時間：2023-03-24 15:20:46
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［關(guān)鍵詞］LabVIEW；數(shù)字信號處理；教學(xué)；應(yīng)用
在當(dāng)前計算機(jī)信息技術(shù)不斷發(fā)展的形勢下，數(shù)字信號作為其中的一部分，與之相對應(yīng)的數(shù)字信號課程也同樣占據(jù)著非常重要的地位。數(shù)字信號是以算法作為主體核心的課程，其自身的理論性非常強(qiáng)，在數(shù)字信號的學(xué)習(xí)過程中，由于書本中的知識點(diǎn)或者是一些概念大多都以一種比較抽象的方式呈現(xiàn)，再加上教學(xué)方法和教學(xué)手段單一，具有一定的局限性。在這種形勢下，數(shù)字信號課程的教學(xué)質(zhì)量和水平一直停滯不前，并沒有取得良好的成效。在這種情況下，將LabVIEW引入課程輔助教學(xué)中，不僅能夠讓學(xué)生以一種簡單化的方式來進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)，而且能夠取得良好的教學(xué)效果。
一、LabVIEW與數(shù)字信號處理
LabVIEW的程序設(shè)計與傳統(tǒng)文化程序設(shè)計相比，具有明顯的差異性。LabVIEW在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要是利用圖形化語言，通過使用功能節(jié)點(diǎn)，與圖形化自身的程序流程進(jìn)行有效結(jié)合，這樣不僅能夠利用流程控制結(jié)構(gòu)來對程序功能進(jìn)行有效的控制，而且能夠促使程序在設(shè)計過程中，其自身的形象更加直觀化。這樣一來，能夠從根本上簡化內(nèi)存分配、程序調(diào)試以及多線程序等程序設(shè)計細(xì)節(jié)，這樣能夠促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，將精力放到問題的實(shí)際解決方面，這樣才能夠保證最終的教學(xué)效果。在程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計和使用過程中，LabVIEW將一個完整的程序分為前面板和程序框圖，在實(shí)際操作過程中，將前面板拖入圖形控件中，就能夠以非常簡單便捷的方式，實(shí)現(xiàn)程序界面的美觀性，將其自身的影響和作用充分發(fā)揮出來[1]。對于其中的顯示控件，可以根據(jù)實(shí)際情況，對其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)豐富的曲線、圖形以及圖象的整體顯示。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以發(fā)現(xiàn)LabVIEW在GUI以及程序設(shè)計過程中，其自身的形象化與Matlab軟件之間有非常大的優(yōu)勢。在數(shù)字信號處理教學(xué)中，LabVIEW能夠從根本上實(shí)現(xiàn)測量以及自動化的應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，其自身有非常強(qiáng)大的數(shù)字信號處理函數(shù)節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠發(fā)揮非常有效的作用[2]。在實(shí)際操作過程中，其自身按照信號生成、運(yùn)算、濾波器以及其他功能的提供，有利于對這些內(nèi)容進(jìn)行切實(shí)有效的查找和分析，這些功能在數(shù)字信號處理教學(xué)過程中，不僅有利于使用，而且能夠取得良好的教學(xué)效果。
二、LabVIEW與虛擬儀器
虛擬儀器是一種在計算機(jī)基礎(chǔ)上的自動化測試儀器系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠發(fā)揮非常良好的作用。虛擬儀器在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要是通過自身的軟件，將計算機(jī)的一些硬件資源與儀器硬件進(jìn)行有效結(jié)合，這樣不僅能夠從根本上提升計算機(jī)自身的處理能力，而且能夠促使其自身與儀器硬件的測量以及控制進(jìn)行有效結(jié)合，從而發(fā)揮出更多的功能性作用[3]。這樣不僅能夠從根本上縮小儀器硬件的成本和體積，而且能夠通過軟件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、儲存以及處理，以保證最終的處理結(jié)果。LabVIEW是美國一家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，主要是利用圖形化的編程語言，打破了傳統(tǒng)軟件的局限性。傳統(tǒng)軟件在應(yīng)用過程中，基本上都需要相對應(yīng)地進(jìn)行程序代碼的編寫和應(yīng)用，但是LabVIEW則主要是利用流程圖或者是程序框圖來實(shí)現(xiàn)。這樣不僅能夠從根本上讓編程者感受到強(qiáng)大的圖形化編程語言方式，而且具有一定的靈活性。由于自身在實(shí)際應(yīng)用過程中，被廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)以及領(lǐng)域中，已經(jīng)逐漸被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。利用LabVIEW軟件有利于建立屬于學(xué)生自身的虛擬儀器，其自身的圖形化界面能夠促使學(xué)生在接觸編程的過程中感受到樂趣[4]。
三、LabVIEW在數(shù)字信號處理教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢
在實(shí)際教學(xué)過程中，LabVIEW圖形化的語言直覺特性能夠讓學(xué)生保持高度集中的注意力，將注意力全部放在被教授的理論知識上，而不是在文本工程軟件應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)上，將關(guān)注點(diǎn)全放在編程的一些細(xì)節(jié)方面。將LabVIEW應(yīng)用到數(shù)字信號處理教學(xué)中，不僅能夠促使學(xué)生在短時間內(nèi)對基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行深入的了解和學(xué)習(xí)，而且能夠讓學(xué)生適當(dāng)?shù)亻_發(fā)出一些復(fù)雜的應(yīng)用程序，對學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)以及動手實(shí)踐操作能力的提升來說，都有非常重要的作用[5]。在LabVIEW的應(yīng)用過程中，教師要注重將課本上一些理論性比較強(qiáng)的知識轉(zhuǎn)換成為直觀性比較強(qiáng)的知識，這樣不僅有利于學(xué)生的理解和認(rèn)識，而且能夠加深學(xué)生對理論知識的印象。促使學(xué)生在保證積極性和學(xué)習(xí)主動性越來越高的同時，能夠取得良好的學(xué)習(xí)效果，促使數(shù)字信號處理教學(xué)的整體質(zhì)量和水平能夠有所提升。
四、LabVIEW在數(shù)字信號處理教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用分析
（一）濾波器的設(shè)計與應(yīng)用
數(shù)字濾波器的設(shè)計是數(shù)字信號處理教學(xué)實(shí)施過程中的重點(diǎn)教學(xué)部分，同時也是教學(xué)過程中的難點(diǎn)部分，對學(xué)生的學(xué)習(xí)來說，很容易形成一定的阻礙影響。在對濾波器的設(shè)計過程中，由于其自身的整個過程運(yùn)算量比較大，并且要根據(jù)實(shí)際情況的不同，對濾波器進(jìn)行設(shè)計，從而達(dá)到不同的濾波效果，在實(shí)際應(yīng)用過程中，才能夠?qū)⑵渥陨淼挠绊懞妥饔贸浞职l(fā)揮出來，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計水平[6]。在這種形勢下，如果利用LabVIEW軟件來進(jìn)行計算機(jī)的輔設(shè)計，不僅能夠從根本上減少計算量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的濾波器數(shù)字設(shè)計，幫助學(xué)生將一些抽象的知識以一種直觀簡單的方式呈現(xiàn)出來，在保證學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不斷提升的同時，從根本上保證數(shù)字信號處理教學(xué)的整體質(zhì)量和水平有所提升。在LabVIEW實(shí)際應(yīng)用過程中，結(jié)合濾波器的形成原理，設(shè)計的FIR濾波器前面板以及后程序框圖，前編面板主要利用在顯示方面，對各種控件進(jìn)行切實(shí)有效的操作，對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對濾波器的類型以及窗函數(shù)進(jìn)行選擇，在保證濾波器自身的價值充分發(fā)揮出來時，能夠從根本上起到良好的教學(xué)輔助作用。在實(shí)際的設(shè)計過程中，可以利用控制前面板上開關(guān)或者是按鈕，通過鍵盤以及鼠標(biāo)的操作，將其自身與濾波器的幅頻、相頻特性進(jìn)行有效結(jié)合，促使其自身能夠滿足設(shè)計的整體需求。在實(shí)際設(shè)計過程中，可以對參數(shù)以及濾波器類型進(jìn)行切實(shí)有效的調(diào)整和分析，根據(jù)實(shí)際情況采取有針對性的措施，在保證能夠達(dá)到最佳效果的同時，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更容易地接受一些難點(diǎn)[7]。
（二）信號的頻譜分析
在數(shù)字信號處理教學(xué)的實(shí)際開展過程中，在對數(shù)字信號進(jìn)行分析的時候，基本上可以從兩個方面來進(jìn)行，其中包括時間域、頻率。有些在時間域方面表現(xiàn)出的復(fù)雜信號在轉(zhuǎn)換到頻率域時可能會比較簡單，比如說在實(shí)際應(yīng)用過程中，混合了幾種不同頻率的正弦信號，在時間域中其自身的波形是沒有辦法按照科學(xué)合理的流程來展示的，經(jīng)常是以一種沒有序列的方式呈現(xiàn)。但是一旦轉(zhuǎn)換到頻率域中，就是非常簡單的幾根譜線，所以在這種形勢下可以看出，信號的頻譜分析在數(shù)字信號處理中占據(jù)著非常重要的地位。離散傅里葉變換是對數(shù)字信號頻譜分析的一種有效工具，吸收LabVIEW語言有利于對離散信號的頻譜分析[8]。在整個過程中，學(xué)生可以通過對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直觀地看出離散傅里葉在實(shí)際變換過程中的作用。其自身存在的頻譜泄露現(xiàn)象以及柵欄效應(yīng)，能夠從根本上加深學(xué)生對數(shù)字信號處理等相關(guān)理論知識的印象。
（三）聲音的現(xiàn)場采集
在數(shù)字信號處理教學(xué)的實(shí)施過程中，為了從根本上保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的有效性，就需要將LabVIEW應(yīng)用其中，將其自身的影響和作用充分發(fā)揮出來，在保證充分調(diào)動起學(xué)生積極性和主動性的同時，有效地提高數(shù)字信號處理教學(xué)的整體質(zhì)量和水平。在進(jìn)入課程教學(xué)階段之后，為了說明信號與實(shí)際生活之間的密切聯(lián)系，在LabVIEW的應(yīng)用過程中，通過對其進(jìn)行簡單的設(shè)計和分析，可以利用PC的聲卡和麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)在教學(xué)課堂現(xiàn)場的聲音采集，并且利用多媒體技術(shù)將聲音采集后的內(nèi)容顯示在投影儀上。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于采集的是實(shí)際信號，并且其自身是處于連續(xù)動態(tài)實(shí)時顯示的形勢下，學(xué)生可以直接以枝干的形式看到信號的具體形態(tài)特征。這樣不僅能夠從根本上激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，而且能夠意識到信號在生活中的重要性和必要性。無論是對學(xué)生的學(xué)習(xí)還是數(shù)字信號處理教學(xué)的整體質(zhì)量和水平來說，都有非常重要的作用。
綜上所述，LabVIEW在數(shù)字信號處理教學(xué)過程當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，不僅能夠從根本上調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，而且能夠保證數(shù)字信號處理的整體教學(xué)質(zhì)量和水平有所提升。將LabVIEW應(yīng)用到數(shù)字信號處理教學(xué)中，能夠?qū)⒃颈容^復(fù)雜難懂的知識以一種簡單的方式呈現(xiàn)出來，讓其能夠成為數(shù)字信號處理教學(xué)中非常有效的輔工具，將其自身的影響和作用發(fā)揮出來，為數(shù)字信號處理教學(xué)的質(zhì)量提升提供保障。
作者:何海浪 黃乘順 單位:邵陽學(xué)院信息工程系
參考文獻(xiàn)：
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另外一類是需要用復(fù)雜算法對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的應(yīng)用，例如聲納探測和地震探測等，也需要用DSP器件。該類設(shè)備的批量一般較小、算法要求苛刻、產(chǎn)品很大而且很復(fù)雜。所以設(shè)計工程師在選擇處理器時會盡量選擇性能最佳、易于開發(fā)并支持多處理器的DSP器件。有時，設(shè)計工程師更喜歡選用現(xiàn)成的開發(fā)板來開發(fā)系統(tǒng)而不是從零開始硬件和軟件設(shè)計，同時可以采用現(xiàn)成的功能庫文件開發(fā)應(yīng)用軟件。
在實(shí)際設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用選擇合適的DSP。不同的DSP有不同的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用，在選擇時可以遵循以下要點(diǎn)。
算法格式
DSP的算法有多種。絕大多數(shù)的DSP處理器使用定點(diǎn)算法，數(shù)字表示為整數(shù)或-1.0到+1.0之間的小數(shù)形式。有些處理器采用浮點(diǎn)算法，數(shù)據(jù)表示成尾數(shù)加指數(shù)的形式：尾數(shù)×2指數(shù)。
浮點(diǎn)算法是一種較復(fù)雜的常規(guī)算法，利用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)大的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍(這個動態(tài)范圍可以用最大和最小數(shù)的比值來表示)。浮點(diǎn)DSP在應(yīng)用中，設(shè)計工程師不用關(guān)心動態(tài)范圍和精度一類的問題。浮點(diǎn)DSP比定點(diǎn)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(chǎn)品選用定點(diǎn)DSP。編程和算法設(shè)計人員通過分析或仿真來確定所需要的動態(tài)范圍和精度。如果要求易于開發(fā)，而且動態(tài)范圍很寬、精度很高，可以考慮采用浮點(diǎn)DSP。
也可以在采用定點(diǎn)DSP的條件下由軟件實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)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(diǎn)”，利用該方法將具有相同指數(shù)，而尾數(shù)不同的一組數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理?！皦K浮點(diǎn)”處理通常用軟件來實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)寬度
所有浮點(diǎn)DSP的字寬為32位，而定點(diǎn)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(shù)量以及需要的存儲器的大小等有很大的關(guān)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(yīng)地增大。在滿足設(shè)計要求的條件下，要盡量選用小字寬的DSP以減小成本。
在關(guān)于定點(diǎn)和浮點(diǎn)的選擇時，可以權(quán)衡字寬和開發(fā)復(fù)雜度之間的關(guān)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(shí)現(xiàn)32位字寬雙精度算法(當(dāng)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(shù)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(shù)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(shù)DSP器件的指令字和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)字為16位而指令字為24位。
DSP的速度
處理器是否符合設(shè)計要求,關(guān)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(zhí)行最快指令所需要的時間。指令周期的倒數(shù)除以一百萬，再乘以每個周期執(zhí)行的指令數(shù)，結(jié)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(zhí)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(wù)量不一樣，單純地比較指令執(zhí)行時間并不能公正地區(qū)別性能的差異?，F(xiàn)在一些新的DSP采用超長指令字(VLIW)架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，單個周期時間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多條指令，而每個指令所實(shí)現(xiàn)的任務(wù)比傳統(tǒng)DSP少，因此相對VLIW和通用DSP器件而言，比較MIPS的大小時會產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。
即使在傳統(tǒng)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(jìn)行移位，而有些DSP的一個指令只能對單個數(shù)據(jù)位移位；有些DSP可以進(jìn)行與正在執(zhí)行的ALU指令無關(guān)的數(shù)據(jù)的并行處理(在執(zhí)行指令的同時加載操作數(shù))，而另外有些DSP只能支持與正在執(zhí)行的ALU指令有關(guān)的數(shù)據(jù)并行處理；有些新的DSP允許在單個指令內(nèi)定義兩個MAC。因此僅僅進(jìn)行MIPS比較并不能準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)DSP中，MAC操作僅在單個指令周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，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(nèi)處理的任務(wù)比其它DSP多。MAC時間并不能反映諸如循環(huán)操作等的性能，而這種操作在所有的應(yīng)用中都會用到。
最通用的辦法是定義一套標(biāo)準(zhǔn)例程，比較在不同DSP上的執(zhí)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(yīng)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(biāo)榜的MOPS(百萬次操作每秒)和MFLOPS(百萬次浮點(diǎn)操作每秒)參數(shù)，因?yàn)椴煌膹S商對“操作”的理解不一樣，指標(biāo)的意義也不一樣。例如，某些處理器能同時進(jìn)行浮點(diǎn)乘法操作和浮點(diǎn)加法操作，因而標(biāo)榜其產(chǎn)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(huán)，可以使用外部低頻時鐘產(chǎn)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(tǒng)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M(fèi)AC執(zhí)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(shù)據(jù)字。有多種方法實(shí)現(xiàn)這種讀取，包括多接口存儲器(允許在每個指令周期內(nèi)對存儲器多次訪問)、分離指令和數(shù)據(jù)存儲器(“哈佛”結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)讀取)。圖2和圖3顯示了哈佛存儲器結(jié)構(gòu)與很多微控制器采用的“馮·諾曼”結(jié)構(gòu)的差別。
另外要注意所支持的存儲器空間的大小。許多定點(diǎn)DSP的主要目標(biāo)市場是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，在這種應(yīng)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(shù)據(jù)總線。另外，絕大多數(shù)定點(diǎn)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(diǎn)DSP的片上存儲器很小，甚至沒有，但外部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲器。
選擇DSP時，需要根據(jù)具體應(yīng)用對存儲空間大小以及對外部總線的要求來選擇。
開發(fā)的簡便性
對不同的應(yīng)用來說，對開發(fā)簡便性的要求不一樣。對于研究和樣機(jī)的開發(fā)，一般要求系統(tǒng)工具能便于開發(fā)。而如果公司在開發(fā)下一代手機(jī)產(chǎn)品，成本是最重要的因素，只要能降低最終產(chǎn)品的成本，一般他們愿意承受很煩瑣的開發(fā)，采用復(fù)雜的開發(fā)工具(當(dāng)然如果大大延遲了產(chǎn)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(fā)工具(包括匯編、鏈接、仿真、調(diào)試、編譯、代碼庫以及實(shí)時操作系統(tǒng)等部分)、硬件工具(開發(fā)板和仿真機(jī))和高級工具(例如基于框圖的代碼生成環(huán)境)。利用這些工具的設(shè)計過程如圖4所示。
選擇DSP器件時常有如何實(shí)現(xiàn)編程的問題。一般設(shè)計工程師選擇匯編語言或高級語言(如C或Ada)，或兩者相結(jié)合的辦法?，F(xiàn)在大部分的DSP程序采用匯編語言，由于編譯器產(chǎn)生的匯編代碼一般未經(jīng)最優(yōu)化，需要手動進(jìn)行程序優(yōu)化，降低程序代碼大小和使流程更合理，進(jìn)一步加快程序的執(zhí)行速度。這樣的工作對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品很有意義，因?yàn)橥ㄟ^代碼的優(yōu)化能彌補(bǔ)DSP性能的不足。
使用高級語言編譯器的設(shè)計工程師會發(fā)現(xiàn)，浮點(diǎn)DSP編譯器的執(zhí)行效果比定點(diǎn)DSP好，這有幾個原因：首先，多數(shù)的高級語言本身并不支持小數(shù)算法；其次，浮點(diǎn)處理器一般比定點(diǎn)處理器具有更規(guī)則的指令，指令限制少，更適合編譯器處理；第三，由于浮點(diǎn)處理器支持更大的存儲器，能提供足夠的空間。編譯器產(chǎn)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(shí)現(xiàn)編程，都必須注意調(diào)試和硬件仿真工具的使用，因?yàn)楹艽笠徊糠值拈_發(fā)時間會花在這里。幾乎所有的生產(chǎn)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(diào)試很有幫助。如果所用的是高級語言，對高級語言調(diào)試器功能進(jìn)行評估很重要，包括能否與模擬機(jī)和/或硬件仿真器一起運(yùn)行等性能。
大多數(shù)DSP銷售商提供硬件仿真工具，現(xiàn)在許多處理器具有片上調(diào)試/仿真功能，通過采用IEEE1149.1JTAG標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，然后通過掃描處理器內(nèi)部寄存器來查看處理器到達(dá)斷點(diǎn)后寄存器的內(nèi)容并進(jìn)行修改。
很多的生產(chǎn)商都可以提供現(xiàn)成的DSP開發(fā)系統(tǒng)板。在硬件沒有開發(fā)完成之前可用開發(fā)板實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)時運(yùn)行調(diào)試，這樣可以提高最終產(chǎn)品的可制造性。對于一些小批量系統(tǒng)甚至可以用開發(fā)板作為最終產(chǎn)品電路板。
支持多處理器
在某些數(shù)據(jù)計算量很大的應(yīng)用中，經(jīng)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(guān)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(tǒng)設(shè)計的專用硬件。
電源管理和功耗
DSP器件越來越多地應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品中，在這些應(yīng)用中功耗是一個重要的考慮因素，因而DSP生產(chǎn)商盡量在產(chǎn)品內(nèi)部加入電源管理并降低工作電壓以減小系統(tǒng)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(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于5V供電的同類產(chǎn)品。
b.“休眠”或“空閑”模式：絕大多數(shù)處理器具有關(guān)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(fù)，而在另外一些情況下，只有設(shè)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(wù)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(tǒng)未用到的電路的工作。
不管電源管理特性怎么樣，設(shè)計工程師要獲得優(yōu)秀的省電設(shè)計很困難，因?yàn)镈SP的功耗隨所執(zhí)行的指令不同而不同。多數(shù)生產(chǎn)商所提供的功耗指標(biāo)為典型值或最大值，而TI公司給出的指標(biāo)是一個例外，該公司的應(yīng)用實(shí)例中詳細(xì)地說明了在執(zhí)行不同指令和不同配置下的功耗。
成本因素
在滿足設(shè)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(diǎn)。首先，處理器的價格在持續(xù)下跌；第二點(diǎn)，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。
摘要：數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)由于受運(yùn)算速度的限制，其實(shí)時性在相當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)遠(yuǎn)不如模擬信號處理系統(tǒng)。從80年代至今的十多年中，DSP芯片在運(yùn)算速度、運(yùn)算精度、制造工藝、芯片成本、體積、工作電壓、重量和功耗方面取得了劃時代的發(fā)展，開發(fā)工具和手段不斷完善。DSP芯片有著非?？斓倪\(yùn)算速度，使許多基于DSP芯片的實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。目前，DSP芯片已應(yīng)用在通信、自動控制、航天航空及醫(yī)療領(lǐng)域，取得了相當(dāng)?shù)某晒Ｔ谳d人航天領(lǐng)域，基于DSP芯片的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。
TheDevelopmentandApplicationsofDigitalSignalProcessing(DSP)-chip
Abstract:Duetothelimitationofoperationspeed，realtimeperformanceofdigitalsignalprocessing(DSP)systemisfarfromthatofanalogsignalprocessingsystemindecadesago.Sinceearly80’s，DSPchipshavebeengreatlyimprovedinthefollowingaspects:operationspeed，computationprecision，fabricationtechnics，cost，chipvolume，operationalpowersupplyvoltage，weightandpowerconsumption.Furthermore，developmenttoolsandmethodshavebeendevelopedgreatly.ModernDSPchipscanbeoperatedveryfast，whichmaketheimplementationofmanyDSPbasedsignalprocessingsystempossible.NowDSPchipshavebeenwidelyappliedsuccessfullyincommunication，automaticcontrol，aerospaceandmedicine.DSPbasedtechnologyhasverypromisingfutureinmannedspaceflightarea.
Keywords:digitalsignalprocessing(DSP);chip;development;application
數(shù)字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學(xué)科，已滲透到科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、國防和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進(jìn)行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質(zhì)有更清楚的認(rèn)識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進(jìn)而在更廣和更深層次上獲取信息。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)為：1.靈活性好：當(dāng)處理方法和參數(shù)發(fā)生變化時，處理系統(tǒng)只需通過改變軟件設(shè)計以適應(yīng)相應(yīng)的變化。2.精度高：信號處理系統(tǒng)可以通過A/D變換的位數(shù)、處理器的字長和適當(dāng)?shù)乃惴M足精度要求。3.可靠性好：處理系統(tǒng)受環(huán)境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規(guī)模集成：隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點(diǎn)。
然而，數(shù)字信號處理系統(tǒng)由于受到運(yùn)算速度的限制，其實(shí)時性在相當(dāng)長的時間內(nèi)遠(yuǎn)不如模擬信號處理系統(tǒng)，使得數(shù)字信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數(shù)字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)數(shù)字信號處理技術(shù)的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應(yīng)運(yùn)而生，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。
DSP芯片的發(fā)展
70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標(biāo)志著DSP芯片的開端。隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，高速實(shí)時數(shù)字信號處理技術(shù)的要求和數(shù)字信號處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發(fā)展。從運(yùn)算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400ns降低到40ns以下，數(shù)據(jù)處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執(zhí)行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現(xiàn)在的40MIPS以上。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%，片內(nèi)RAM增加了一個數(shù)量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現(xiàn)在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數(shù)目從80年代初最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應(yīng)用的靈活性增加，使外部存儲器的擴(kuò)展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn)在的DSP芯片有浮點(diǎn)和定點(diǎn)兩種數(shù)據(jù)格式，浮點(diǎn)DSP芯片能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，使運(yùn)算精度極大提高。DSP芯片的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP開發(fā)系統(tǒng)方面，軟件和硬件開發(fā)工具不斷完善。目前某些芯片具有相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境，它支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和DMA的訪問及程序的單部運(yùn)行和跟蹤等，并可以采用高級語言編程，有些廠家和一些軟件開發(fā)商為DSP應(yīng)用軟件的開發(fā)準(zhǔn)備了通用的函數(shù)庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應(yīng)用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時間大大縮短，因而提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。
目前各廠商生產(chǎn)的DSP芯片有：TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、AT&T公司的DSPX系列、Motolora公司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。
通用DSP芯片的特點(diǎn)1.在一個周期內(nèi)可完成一次乘法和一次累加。
2.采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。
3.片內(nèi)有快速RAM，通?？梢酝ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。
4.具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)硬件支持。
5.快速中斷處理和硬件I/O支持。
6.具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。
7.可以并行執(zhí)行多個操作。
8.支持流水線操作，取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。
DSP芯片的應(yīng)用
隨著DSP芯片性能的不斷改善，用DSP芯片構(gòu)造數(shù)字信號處理系統(tǒng)作信號的實(shí)時處理已成為當(dāng)今和未來數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的一個熱點(diǎn)。隨著各個DSP芯片生產(chǎn)廠家研制的投入，DSP芯片的生產(chǎn)技術(shù)不斷更新，產(chǎn)量增大，成本和售價大幅度下降，這使得DSP芯片應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在DSP芯片的應(yīng)用遍及電子學(xué)及與其相關(guān)的各個領(lǐng)域。
典型應(yīng)用(1)通用信號處理：卷積，相關(guān)，F(xiàn)FT，Hilbert變換，自適應(yīng)濾波，譜分析，波形生成等。(2)通信：高速調(diào)制/解調(diào)器，編/譯碼器，自適應(yīng)均衡器，仿真，蜂房網(wǎng)移動電話，回聲/噪聲對消，傳真，電話會議，擴(kuò)頻通信，數(shù)據(jù)加密和壓縮等。(3)語音信號處理：語音識別，語音合成，文字變聲音，語音矢量編碼等。(4)圖形圖像信號處理：二、三維圖形變換及處理，機(jī)器人視覺，電子地圖，圖像增強(qiáng)與識別，圖像壓縮和傳輸，動畫，桌面出版系統(tǒng)等。(5)自動控制：機(jī)器人控制，發(fā)動機(jī)控制，自動駕駛，聲控等。(6)儀器儀表：函數(shù)發(fā)生，數(shù)據(jù)采集，航空風(fēng)洞測試等。(7)消費(fèi)電子：數(shù)字電視，數(shù)字聲樂合成，玩具與游戲，數(shù)字應(yīng)答機(jī)等。
在醫(yī)學(xué)電子學(xué)方面的應(yīng)用如同其它數(shù)字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫(yī)學(xué)圖像處理，醫(yī)學(xué)圖像重構(gòu)等領(lǐng)域，如CT、核磁成象技術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，已取得了令人滿意的效果。在助聽，電子耳渦等方面也取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展(文獻(xiàn)［1,2］)。國內(nèi)、外也有關(guān)于腦電、心電、心音和肌電信號處理方面基于DSP芯片系統(tǒng)的報道(文獻(xiàn)［4～7］)，我們對1996年以前國外生物醫(yī)學(xué)工程的部分核心期刊，如IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,ComputersandBiomedicalResearch等核心期刊進(jìn)行檢索，有關(guān)基于DSP芯片處理系統(tǒng)的報道很少。對國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程的核心期刊，如《中國醫(yī)療器械雜志》、《中國生物醫(yī)學(xué)工程雜志》、《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》和《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報》等刊物進(jìn)行檢索，未見有關(guān)基于DSP芯片系統(tǒng)方面的報道。對我所的光盤數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，未見有關(guān)在航天醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的報告。
我們認(rèn)為在生理信號處理領(lǐng)域基于DSP芯片的技術(shù)可以解決我們在實(shí)際工作中遇到的某些問題，如當(dāng)生理信號數(shù)據(jù)量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對復(fù)雜時，現(xiàn)有的微機(jī)在實(shí)時采樣、處理、存儲和顯示方面往往不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機(jī)構(gòu)成主從系統(tǒng)可以較好地解決這類問題。
載人航天領(lǐng)域中信號傳輸帶寬的限制需要對生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時壓縮；大型實(shí)驗(yàn)中對龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理依賴于數(shù)字處理系統(tǒng)的構(gòu)成；載人航天中對數(shù)據(jù)處理精度，可靠性要求以及功耗、工作電壓、體積、重量等方面的限制需要我們在構(gòu)造處理系統(tǒng)中選擇性能優(yōu)良的芯片。我們認(rèn)為將DSP技術(shù)應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域具有十分重要的意義。
結(jié)束語
以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實(shí)時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足載人航天領(lǐng)域設(shè)備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。這樣為實(shí)時數(shù)字信號處理的應(yīng)用——尤其是在載人航天領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用將會對載人航天信號處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
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關(guān)鍵詞：二維信號處理
一、隨著集成電路的運(yùn)算速度更快，集成度更高，就有可能耐復(fù)雜目益增加均一些多維數(shù)字信號處理。
所它在最近才開始出現(xiàn)的一個新領(lǐng)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(jī)輔動斷層成術(shù)(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(shè)計及通過人造衛(wèi)星地球資源。多維數(shù)字信號處理除具有許多引人注目和淺顯易行的應(yīng)用之外，它還具有堅賣的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這不僅使我們能了解它的實(shí)現(xiàn)情況，而且當(dāng)新問題出現(xiàn)時，也當(dāng)及時解決。
典型的信號處理任務(wù)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(jī)的存儲器中，在這種情況下，信息是從可變的銀粒密度轉(zhuǎn)換戌可見光束，再變成電的波形，最后變戍數(shù)字的序列，隨后該數(shù)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(fù)雜，經(jīng)過處理，最后顯赤射線管(CRT)的熒光屏上或膠片上。數(shù)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(wù)一一信息的重新排列和信息的壓縮。
二、數(shù)字信號處理涉及到用數(shù)的序列表示的信號的處理，而多維數(shù)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(shù)字硬件處理，同時可以將信號處理的運(yùn)算規(guī)定為算法。
促使人們采用數(shù)字方法的是不言而喻的。數(shù)字方法既有效靈活。我們可以用數(shù)字系統(tǒng)使其有自適應(yīng)性并易于重新組合?？梢院芊奖愕匕褦?shù)字算法由一個廠商的設(shè)備上轉(zhuǎn)換到另一個廠商的設(shè)備上去，或者把專用數(shù)字硬件來實(shí)現(xiàn)。同樣，數(shù)字算法也可用來處理作為時間函數(shù)或空間信號，數(shù)字算法自然地和邏輯算符如模式分類相聯(lián)系。數(shù)字信號能夠長時間無差錯地存儲。對很多種應(yīng)用而言，數(shù)字方法Ⅸ其它方法更為簡單，對另外一些應(yīng)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(shí)現(xiàn)的多運(yùn)算，例如抽樣、濾波和交換等，用于一維序列，然而，嚴(yán)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(shù)據(jù)量大得多；(2)處理多維系統(tǒng)在數(shù)些上不如處理一維系統(tǒng)那樣完備；(3)多維信號處理有更多的自由度，這給系統(tǒng)設(shè)計音以一維情況中無法比擬的靈活性。雖然所有遞歸數(shù)字濾波器都是用差分方程實(shí)現(xiàn)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(diào)整速率。而且也可以調(diào)整抽排列。從另一方面來說，多維多項(xiàng)式不能進(jìn)行因式分解，而一維多項(xiàng)式是可以進(jìn)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(diǎn)及孤立的根。所以，多維信號處理與一維信號處理有相當(dāng)大的差別。在20世紀(jì)60年代初期，用數(shù)字系統(tǒng)來模仿模擬系統(tǒng)的想法，使得一維數(shù)字信號處毫的各種方法得到了發(fā)展。這樣，仿照模擬系統(tǒng)理論，創(chuàng)立了許多離散系統(tǒng)理論。隨后，當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)可以很好地模仿模擬系統(tǒng)時，人們認(rèn)識到數(shù)字系統(tǒng)同時也可以完成更多的功能。由丁這種認(rèn)識及數(shù)字硬件工藝的有力推動，數(shù)字信號處理得到了發(fā)展，而且現(xiàn)今很多通用的方法，已成為數(shù)字方法所特有的，沒有與其等效的模擬方法，在發(fā)展多維數(shù)字信號處理時，可觀察到同一發(fā)展趨向。因?yàn)闆]有連續(xù)時間的(或模擬的)二維系統(tǒng)理論可以仿效，因而最初的二維系統(tǒng)是以一維系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，80年代后期，多數(shù)二維信號處理都是用可分的二維系統(tǒng)?？煞值亩S系統(tǒng)與用于二維數(shù)據(jù)的一維系統(tǒng)幾乎沒有差別。隨后，發(fā)展了獨(dú)特的多維算法，該算法相當(dāng)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(yīng)用要求數(shù)據(jù)量很大，且IT缺少二維多項(xiàng)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(xiàn)在正處于認(rèn)識的萌芽時代。計算機(jī)工業(yè)以其部件的小型化和價格日趨低廉而有助于我們解決數(shù)據(jù)量問題。盡管我們總是受限于數(shù)學(xué)問題，但仍然認(rèn)識到，多維系統(tǒng)也給了我們新的自由度。以上這些，使得該領(lǐng)域既富于挑戰(zhàn)性又無窮樂趣，電子信息技術(shù)的結(jié)合之軟件結(jié)臺，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中可用電產(chǎn)信息技術(shù)的地方，仍然可以在生產(chǎn)或很低的條件下使用人力或傳統(tǒng)機(jī)械。電予信息技術(shù)應(yīng)到限制，在不同領(lǐng)域和不同水平有各種原因，但爛有一個共大原因是缺乏認(rèn)識。沒有認(rèn)識，便沒有應(yīng)層。
事實(shí)上，在一維和二維信號處理理論之間有實(shí)質(zhì)性的差別，而在二維和更高維之間，除了計算上的復(fù)雜世方耐差異之外，似乎差別較小。
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1.1充分了解前期課程情況
首先，授課教師應(yīng)在課前充分了解《數(shù)字信號處理》課程的全部教學(xué)內(nèi)容中有哪些涉及前期的預(yù)修課程，并將所有涉及的課程和對應(yīng)的知識點(diǎn)羅列出來。然后，教師應(yīng)了解學(xué)生是否全部學(xué)習(xí)過所有的預(yù)修課程和所包含的知識點(diǎn)。（1）對于已經(jīng)學(xué)過的預(yù)修課程，教師逐一查閱相關(guān)教材，摘出本課程中涉及到的知識點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)用條件、關(guān)鍵內(nèi)容、主要結(jié)論以及必要的推導(dǎo)過程等。以《高等數(shù)學(xué)》為例，本課程涉及到的知識點(diǎn)主要有：反函數(shù)和復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)、等比級數(shù)求和、歐拉公式、傅里葉級數(shù)和微分方程求解等。（2）如果有某一門課程沒有學(xué)過，例如我校沒有開設(shè)《積分變換》課程，那教師就應(yīng)從更基礎(chǔ)的《高等數(shù)學(xué)》課程出發(fā)，將本課程所涉及的知識推導(dǎo)出來，以便在課堂授課中補(bǔ)充，或作為參考資料提供給學(xué)生自學(xué)。（3）有些知識點(diǎn)雖然在預(yù)修課程中有所涉及，但可能不是重點(diǎn)或不夠系統(tǒng)，那教師就應(yīng)根據(jù)前期所學(xué)知識，結(jié)合本課程需要，進(jìn)行必要的歸納總結(jié)，以便學(xué)生根據(jù)個人學(xué)習(xí)情況參閱。例如本課程中數(shù)字濾波器設(shè)計是授課的重點(diǎn)內(nèi)容，其中需要掌握模擬濾波器設(shè)計的相關(guān)知識，但是預(yù)修課程中并沒有系統(tǒng)講述，因此教師就應(yīng)整理各種模擬濾波器的公式、特點(diǎn)和設(shè)計方法并將其融合到授課過程中。由于《數(shù)字信號處理》本身就是一個嚴(yán)格的理論體系，其中所有的定理和性質(zhì)都是可推導(dǎo)或可證明的，而且推導(dǎo)和證明過程也是要求學(xué)生掌握的，因此教師在授課中就必須保證所有的推導(dǎo)過程都是學(xué)生以自身所掌握的知識可以理解和獨(dú)立完成的。
1.2建立通暢的師生交流渠道
首先，應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念，即使在大學(xué)高年級，課程教學(xué)也應(yīng)該是以學(xué)生良好掌握本課程的知識和技能為標(biāo)準(zhǔn)，而不應(yīng)僅僅是完成教學(xué)任務(wù)。這就要求教師和學(xué)生之間具有良好、通暢的交流渠道，以便教師能及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況、學(xué)習(xí)過程中存在的疑問以及對課程學(xué)習(xí)的建議和意見等。同時，也便于教師及時通知學(xué)生應(yīng)預(yù)先復(fù)習(xí)的知識和應(yīng)準(zhǔn)備的材料、對學(xué)生提問的答復(fù)以及對后續(xù)課程教學(xué)的調(diào)整等。因此，建立通暢的師生交流渠道非常必要。我們認(rèn)為師生的交流渠道應(yīng)是多方面的，為此我們采用了多種的交流形式。（1）師生見面會：一般在課程開始之前或前期進(jìn)行，所有參與授課的教師和全體學(xué)生面對面座談，從而實(shí)現(xiàn)初步的了解。（2）課代表制：在學(xué)生中選擇一名同學(xué)作為本課程的代表，負(fù)責(zé)收集學(xué)生中的問題、意見等并及時反饋給教師，同時將教師的通知及時傳達(dá)給所有學(xué)生。（3）公布教師的辦公室地址、電話和E-mail：讓每一名學(xué)生都能找到教師，以便提出問題并得到教師的輔導(dǎo)。（4）《數(shù)字信號處理》網(wǎng)絡(luò)課程平臺：本課程已經(jīng)構(gòu)建了較為完善的網(wǎng)絡(luò)課程，其中包括課程授課幻燈、教案、典型習(xí)題、課程電子公告片率系統(tǒng)（bulletinboardsystem，BBS）、其他參考資料等。（5）最新的即時通訊工具：例如QQ、微信等。（6）晚自習(xí)答疑：每周安排一個晚自習(xí)由1名授課教師到學(xué)生自習(xí)的教室進(jìn)行答疑，學(xué)生如有課程學(xué)習(xí)中的疑問可以自由提問。通過上述措施，在教師和學(xué)生之間構(gòu)建全方位、全覆蓋的交流渠道，既包含了傳統(tǒng)的見面輔導(dǎo)形式，也引入了學(xué)生中流行的即時通信工具，從而可以保證學(xué)生面對面或不見面地提出學(xué)習(xí)中的疑難問題，便于教師了解和掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。
1.3在作業(yè)批改和實(shí)驗(yàn)過程中深層次了解
前面的師生交流，更注重學(xué)生主動提出問題，以尋求教師的答復(fù)。不過在我們的教學(xué)經(jīng)歷中，有些學(xué)生不擅長或者不習(xí)慣主動提問題，而喜歡等待接受教師講解的課程內(nèi)容。這樣，教師就不容易把握學(xué)生的個人學(xué)習(xí)情況，也就難以進(jìn)行個性化教學(xué)?！稊?shù)字信號處理》課程注重理論知識的學(xué)習(xí)，因此教師每講授一部分內(nèi)容都會給學(xué)生布置一些習(xí)題作業(yè)。我們的要求是學(xué)生在作業(yè)中要寫出完整的解題步驟，提倡學(xué)生拋棄草稿紙，將所有的中間過程都寫到作業(yè)本上。通過對作業(yè)的批改，教師就能從中發(fā)現(xiàn)每個學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握情況，及時發(fā)現(xiàn)問題。《數(shù)字信號處理》課程也強(qiáng)調(diào)理論知識的運(yùn)用，因此安排了接近1/3的學(xué)時用于上機(jī)編程實(shí)驗(yàn)。學(xué)生利用課堂所學(xué)理論知識在計算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，并將結(jié)果顯示出來。但是這個過程并不一定是一個順理成章的事情，大部分學(xué)生都不能夠一次完成。因此，教師應(yīng)不停地巡視每個學(xué)生的編程過程，及時發(fā)現(xiàn)問題并給出建議。
2個性化教學(xué)方法
開展個性化教學(xué)，并不是進(jìn)行個別教學(xué)，也不是要否定傳統(tǒng)的課堂授課。我們認(rèn)為個性化教學(xué)是對課堂授課的補(bǔ)充和完善。另外，個性化包含2層含義：一是不同年級的學(xué)生之間存在差異，教師需要針對性地調(diào)整或強(qiáng)調(diào)授課內(nèi)容；二是不同學(xué)生之間知識背景存在差異，教師應(yīng)進(jìn)行個別輔導(dǎo)。
2.1課堂上重點(diǎn)講解共性難點(diǎn)
通過前期多種形式的師生互動，教師對學(xué)生的知識背景應(yīng)該有較全面的了解，特別是要掌握可能缺失的知識點(diǎn)。在課程備課和幻燈制作過程中，教師就應(yīng)有針對性地對存在的共性問題進(jìn)行重點(diǎn)準(zhǔn)備，例如對涉及前期預(yù)修課程中的知識點(diǎn)進(jìn)行提示或回顧，對學(xué)生缺失的知識進(jìn)行補(bǔ)充，對前期不系統(tǒng)的知識進(jìn)行歸納和整理。在課堂授課過程中，不斷觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)人有疑問時應(yīng)反復(fù)講解，必要時輔以板書推導(dǎo)。同時，鼓勵學(xué)生在上課過程中主動提問，并在每次課結(jié)束前預(yù)留3~5min進(jìn)行簡短答疑。另外，對后續(xù)課程學(xué)習(xí)中可能涉及的預(yù)修知識應(yīng)要求學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)。
2.2合理布置作業(yè)并認(rèn)真批改
教師布置給學(xué)生課后完成的作業(yè)應(yīng)涵蓋主要的授課內(nèi)容，應(yīng)有一定的題量，期望學(xué)生通過做作業(yè)復(fù)習(xí)重點(diǎn)知識，特別是綜合運(yùn)用已學(xué)過的知識分析和解決問題。教師應(yīng)重視對學(xué)生作業(yè)的批改，逐步審閱，并明確指出出錯或遺漏之處，如有需要可給出修改思路的提示。曾出現(xiàn)過某一道并不難的作業(yè)卻有很多學(xué)生做錯的情況，對此種情況，教師要不怕麻煩對每一個學(xué)生都給予糾正，避免疏漏。而且《數(shù)字信號處理》課程習(xí)題的突出特點(diǎn)是一題多問，后面的問題需要前面問題正確的結(jié)果作條件，常常出現(xiàn)第一問解題錯誤，導(dǎo)致后面幾問即使方法得當(dāng)也無法得到正確的結(jié)果。對此種情況，教師不僅要指出第一次出錯的地方，而且還應(yīng)對后續(xù)求解的方法予以評價，便于學(xué)生自己改錯。教師對所有學(xué)生作業(yè)中存在的問題還應(yīng)及時歸納。由于學(xué)生做作業(yè)和教師批改作業(yè)都需要一定的時間，一般會有2周的延時，因此教師應(yīng)注意利用后續(xù)授課中的點(diǎn)滴空閑時間或少量的課后時間，進(jìn)行作業(yè)情況的分析。這一做法往往頗受學(xué)生的喜愛。
2.3利用課間進(jìn)行個別輔導(dǎo)
一般每次授課是2個學(xué)時連在一起上，學(xué)時之間有10min的休息時間。教師應(yīng)注意在課間主動走到學(xué)生中間，這樣會無形之中鼓勵學(xué)生主動提問。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)教師站在講臺上時，學(xué)生要提問可能需要更多的勇氣；而如果教師走到學(xué)生身邊時，學(xué)生會感覺與教師的距離縮短了，從而可能較隨意地提問。這樣，教師才能有針對性地對學(xué)生進(jìn)行個別輔導(dǎo)。同時，幾次之后就有助于樹立一種主動提問的良好氛圍，有利于教師更好地把握教學(xué)效果，節(jié)省了猜測和估計的時間。
2.4在線響應(yīng)學(xué)生提問
除了鼓勵學(xué)生在課堂上提問外，教師應(yīng)接受并適應(yīng)學(xué)生通過他們熟悉和感興趣的交流方式提問，并及時作出響應(yīng)。上述2種提問方式類似于實(shí)時和非實(shí)時的關(guān)系，這本就是數(shù)字信號處理技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，而且新的交流工具實(shí)際上也是數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)。作為教授本課程的教師也應(yīng)緊跟時代的步伐，讓學(xué)生感覺與教師之間沒有代溝，更重要的是讓學(xué)生對本課程產(chǎn)生更濃厚的興趣，激發(fā)主動學(xué)習(xí)的熱情。
2.5讓學(xué)生獨(dú)立完成編程實(shí)驗(yàn)
計算機(jī)編程實(shí)驗(yàn)是《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)的重要組成部分，我們要求給學(xué)生提供單人單機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件，雖然實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相同，但強(qiáng)調(diào)每個學(xué)生獨(dú)立完成。教師不僅僅應(yīng)關(guān)注最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還應(yīng)在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中不斷巡視，及時回答學(xué)生提問，或發(fā)現(xiàn)學(xué)生有疑難主動給予幫助。每個學(xué)生對課程教學(xué)內(nèi)容的掌握程度不同，存在的難點(diǎn)也可能有差別，而且實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度更是差別明顯，因此集中講解并不必要，個別輔導(dǎo)才是更佳的選擇。
2.6確立每周一次晚自習(xí)答疑
由于本課程教學(xué)內(nèi)容多，而學(xué)時有限，在制定教學(xué)進(jìn)度時無法留出完整的學(xué)時進(jìn)行答疑。為此，我們嘗試每周安排1名授課教師在學(xué)生晚自習(xí)時到教室答疑。通常教師不站在講臺上，而是在教室后面等待學(xué)生個別提問并解答。沒有問題的學(xué)生則正常自習(xí)。經(jīng)過一個學(xué)期的試驗(yàn)，這種方法效果較好，我們將其固定為一種輔助的教學(xué)手段。
3結(jié)語
關(guān)鍵詞 數(shù)字信號處理 DSP 課程體系 滲透
中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)科中，數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)和仿真課程已經(jīng)很好地融合進(jìn)來。很多高校的信息類專業(yè)相繼開設(shè)了數(shù)字信號處理，DSP應(yīng)用的相關(guān)理論課程，并開設(shè)了matlab信號分析與處理等課程設(shè)計和實(shí)驗(yàn)。如何在理論和實(shí)踐課程教學(xué)中完成對數(shù)字信號處理知識的滲透于延伸，讓學(xué)生更好的認(rèn)識到數(shù)字信號處理技術(shù)的理論和實(shí)踐和有機(jī)結(jié)合呢？
1 數(shù)字信號處理的作用
數(shù)字信號處理是研究把信號用數(shù)字或符號表示成序列，通過計算機(jī)或通用（專用）信號處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計算方法處理，提取有用信息便于應(yīng)用的客觀規(guī)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(guī)律的，當(dāng)轉(zhuǎn)化成頻域信號后，很容易看出來信號的相關(guān)性質(zhì)，對信號的處理也更為方便。模擬信號在遠(yuǎn)距離傳輸時信號衰減大，且抗干擾能力差；數(shù)字信號設(shè)備靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸速度快且不失真。
數(shù)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(fù)原始信號并可以對其增強(qiáng)。它對聲音，圖像，其他現(xiàn)實(shí)中的物理量進(jìn)行信號調(diào)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(zhì)量，在電信和其它學(xué)科中具有重要的意義。
數(shù)字信號處理算法是對其離散信號與系統(tǒng)的變換和濾波的理論基礎(chǔ)，在此算法基礎(chǔ)上，用硬件或軟件的方法將其實(shí)現(xiàn)，這是整個數(shù)字信號處理的過程。下面我們來分析變換理論和具體實(shí)現(xiàn)之間的對應(yīng)。
2 數(shù)字信號處理中數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)算法原理
在數(shù)字信號處理中，以IIR數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)為例。對于一個輸入輸出關(guān)系已經(jīng)給定的系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)或差分方程已知，可以用不同結(jié)構(gòu)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。由Z變換的相關(guān)知識，我們可以知道對N階差分方程進(jìn)行Z變換，得到系統(tǒng)函數(shù)的一般表示式：
（1）
如果要設(shè)計IIR級聯(lián)型數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)，就要根據(jù)級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將H（z）變換成級聯(lián)型一階節(jié)和二階節(jié)的形式。
（2）
這樣，就把系統(tǒng)函數(shù)分解成了N1個一階節(jié)和N2個二階節(jié)。有了這樣的結(jié)構(gòu)，就可以得到IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)方框圖，如圖1。
圖1 IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)方框圖
3 數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)二階節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)
第二節(jié)中是數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的算法原理和系統(tǒng)函數(shù)分解公式，那么這樣的數(shù)字濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)怎樣用硬件實(shí)現(xiàn)呢？
從圖1看出，IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)是由M個二階節(jié)組成的，一階節(jié)可以看做二階節(jié)的特殊情況。在每一個二階節(jié)中，有四個加法環(huán)節(jié)（如圖1中的圓圈標(biāo)示），有兩個延時單元，有四個標(biāo)量乘法環(huán)節(jié)。其中的加法環(huán)節(jié)和標(biāo)量乘法器可以有專用數(shù)字信號處理芯片中的加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)，延時單元可以由觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，比如D觸發(fā)器。
現(xiàn)在以一個二階節(jié)為例，根據(jù)方框原理圖（圖2）說明其硬件構(gòu)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(shí)現(xiàn)如圖3所示。同樣地，從到的電路結(jié)構(gòu)與前面類似，延時電路可以與前面公用。
圖2 IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)二階節(jié)方框圖
圖3 IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)二階節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)
4 數(shù)字信號處理課程理論與實(shí)踐教學(xué)的知識滲透與延伸
學(xué)生在數(shù)字信號處理的理論課程中了解了相關(guān)的算法原理后，并和實(shí)際的硬件電路實(shí)現(xiàn)對應(yīng)了解，就掌握了從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換過程。
所以在講授數(shù)字信號處理的每一個知識點(diǎn)時，都應(yīng)該按照這樣的思想去引導(dǎo)學(xué)生：（1）清晰透徹的講授每一章節(jié)的離散信號與系統(tǒng)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(shù)字濾波結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)。在每一個知識點(diǎn)上，都把相應(yīng)的數(shù)學(xué)原理和對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來，使學(xué)生了解知識的實(shí)際用途。（2）在學(xué)生掌握算法原理的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)其在相應(yīng)的仿真工具上進(jìn)行算法的仿真，得到相應(yīng)的系數(shù)和性能，分析算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對算法進(jìn)行改進(jìn)。（3）根據(jù)前面學(xué)習(xí)的理論算法和硬件實(shí)現(xiàn)的知識滲透，使學(xué)生能夠快速輕松地選擇相應(yīng)的數(shù)字信號處理器件，實(shí)現(xiàn)其算法原理，從而達(dá)到理論和實(shí)踐的較好結(jié)合，使得學(xué)生在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，有了較深入和較高層次的認(rèn)識，達(dá)到學(xué)以致用。
5 結(jié)論
論文以一個實(shí)際的《數(shù)字信號處理》教學(xué)范例——IIR級聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原理，說明了教學(xué)的順序和層次，從理論知識的學(xué)習(xí)，到具體實(shí)現(xiàn)的滲透，使得學(xué)生在徹底掌握理論變換算法的基礎(chǔ)上，更深層次地與實(shí)際動手相結(jié)合，很好地對學(xué)生進(jìn)行知識的滲透與延伸，在后續(xù)的DSP原理與應(yīng)用，信號分析與處理中可以較為輕松深入地掌握，達(dá)到較好的教學(xué)效果。
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關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)
作者簡介：藍(lán)會立（1975-），男，壯族，廣西馬山人，廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系，講師；廖鳳依（1977-），女，廣西融水人，廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系，講師。（廣西 柳州 545006）
中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）01-0050-02
“數(shù)字信號處理”課程是電氣信息類專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它以信號與系統(tǒng)課程的理論為基礎(chǔ)，直接面向?qū)嶋H應(yīng)用，注重算法的研究，是繼續(xù)學(xué)習(xí)其它信號處理課程、通信與電子系統(tǒng)課程的必不可少的基礎(chǔ)。該課程的特點(diǎn)是使用數(shù)學(xué)語言對工程實(shí)踐中的數(shù)據(jù)采集、分析與處理問題進(jìn)行描述，內(nèi)容比較抽象，理論性強(qiáng)，包含大量公式的推導(dǎo)和證明，課程闡述的理論與現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展前沿和應(yīng)用密切相關(guān)。因此，有效提高該課程教學(xué)質(zhì)量，對提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和綜合分析解決問題的能力有著重要的意義。在廣西工學(xué)院（以下簡稱“我?！保?，“數(shù)字信號處理”作為電子信息、自動化和測控專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在初期教學(xué)采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，重視研究教師教法和理論教學(xué)，而忽視了實(shí)踐教學(xué)及對學(xué)生潛力的挖掘和應(yīng)用基本理論解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，教學(xué)效果不明顯。近幾年來，課程組對課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行重新定位，在積極探索課程課堂教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法和手段，完善課程考核方式等方面進(jìn)行了全面地改革和實(shí)踐，取得了較好的成果。
一、調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”構(gòu)成了我校電氣類學(xué)科的信號處理基礎(chǔ)理論平臺，課程內(nèi)容既具有明確的分工又緊密關(guān)聯(lián)?！靶盘柵c系統(tǒng)”涉及信號分析與系統(tǒng)分析，信號分析是基礎(chǔ)，突出信號與系統(tǒng)的時域分析和變換域分析的物理概念和工程概念，而三大變換只是實(shí)現(xiàn)時域分析到變換域分析的數(shù)學(xué)工具?！皵?shù)字信號處理”課程涉及數(shù)字信號分析和數(shù)字濾波器設(shè)計。離散傅里葉變換DFT是實(shí)現(xiàn)信號數(shù)字化分析的核心技術(shù)，F(xiàn)FT是提高DFT運(yùn)算效率的重要算法。信號分析是信號處理的基礎(chǔ)，而數(shù)字濾波器設(shè)計則是信號處理的具體實(shí)現(xiàn)。其中離散信號與系統(tǒng)分析是信號分析和系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，也是“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程承上啟下的內(nèi)容，在兩門課中都占有比較多的學(xué)時，造成教學(xué)重復(fù)和學(xué)生的厭學(xué)情緒，同時本門課程的重點(diǎn)內(nèi)容因?qū)W時少而縮減。傳統(tǒng)教學(xué)計劃都強(qiáng)調(diào)每門課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性，造成內(nèi)容多學(xué)時少的矛盾，單門課程的教學(xué)改革很難收到理想效果，如何優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，避免重復(fù)教學(xué)是“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)改革的一個核心。因此，建立了信號處理課程群，即將內(nèi)在聯(lián)系較為緊密的“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”等課程組合起來構(gòu)成一個課群，作為信號處理基礎(chǔ)系列課程，其課程體系和教學(xué)內(nèi)容被作為一個整體進(jìn)行優(yōu)化整合。課程群建設(shè)實(shí)行二級負(fù)責(zé)制，課程群組長負(fù)責(zé)各門課程之間的協(xié)調(diào)，課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)本課程內(nèi)部的調(diào)整，以便能適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)的改革與發(fā)展。根據(jù)“數(shù)字信號處理”課程在課程群中的任務(wù)和地位，以及學(xué)生就業(yè)應(yīng)具備的能力，重新規(guī)劃制定課程教學(xué)計劃，通過對課程內(nèi)容進(jìn)行分解、整合，編寫適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和教學(xué)的教學(xué)大綱，在強(qiáng)調(diào)基本概念和原理的基礎(chǔ)上，以突出應(yīng)用性、實(shí)踐性為原則，側(cè)重于學(xué)生綜合分析解決問題和動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，做好“數(shù)字信號處理”課程與其他課程部分重復(fù)內(nèi)容的銜接，避免造成課時浪費(fèi)，使學(xué)生掌握課程的精髓部分，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。
其次，針對課程理論教學(xué)大多只討論算法的理論及其推導(dǎo)，較少涉及實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)的軟硬件技術(shù)，我們對實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，開設(shè)了少學(xué)時的MATLAB信號處理課程和DSP硬件技術(shù)應(yīng)用課程。通過課堂演示、基于MATLAB的算法仿真實(shí)驗(yàn)及分析、基于DSP的硬件算法綜合實(shí)驗(yàn)等三個層次的實(shí)踐活動，強(qiáng)化工程素質(zhì)和實(shí)踐能力的綜合訓(xùn)練，幫助學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)會和深化課堂上學(xué)到的有關(guān)數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作及濾波器設(shè)計方法。使學(xué)生逐步克服了對DSP的陌生和恐懼心理，激發(fā)了同學(xué)們強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，分析解決問題的能力和創(chuàng)新精神。
二、教學(xué)方法改革
“數(shù)字信號處理”課程的特點(diǎn)是理論性、概念性比較強(qiáng)，涉及到大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo)，學(xué)生普遍感覺吃力，不易理解，缺乏興趣。要提高教學(xué)效果，必須改進(jìn)滿堂灌的傳統(tǒng)教學(xué)方法，采用多種教學(xué)方法相結(jié)合來豐富課程的教學(xué)過程。在教學(xué)過程中，結(jié)合學(xué)習(xí)的規(guī)律性，針對不同階段、不同知識點(diǎn)靈活運(yùn)用不同的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生參與教學(xué)的主動性。
在教學(xué)過程的初期主要采用引導(dǎo)式教學(xué)法，即通過形象化的成果引導(dǎo)學(xué)生去了解理論知識在實(shí)踐中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如，通過課堂講授與課外專題講座形式介紹學(xué)科發(fā)展前沿，開拓學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；或者在開始講授新的內(nèi)容體系之前，通過多媒體等形式有針對性地介紹相應(yīng)技術(shù)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用，以調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性和主動性，以致提高教學(xué)效果。
在教學(xué)的中間過程主要采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)方法。這是一種以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的課堂討論式教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生積極投入到課堂教學(xué)的過程中，由被動接受知識向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，改變單向灌輸?shù)慕虒W(xué)模式。在課堂上，重視討論和交流，教師根據(jù)授課內(nèi)容設(shè)計一些思考題，在課堂上以設(shè)問的方式，引導(dǎo)學(xué)生積極思考和討論，積極引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)過程中來，教師根據(jù)學(xué)生的分析思路和結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評、糾正和總結(jié)，積極鼓勵學(xué)生形成問題意識、進(jìn)行批判思維。這種方法可以活躍課堂氣氛，重點(diǎn)突出，學(xué)生比較容易把握教學(xué)重點(diǎn)。
在教學(xué)的后期主要采用研究式教學(xué)方法。研究式教學(xué)就是將科學(xué)領(lǐng)域的研究方法引入課堂，通過教師的激勵、引導(dǎo)和幫助使學(xué)生去主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，并在探究過程中獲取知識、訓(xùn)練技能、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在教學(xué)過程中，組織多名學(xué)生為一組，圍繞課程中一些主題，獨(dú)立搜集研究方向，在課外依循一定的步驟開展研究性學(xué)習(xí)，最終提供一份包含有課題題目、問題提出、程序、調(diào)試波形和結(jié)果說明的完整研究報告，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)字信號處理的知識分析、解決問題，注重學(xué)生思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在研究中加深對數(shù)字信號處理基礎(chǔ)知識的理解，提高利用理論知識解決實(shí)際問題的能力。
三、教學(xué)手段改革
本課程的特點(diǎn)是大量使用了數(shù)學(xué)的方法來表示物理的過程，公式較多，計算繁復(fù)，學(xué)生不容易掌握，因此采用單一的教學(xué)手段很難提高教學(xué)效果，必須針對授課內(nèi)容采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的授課方式。其一，采用多媒體課件教學(xué)手段，使教案多媒體化、教學(xué)過程互動化。多媒體教學(xué)信息量大，可以拓展學(xué)生的知識面，精簡課堂授課學(xué)時，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。例如，在對概念、公式和定理的物理含義闡述和定性分析中，利用聲音、圖像、視頻、動畫等多媒體教學(xué)手段，使抽象的內(nèi)容形象化和可視化，令學(xué)生理解其物理含義或包含的思想。但是多媒體教學(xué)存在不足是授課速度比較快，因此對于基本原理和基本方法的推導(dǎo)和證明，宜配合板書的授課方式，放慢講課速度，讓學(xué)生跟上教師的思路和有足夠時間領(lǐng)會。其二，通過建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，使教學(xué)資源共享化、教學(xué)方式多樣化和教師答疑實(shí)時化。針對課后的復(fù)習(xí)、相關(guān)背景知識的學(xué)習(xí)以及課堂內(nèi)容的擴(kuò)展部分，充分利用網(wǎng)絡(luò)，建立課程主頁，提供相關(guān)資源和討論空間，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)、網(wǎng)上課程研討、網(wǎng)上交付作業(yè)與實(shí)驗(yàn)報告和優(yōu)秀作業(yè)展示等。
四、完善課程考核方式
成績評定既是一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段，教學(xué)模式的改革要求課程考核方式應(yīng)靈活多樣，評價方法由“一考定全局”的傳統(tǒng)終結(jié)性評價轉(zhuǎn)向形成性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合、課內(nèi)教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的全程評價，從而體現(xiàn)教學(xué)評價的全面性、導(dǎo)向性、實(shí)效性、過程性和發(fā)展性特點(diǎn)。完善課程考核方式，對素質(zhì)教育的實(shí)施和學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常有利，使學(xué)生考試成績更加具有層次性，更加體現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)。教師要加強(qiáng)學(xué)生平時學(xué)習(xí)情況考查，采用筆試、口試和論文答辯等多樣化的考核方式，多方面地測量學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。課程綜合評定成績主要包括期末考試成績（50％）、課程論文（20％）、實(shí)驗(yàn)（15％）和平時成績（15％）。期末考試主要考查學(xué)生對基本概念的掌握和知識的靈活運(yùn)用能力，避免過多公式推導(dǎo)與演算。課程論文主要考查評估學(xué)生知識掌握程度、文獻(xiàn)查閱調(diào)研能力、動手實(shí)踐能力、論文撰寫和表達(dá)能力。實(shí)踐表明，這種多模式相結(jié)合的考試方式更能檢查學(xué)生的真實(shí)能力，避免了對學(xué)生的評價一刀切，有利于學(xué)生對考核的認(rèn)同和接受，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和自覺性，激發(fā)學(xué)生的潛能和個性的發(fā)展。
五、結(jié)束語
針對“數(shù)字信號處理”課程的特點(diǎn)，結(jié)合我校的人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的總體水平層次，對課程的教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法和手段、教學(xué)評價方式進(jìn)行了改革，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的潛能和個性發(fā)展，注重學(xué)生思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過學(xué)生的評教及后續(xù)課程的評價表明課程的教學(xué)改革取得了很好的教學(xué)效果，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，學(xué)生的實(shí)際動手能力和綜合素質(zhì)明顯提高。
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