cos（8*pi*n/fs）+cos（16*pi*n/fs）+cos（20*pi*n/fs）；

Xk=fft（x，N）；

stem（0：N-1，abs（Xk），'.'）；

得到的此连续信号的64点采样序列和序列的64点的FFT频谱如图2所示。

3.综合设计性实验

综合设计性实验综合数字信号处理的知识点，并与实际系统相联系，使学生拓宽知识面，培养学生的创新性和科研素质。下面以数字语音滤波系统设计为例来介绍综合设计性实验。该实验首先是采集语音信号，对采集的语音信号进行采样，然后用FFT进行频谱分析，根据信号的频谱特性、双线性变换法设计不同功能的数字滤波器进行滤波，得出滤波前后的频谱，分析信号的变化。

（1）采集语音信号及信号采样。利用计算机Windows下的录音机设备录制一段“重庆邮电大学，重庆邮电大学”话音，时间约在4s左右，得到数据文件cqupt.wav。然后在MATLAB软件平台下，利用函数[x，Fs，Nbits]=wavread（‘cqupt.wav’），对此语音信号进行采样，可以得到语音信号的采样频率Fs、采样点数和声音数据变量。[3]将得到的声音数据组放在向量x中，采样频率fs为44.1kHz，采样位数Nbits为16bit。

（2）FFT频谱分析。键入函数sound（x，Fs，Nbits），通过扬声器可以听到“重庆邮电大学，重庆邮电大学”声音，对原始语音信号进行FFT 频谱分析，程序关键代码如下：

figure；

t=（0：length（x）-1）/Fs；

subplot（2，1，1）；plot（t，x）；

title（'信号原形'）；xlabel（'时间（s）'）；ylabel（'幅度'）；

X=fft（x）；m=（0：length（X）-1）；

w=2*m/length（X）；

subplot（2，1，2）；plot（w，abs（X））；

数字信号处理论文篇（10）

中图分类号：G43文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)16-3902-04

Application of Matlab and LabVIEW in Digital Signal Processing Course

GUAN Cheng-bin, XING Fu-cheng, FANG Wei, CONG Yu

(Department of Electronic and Information Engineering, NAAU, Yantai 264001, China）

Abstract: To resolve the problem that digital signal processing course is nonobjective, full of theory, and it is difficult for students to ac cept, the methods of programming the demos of digital signal processing with Matlab and LabVIEW are studied. The methods are intro duced with examples. The characters of the two languages are compared and analyzed. The practices show that by teaching with the dem os, the goals are made sure, the perceptual knowledge is improved, the theory study effect is consolidated. It is significative to train the stu dents’practice consciousness and ability.

Key words: digital signal processing; Matlab; LabVIEW

数字信号处理利用数学的方法和数学模型对信号进行处理，在计算机技术以及数字信号处理器件高速发展的今天，数字信号处理技术的应用越来越广泛，如音频处理、图像处理、雷达声纳信号处理等都大量使用了数字信号处理技术。因此，越来越多的高等院校的相关专业开设了数字信号处理这门专业基础课。[1]

数字信号处理本身的特点决定了其是理论性很强的课程，内容抽象、公式繁多[2]，如果在授课过程中为讲理论而讲理论，往往使学生感到枯燥乏味，抓不住重点，教学效果很不理想。根据作者多年的教学经验，在教学过程中引入实例教学，安排了大量的课堂演示，往往会取得事半功倍的效果。首先可使学生明确理论学习的意义、作用；其次，增强了学生的感性认识，对理解概念，促进理论学习具有重要作用。进行数字信号处理的实例演示需要编写数字信号处理程序，以往常用的编程软件，如C语言、VB语言等，没有现成的数字信号处理函数及工具，开发周期长，且代码复杂，不利于学员通过代码理解原理。而Matlab和LabVIEW这两种更高级的编程语言具有上手快、编程简单、具有专门的数字信号处理工具箱等优势，故我们采用了这两种语言进行演示程序的开发。

1 Matlab和LabVIEW语言简介

1.1 Matlab语言简介

Matlab语言以矩阵运算为基础，具有可靠的数值计算功能、强大的绘图功能，最重要的是具有丰富的数字信号处理函数工具箱。和传统的C语言、VB语言等编程语言相比，其语言体系简单易学。将Matlab语言应用于数字信号处理演示教学中,具有以下几个突出优点：

1）Matlab语言具有很强的数值和符号计算功能，支持向量和矩阵运算，它的编程语言几乎就如同我们平时书写公式，非常易于学习和使用，程序代码很容易被学生接受和理解，因此学生可以通过代码和现象的对比分析掌握所学处理方法[3,4]。

2）Matlab语言可方便快捷的输出二维或三维图形、图像、声音、动画等结果，给学生以感性的认识[3,4]。如对实际的声音信号进行数字信号处理的方法进行处理，并通过声卡对处理前后的声音分别播放，使学员通过听觉辨别处理前后信号的不同。

3）Matlab具有丰富的数字信号处理函数库[5]，涵盖了经典信号处理理论的大部分内容。数字信号处理课程中涉及的算法都有对应的函数，如快速傅里叶变换函数fft、基于窗函数的FIR滤波器设计函数fir1、多采样率信号处理的信号抽取函数downsample等，有了这些库函数就可以通过简单的代码实现复杂的运算，大大方便了演示程序的设计。

数字信号处理论文篇（11）

目前，数字信号处理课程的实验方法主要是基于MATLAB软件为主，即在MATLAB中编程并运行观察有关信号处理效果[2][3]。运用MATLAB软件作为实验平台，确实能提供便捷的分析方法[4]。然而，基于MATLAB的数字信号处理课程实验过程中，大量调用了MATLAB已有的函数，学生只需修改这些函数的参数即可。这种模式不能有效训练学生将理论知识用于工程实践的能力。

针对以上问题，本文研究了在数字信号处理课程现有的MATLAB实验基础上，引入数字信号处理芯片DSP（Digital Signal Processor）及其软件，通过实验过程针对DSP芯片实现常用数字信号处理算法。

1 实验设计

数字信号处理课程共64课时，其中实验课时8课时。本文以系数对称有限冲激响应滤波器（Infinite Impulse Response，IIR）为例来分析在MATLAB实验的基础上，引入DSP实验的方法与实验过程，该实验课时为4课时，要求学生有基本的DSP编程知识。

1.1 实验内容 实验包括了MATLAB实验和DSP实验两个环节。其中，MATLAB实验部分的主要任务是产生实验原始数据、设计滤波器系数、调用滤波器函数验证滤波器滤波效果。DSP实验部分是用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器并观察滤波效果。

1.2 实验过程 实验过程可以分7步进行，分别为：①MATLAB设计数字滤波器，获得系数；②MATLAB给出仿真原始待滤波数据；③MATLAB调用数字滤波器函数验证滤波效果；④观察是否符合滤波要求，若不符合要求则重新设计数字滤波器；⑤如果符合要求则将系数、原始数据归一取整后送往CCS；⑥CCS使用获得的系数与数据，基于DSP编程调试；⑦观察DSP是否符合滤波要求，若不符合修改程序。

2 实验设计

2.1 MATLAB实验部分 MATLAB实验部分首要任务是根据实验要求设计所需数字滤波器。这个环节既可以调用MATLAB函数进行设计，也可以直接使用MATLAB提供的数字滤波器工具FDATOOL进行设计。无论哪种方法，都需要确定滤波器类型、阶数等参数，最后由MATLAB帮助获得滤波器系数。本文给出的实例为采样频率为12KHz，通带截止频率为1200Hz，阻带起始频率为2400 Hz，阻带衰减不小于-40dB的FIR直接型低通滤波器。

若以窗函数法进行设计，则要求学生在实验过程中，多次实验观察不同窗函数对滤波器滤波效果的影响。本文采用Bartlett窗为例进行设计，设计所得数字滤波器为23阶。

获得数字滤波器系数后，由MATLAB产生待滤波信号，待滤波指信号可以是白噪声，也可以是由程序指定的几个不同频率信号的叠加。本文所举实例为便于说明，设置了频率分别为800Hz、3KHz、4KHz的三种信号混合作为待滤波信号。

滤波前后的信号频谱如图1所示。从图1可以看出该滤波器确实能够实现低通滤波。此后，实验进入DSP实验环节，要求基于DSP编程，并将得到的实验结果与MATLAB实验结果作对比，以确保基于DSP实现了数字滤波器要求。

2.2 DSP实验部分 DSP实验为训练工程实现能力，必须要求学生考虑各方面的细节，包括存储器的安排。本实验中，安排了三个存储器区域，分别存放数字滤波器系数、等待滤波的原始数据以及滤波后的数据。其次，由于本实验的编程目标是TI公司C5000系列的定点芯片，必须考虑定标问题，本实验中建议学生定标为Q15。滤波器系数与待滤波的原始数据在导入DSP系统的存储器之前，要求先归一化后取整。

本文以TI公司的C54xx系列DSP芯片的汇编语言系统为例来编程实现FIR低通数字滤波器。

一个L-1阶的FIR数字滤波器的I/O方程可以表示为：y（n）=■b■x（n-i） （1）

MATLAB实验调用filter函数实现（1）式滤波器。学生虽然知道滤波器的各项参数含义，但缺乏如何将FIR差分方程用具体的编程语言实现的概念，为此，本实验要求学生使用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器。

程序的部分源代码如下所示：

LD *DATA_IN+， A ；取得待滤波数据

FIR： STL A， *FIR_DATA+% ；将待滤数据存入指定缓存区

RPTZ A， （ORDER-1）

；重复执行系数与数据相乘并累加实现滤波

MAC *FIR_DATA+0%， *FIR_COEF+0%， A ；

STH A， *DATA_OUT+ ；将滤波后数据存入指定缓存区

以上程序中，FIR_DATA是指向存放待滤数据的寄存器，FIR_COEF是指向存放滤波器系数的存储器单元的寄存器。DATA_IN、DATA_OUT是指向存放滤波前后数据的存储器单元的寄存器，MAC指令执行乘累加操作。

本文所举实例中DSP实验部分的运行结果分别如图2所示。

图2表明，基于DSP编程设计的数字滤波器，实现了低通滤波的效果。与MATLAB的运行结果对比，二者一致。

3 结语

在现有使用MATLAB开展数字信号处理实验的基础上，引入DSP技术，基于DSP设计数字滤波器，在实际操作过程中，数字滤波器的类型、各项参数、以及原始待滤信号如何产生，都在教师演示后，由学生举一反三进行修改。整个实验过程综合了数字信号处理基本理论知识、MATLAB函数、DSP基本原理及其编程等方面的知识，对学生的知识综合运行提供良好的平台。由于本文研究的实验方法兼顾了理论性与工程性，使学生体会了理论知识在工程实践中的运用过程，极大了调动了学生的积极性、提高了学生将理论用于实践的信心。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程[M].清华大学出版社，2007，2.

[2]袁小平.基于Matlab的数字信号处理课程的实验教学[J].实验室研究与探索，2002，2.