发布时间：2023-04-14 16:56:08
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的数字信号论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
1．1图解法图解法主要是在坐标系上，严格按照计算（1）式的四个步骤：翻转、移位、相乘和求和，得到线性卷积结果。采用图解法比较直观讲解线性卷积的计算过程，在数字信号处理教材中常采用图解法为例讲解线性卷积的计算［1，2］。
1．2多项式法多项式法是根据序列x（n）和h（n）构造多项式，序列x（n）和h（n）的元素作为多项式的系数，例如：根据序列x（n）＝｛1，3，2｝构造多项式x2＋3x＋2，根据序列h（n）＝｛10，20｝构造多项式10x＋20，把两个多项式相乘（x2＋3x＋2）＊（10x＋20）＝10x3＋50x2＋80x＋40，相乘所得的多项式的系数构成的序列｛10，50，80，40｝即为线性卷积的结果。
1．3竖式法竖式法是把序列x（n）和h（n）按照最后一位对齐，进行竖式乘法运算［4］，但各个元素相乘后不进位，例如序列x（n）＝｛1，3，2｝和h（n）＝｛10，20｝按照竖式法计算线性卷积如图1所示，则线性卷积结果为｛10，50，80，40｝。
1．4FFT快速算法当循环卷积的长度L大于或等于线性卷积的长度N＋M－1时，循环卷积的结果和线性卷积的结果相等，所以只要FFT快速算法的计算点数大于线性卷积的长度，就可以采用FFT快速算法计算出线性卷积，在MATLAB软件中提供了FFT快速算法的函数，通过调用fft函数和ifft函数完成线性卷积计算［5］。上述计算线性卷积的方法中，图解法适于讲解线性卷积的运算规律，多项式法和竖式法适合于快速计算出线性卷积的结果，FFT快速算法适合采用MATLAB软件编程实现。
2循环卷积的计算方法
2．1图解法图解法主要是在坐标系上，严格按照计算（4）式的六个步骤：补零、周期延拓、翻转、移位、相乘和求和，得到循环卷积结果［6］，采用图解法比较直观理解循环卷积的计算过程。
2．2矩阵相乘法由于循环卷积在对序列x（m）经过补零、周期延拓、翻转得到的序列x［（（－m））L］＝x（L－m）为循环倒相序列，循环右移序列x［（（n－m））L］为对循环倒相序列进行循环右移n位后得到的循环移位序列，然后把得到的循环移位序列与h（m）相乘并求和得到yc（n），由于相乘求和运算可由矩阵相乘代替，即由循环移位序列构成L点循环卷积矩阵，与由h（m）构成的L维列向量相乘，得到yc（n）。采用矩阵相乘法计算循环卷积简单明了，在数字信号处理教材中大多采用此方法为例讲解循环卷积的计算［1］。
2．3线性卷积法由于循环卷积和线性卷积满足的关系如（5）式所示［1］。当循环卷积的长度L大于或等于线性卷积的长度N＋M－1时，线性卷积yl（n）做周期延拓无重叠，此时循环卷积和线性卷积相等，此时线性卷积的结果为循环卷积的前N＋M－1项，循环卷积的后L－N－M＋1项为零。当循环卷积的长度L小于线性卷积的长度N＋M－1时，线性卷积yl（n）做周期延拓有重叠，循环卷积的结果有两部分组成，一部分是线性卷积不重叠的部分，n的取值区间为N＋M－1－L≤n≤L－1，此时循环卷积和线性卷积相等；另一部分为重叠部分，n的取值区间为0≤n≤N＋M－L－2，重叠部分的循环卷积计算如（6）式所示。上述计算循环卷积的方法中，图形法适于讲解循环卷积的运算规律，矩阵相乘法和线性卷积法适合于快速计算出循环卷积的结果。
3结论
1．1误码监测当前误码监测主要通过以下两种途径:(1)固定图形测试法。将测试信号发生器TSG422产生的一个固定图形测试信号送给被测数字电视通道的输入端，将该通道输出的数字信号接入WFM601波形监视器，波形监视器将显示出每一场有效图像面积数字信号的CRC循环冗余码数据检验字，第一场的CRC数值F1和第二场的CRC数值F2可以在监视器屏幕上显示出来。对于某一固定测试信号，CRC检验字的数值是恒定不变的，如果CRC数值发生变化，就表明产生了误码。利用泰克公司生产的数字分量视频波形监视器WFM601或VM700T的SDI选件都可以方便地进行误码的测试，只要将数字视频信号馈入测试仪器，即可进行误码的自动检测。(2)在线EDH误码检测处理。首先在串行数字电视信号源中插入EDH信号，该信号主要是利用EDH附件将每一串行视频信号进行计算，然后通过数字电视通道传送至测试接收机，接收机的EDH附件对图像反复进行相同的计算，并把计算结果与传送信号中的EDH信息的数据进行比较，如果与传送的数值不符，即判定发生了误码，屏幕上显示出节目的总时间和误码的个数。EDH信息是插入在串行数字电视信号中，所以能在系统工作期间进行测试，既可以测量有效图像的数据误码也可以测量全场信号的数据误码。含有EDH信息的场图像的CRC数据以及其他辅助数据同时插入到下一场场消隐的开始端处。2MPEG协议分析和监测MPEG系统故障主要分为两大类:第一类，由于编码器和解码器本身的错误，导致由传输系统传来的正确信息变成错误的。第二类，编码器和解码器状态良好，但是传输层破坏了数据。
2、1.TS流分析
MPEG传输码流有着极其复杂的结构，但是MPEG协议分析工具可以用逻辑方式解析结构，从而可以对实况传输码流进行实时分析，观察任何结构上的细节。节目专用信息插入的频率分析:用不同的方式给出各个子表格如PAT、PMT、NIT、SDT、BAT、EIT等的发送频率，复用传输码流的码率为20Mb/s。第一项(P．inbytes)是以字节为单位表示的子表格在传输流中出现的最大平均周期;第二项(P．insex．)是以秒为单位表示的子表格在传输流中出现的最大平均周期;第三项(Tablelength)是用字节为单位表示的子表格平均长度;第四项(Rate)表示子表格发送的码率。通过分析PCR节目时钟参考和时间标记数据来检查定时是否正常。来自复用器输出的PCR数据可能是精确的，在数据复用之后，对PCR抖动进行检测显得很重要。2．2PES分析T－STD缓冲器占有量分析:在MPEG中，一个给定的基本码流必须满足解码器的缓冲能力，MPEG编码器不能超出T－STD的缓冲能力而使数据上溢或下溢。传输流中包含有VBV(视频缓冲校验)的系数，该系数规定了一个基本数据流需要的缓冲量。T－STD分析以图形方式显示缓冲占有量，可以观察到各个缓冲器的占有率和占用字节的多少，这样可以很方便地从曲线图中观察到数据的上溢和下溢。
3、数字电视信号质量的监督和测量
针对数字电视信号的特点，在ETR101290标准中，按照错误对信号影响的因素，以此为标准把错误划分为第一优先级、第二优先级和第三优先级3个优先等级。第一优先等级错误通常会造成解码器无法正常解码的现象，会出现节目关联表错误、同步字节错误以及传输流同步丢失。第一优先级参数直接影响节目图像和伴音的内容。出现第二优先级错误时会损伤已解码图像，或者引起断续解码，这一优先级参数包括传输错误、节目时钟基准错误等内容。第二优先级参数直接影响传输的可靠性。第三优先级错误指示编码器、复用器的问题但不影响可解码性，对图像质量影响较小，包括网络信息错误、服务信息重复周期错误、业务描述表错误等参数。第三优先级参数影响显示结果。目前服务器是数字电视信号监测系统进行监测工作的主要平台，数字电视信号监测系统硬件基础为数字电视信号采集卡。检测主机除包含服务器及数字电视信号采集卡外还有相关软件包，数字电视信号通过DVBPSI接口或DVBASI接口连接到监测主机。监测工作的首要步骤是基带数字电视信号通过信道调节器解出，然后监测主机通过ASI接口对基带数字电视信号的数据流进行监测分析，按照监测规定，对数据流的监测结果通过数据报表、参数显示或报警等显示。
4、数字电视射频信号监测
关键词 数字信号处理 DSP 课程体系 渗透
中图分类号：G424 文献标识码：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
在电子信息工程学科中，数字信号处理的实现和仿真课程已经很好地融合进来。很多高校的信息类专业相继开设了数字信号处理，DSP应用的相关理论课程，并开设了matlab信号分析与处理等课程设计和实验。如何在理论和实践课程教学中完成对数字信号处理知识的渗透于延伸，让学生更好的认识到数字信号处理技术的理论和实践和有机结合呢？
1 数字信号处理的作用
数字信号处理是研究把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理，提取有用信息便于应用的客观规律性。
在信号处理中，很多信号比如声音信号，在时域上看是杂乱无章的，没有任何规律的，当转化成频域信号后，很容易看出来信号的相关性质，对信号的处理也更为方便。模拟信号在远距离传输时信号衰减大，且抗干扰能力差；数字信号设备灵活、精确、抗干扰能力强、远距离传输速度快且不失真。
数字信号处理可以将有用信号从杂乱无章的干扰中提取出来，恢复原始信号并可以对其增强。它对声音，图像，其他现实中的物理量进行信号调理、信号传输、信号接收还原、信号滤波等作用，保证信号传输质量，在电信和其它学科中具有重要的意义。
数字信号处理算法是对其离散信号与系统的变换和滤波的理论基础，在此算法基础上，用硬件或软件的方法将其实现，这是整个数字信号处理的过程。下面我们来分析变换理论和具体实现之间的对应。
2 数字信号处理中数字滤波网络算法原理
在数字信号处理中，以IIR数字滤波网络为例。对于一个输入输出关系已经给定的系统，其系统函数或差分方程已知，可以用不同结构的数字网络来实现该系统。由Z变换的相关知识，我们可以知道对N阶差分方程进行Z变换，得到系统函数的一般表示式：
（1）
如果要设计IIR级联型数字滤波网络，就要根据级联型网络结构特点，将H（z）变换成级联型一阶节和二阶节的形式。
（2）
这样，就把系统函数分解成了N1个一阶节和N2个二阶节。有了这样的结构，就可以得到IIR级联型网络方框图，如图1。
图1 IIR级联型网络方框图
3 数字滤波网络二阶节的硬件实现
第二节中是数字滤波网络IIR级联型网络结构的算法原理和系统函数分解公式，那么这样的数字滤波网络结构怎样用硬件实现呢？
从图1看出，IIR级联型网络是由M个二阶节组成的，一阶节可以看做二阶节的特殊情况。在每一个二阶节中，有四个加法环节（如图1中的圆圈标示），有两个延时单元，有四个标量乘法环节。其中的加法环节和标量乘法器可以有专用数字信号处理芯片中的加法器和乘法器实现，延时单元可以由触发器实现，比如D触发器。
现在以一个二阶节为例，根据方框原理图（图2）说明其硬件构成。
（3）
（4）
所以从到有两个延时电路——延时一个周期和两个周期，即为，；两个乘法电路，；两个加法电路。用硬件实现如图3所示。同样地，从到的电路结构与前面类似，延时电路可以与前面公用。
图2 IIR级联型网络二阶节方框图
图3 IIR级联型网络二阶节的硬件实现
4 数字信号处理课程理论与实践教学的知识渗透与延伸
学生在数字信号处理的理论课程中了解了相关的算法原理后，并和实际的硬件电路实现对应了解，就掌握了从理论到实践的转换过程。
所以在讲授数字信号处理的每一个知识点时，都应该按照这样的思想去引导学生：（1）清晰透彻的讲授每一章节的离散信号与系统的算法原理，从时域分析到频域分析，到时频变换，快速算法，到数字滤波结构及实现。在每一个知识点上，都把相应的数学原理和对应的硬件结构对应起来，使学生了解知识的实际用途。（2）在学生掌握算法原理的基础上，引导其在相应的仿真工具上进行算法的仿真，得到相应的系数和性能，分析算法的优缺点，并对算法进行改进。（3）根据前面学习的理论算法和硬件实现的知识渗透，使学生能够快速轻松地选择相应的数字信号处理器件，实现其算法原理，从而达到理论和实践的较好结合，使得学生在数字信号处理领域，有了较深入和较高层次的认识，达到学以致用。
5 结论
论文以一个实际的《数字信号处理》教学范例——IIR级联型网络结构的原理，说明了教学的顺序和层次，从理论知识的学习，到具体实现的渗透，使得学生在彻底掌握理论变换算法的基础上，更深层次地与实际动手相结合，很好地对学生进行知识的渗透与延伸，在后续的DSP原理与应用，信号分析与处理中可以较为轻松深入地掌握，达到较好的教学效果。
参考文献
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[2] 吴镇扬.数字信号处理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
[3] 程佩青.数字信号处理教程（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2013.2.
【关键词】测控技术与仪器；数字信号处理；教学内容与方法
【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
数字化和信息化的迅速发展，使得数字信号处理技术与应用在日常生活中的地位越来越突出，新的算法（或改进算法）层出不穷，新的器件频繁更替。对于仪器科学与技术学科下的测控技术与仪器专业，“数字信号处理”是一门重要的专业基础课程，该课程不仅理论性强，工程应用背景也十分明确。作为一门涉及面广的学科专业基础课程，如何与学科的应用需求接轨、与学生的知识体系融合，改革教学内容与授课方法，全面提高教学质量与效果，与时俱进、科学发展，创建有专业特色的示范性课程是课程组面临的问题。
论文以学校课程体系建设的目标与要求为出发点，结合国防科学技术大学测控技术与仪器本科专业的特点和建设需求，在“数字信号处理”课程教学内容的完善、教学方法的革新等方面进行了探讨，提出了一些观点和看法。
1 学科与专业对数字信号处理的专门需求
仪器是信息获取、处理与应用的工具，而仪器学科与技术则是研究以获取信息为目的的信息转换、处理、传输、存贮、显示与应用等技术与装置的应用科学，其核心内容可以用四个关键词概括，即：计量、测量、仪器和传感器[1]。没有测量就没有科学，仪器科学与技术的领先程度决定了科研和生产的先进程度和竞争能力[2]。从这个角度来看，测控技术与仪器专业更加强调数字信号处理的物理意义，也就是信号对象的物理属性，包括：时间属性、频率熟悉、误差范围、测量精度等。
目前该校仪器科学与技术学科逐渐形成了以现代传感技术及系统、空间仪器工程、无线电测量理论及应用为主要方向，以信息获取与处理为主要内涵的省重点特色学科，本科专业为测控技术与仪器，要求学生掌握信号采集、分析与处理等方面的基础理论与技术，在测控、测量及测试等方面具有良好的理论素养和技术基础。开设了“电工与电路基础”、“信号系统与控制”、“数字信号处理”、“现代测试系统”等一系列专业课程。主要课程见表1。
表1：测控技术与仪器主要专业课程情况
从表中可见“数字信号处理”首当其冲成为一门重要的专业基础课，并且为测控技术与仪器专业服务，有着明显的信号采集、测量、微弱信号检测、仪器系统设计等方面的应用需求。在本专业知识体系中，“数字信号处理”紧密连接传感器的信号调理，与信息转换、处理甚至是传输和存储等有密切的关系，其内涵更加偏向于真实信号物理量的采样与处理，目标更加注重于数字信号的物理意义和应用方向。课程内容包括：采样过程及误差分析、离散时间信号与系统、离散变换及其快速算法、数字滤波器设计、数字信号处理系统的实现、多采样率信号处理等。课程将通过讲授、练习、实验使学生掌握数字信号处理的基本理论和方法，并能使用软硬件工具进行相应的数字信号处理工作。
2 依据学科专业特点改革教学内容与方法
根据课程体系建设的需求，在教学内容与方法方面尝试提出了如下建设目标：
2.1 结合学科专业特点，吸收国外先进教学理念，与国际著名院校课程内容设置充分融合，以经典“数字信号处理”课程体系为基础，以现代测量系统中备受关注的信号处理方法和技术为导向，紧扣真实信号物理量采样与处理的学科背景，结合国外相关专业知名教材，在专业课程体系内将教学的内容、课程间的关系与教学实践紧密配合一起，积极梳理课程体系之间的关联，根据学科和理论技术的发展，科学地完善教学内容。
2.2 开拓国际化视野，充分采用启发式、交互式、研讨式的教学方法和课堂、网络和实践相结合的教学手段；尝试通过引进国外教学名师开展课外专题讲座，提高学生的兴趣、拓展学生的专业思路，提升授课效果；用仪器科学与技术大专业的通识教育理念，建立典型案例素材库，完善学生的专业知识体系及应用能力；结合科研条件，采用软件仿真和硬件验证相结合实践教学系统，实践环节的比重达到30%以上；网络教学突出互动性，答疑和研讨环节能够通过网络教学平成。
3 开拓思路积极探索改革举措
测控技术与仪器专业学生有着明显的工程技术培养需求，“数字信号处理”课程是专业理论和实践相结合的桥梁，必须结合学科特点，与国际化教学内容融合，与电工技术、信号系统与控制等课程密切配合、融合[3，4]，充分体现测控技术、仪器、传感器对信号处理的更高要求和需求、拓展数字信号处理的广度和深度，在无线电测量、精密仪器信号处理和微弱信号处理等方面突出授课重点，为学科专业打下坚实基础。举措如下：
3.1 结合学科专业特点，与国际著名院校类似专业课程内容设置充分融合，将教学的内容、课程间的关系与教学实践紧密配合一起，充分提升授课效果，结合学科需求，将“数字信号处理”教学内容与国际接轨，并能根据学科和理论技术的发展而动态适应。
优秀教材与普通教材的区别，并不在于内容及其先进性，也不仅仅在于语言，主要在于教学的理念和方法[5]，对于本专业的“数字信号处理”课程更是如此。因此必须融合国外教材和国内教材的特点，合理安排教学内容的讲授方式、时机与深度，引入概念方法时，注重启发性、直观性，可使学生先知其然，而后再知其所以然。在叙述方式上，同一内容由浅入深，在不同章节，从不同层次加以阐述，力图体现各部分间有机联系；同时注意结合自上而下和自下而上的方式，注重启发、实用的同时，多帮助同学拎出主线和脉络[6]，如表2所示。必要时做一些知识补充，以使学生不仅掌握一些具体的原理、实用的方法，还建立起比较系统的认识，以供进一步深造之需。
表2：数字信号处理课程内容分类
3.2 结合“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”课程内容，与之优化整合，使“数字信号处理”课程内容与专业课程体系融会贯通。用仪器科学的通识教育理念，优化“数字信号处理”课程的授课内容、提升授课效果，完善学生的专业知识体系及应用能力。
“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”和“数字信号处理”三门课程构成了专业体系中重要的“电路、系统、信号分析与处理”基础课程体系。“电工与电路技术基础”课程主要学习电路基本理论与分析方法相关的经典理论；“信号系统与控制”课程主要学习确定性信号的时频域分析方法，线性时不变系统的描述方法与特性，以及线性时不变系统的变换域分析方法；“电工与电路技术基础”和“信号系统与控制”是“数字信号处理”的理论基础，“数字信号处理”是“电工与电路技术基础”和“信号系统与控制”在离散域中的深入扩展与应用。
然而，传统情况下“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”和“数字信号处理”课程各自施教，在一定程度上存在授课内容重复、衔接不合理、综合不够等诸多问题，这些问题随着教学计划的修改和课时的减少显得更加突出。如，在 “电工与电路技术基础”课程中，已涵盖了许多“信号与系统”课程中连续信号与系统分析的相关内容，而“数字信号处理”课程中也存在“信号与系统”课程中大量离散信号与系统分析内容的重复[3]。各门课程自身内容体系的最优不一定是整个教学计划的最优，因此，有必要结合“电工与电路技术基础”、“信号系统与控制”课程内容，与之优化整合，使“数字信号处理”课程内容与专业课程体系融会贯通，如此才能更好地完善学生的专业知识体系及应用能力。
3.3 仪器科学与技术是一个应用性较强的学科，“数字信号处理”是应用性很强的课程，因此该课程的教学应该是理论、实践和科学研究的三元一体。
理论教学主要是通过课堂教学环节完成的。在教学过程中，应强调基本概念的建立和基本内容的深刻理解，淡化公式的推导和解题技巧，强化所学知识的综合应用能力与创新能力的培养。加大教学内容和课程体系改革，建设形式上理论教学与实践教学独立设课，内容上互相交叉和融合，分层次按需设置的完整的理论和实践教学体系[7]，通过实践教学和简单的科学研究思路，增强学生对基础理论的认识，强化学生理解能力，深刻了解“数字信号处理”与专业相关课程的联系。
配合课程教学预先安排了4 个教学实验，要求学生用Matlab进行原理仿真，通过之后并在采样信号处理综合实验系统上进行调试和运行，从而锻炼学生对理论知识的掌握与应用能力，以及简单的科研能力。如表3所示。
表3：数字信号处理课程的教学实验内容
3.4 将授课效果作为第一评判标准，采用启发式、交互式教学方法、通过多媒体、网络、专题讨论课等方法，提高学生对课程的掌握程度；在支撑学科发展的大视野下，根据课程在学科课程体系中的地位和作用，改革传统教学手段，理论联系实际，培养学生的创新思维和创新能力，加强梳理与其他课程或竞赛之间的相互关联，全面提高学生专业应用素质。
下面以文献[6]中的实例为例，说明教学方法和教学手段的效果。在讲授序列的傅里叶变换（DTFT）和离散傅里叶变换（DFT）时，学生很难理解这两种形式傅里叶变换的区别。实际上，DTFT和DFT都是从频谱分析的角度来分析一个序列。对于DTFT，只要该序列满足绝对可和的条件，则它的傅里叶变换一定存在且连续，由于其一个域是连续的，因而不适合在计算机上运算。而DFT是专门针对序列“有限长”的特点而提出的，其频谱也是离散的，因而适于在计算机上运算，同时也可以通过快速傅里叶变换（FFT）实现。为了让学生不产生混淆，在教学过程中，可以利用MATLAB进行现场仿真，让学生通过仿真结果直观掌握二者的关系和区别。实验中，采用矩形序列x（n）=R5（n），N=32。其中图a是序列的波形图及其DTFT变换的连续谱，周期为2π，图中显示的为主值区间（[0，2π]）频谱。图b是通过16点和32点FFT来实现的序列DFT变换，其中图线的包络即为信号的DTFT连续谱，从中明显可以看出，DFT实际上是对主值区间上的DTFT连续谱在频域进行抽样，抽样点数即变换的点数。通过这样的现场仿真分析，学生很容易掌握和理解DTFT和DFT的关系和区别。
图1：一种启发式多媒体教学手段实例[6]
3.5 教师回归“师者”的本位——传道、授业、解惑，加强疏导，发挥学生主动性。所谓传道就是传授其中的基本规律和变化趋势，引领学生入门；授业是传授解决问题的方法和技能，发挥学生主动性；解惑就是答疑，持续发现并消除学生心中的疑惑。通过深入浅出、抓重点、理脉络的方式解答学生在课程学习过程中的疑惑，提高其提出问题、分析问题、解决问题的能力。“授人以鱼，不如授人以渔”。
4 结束语
“数字信号处理”是一个理论实践性都很强的课程，每个学科对其应用和理解都可能会有所偏重，因此在教学内容与方法探索上应该认真分析本专业课程建设需求与现状，不断研究解决教学内容与方法建设中存在的问题，全面归纳、总结经验，在充分研讨的基础上对教学内容与方法进行详细地规划，才持续地推进“数字信号处理”课程建设水平和授课效果，优化学生知识体系结构，满足学科专业对本课程的需求。参考文献
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[5] 王国富，尚小梅，数字信号处理课程建设与实践[J]，桂林航天工业高等专科学校学报，2008，13（3）：84～85
【关键词】数字信号处理基础 实践环节 考核方式 网络建设
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2011）05－0016－02
【Abstract】According to the characteristic of the course of digital signal processing, the innovation of the teaching, such as the contents, the methods, and the exam of teaching, network construction and improvement are presented in this paper. Facts have shown that this method has achieved a better teaching effect, it not only stimulate students to explore, but also and enhance the enthusiasm of the students’ comprehensive quality and designed.
【Key words】Digital signal processing Practice The exam of teaching Network construction
一、引 言
随着计算机和信息学科的飞速发展，“数字信号处理”已成为一门重要的高新技术学科，是理论与实践、原理与应用紧密结合的课程。目前数字信号处理课程已成为大多数电子、计算机、通信等相关专业的主干课程。但是该课程内容多、学时少，偏重理论与公式的推导，缺乏可视化的直观表现，学生从纯数学的角度学习，理解抽象，普遍反映课程难学、内容枯燥、不会应用。如何在有限的时间内提高教学质量，使实践和理论两个方面的教学和谐统一，是值得探索的。因此，为了提高教学质量，我们注重对其物理意义和实际应用的讲解，并适当使用多媒体与具有计算功能和绘图功能的Matlab相结合的教学方式，将抽象的数学以可视化的形式展示给学生，让学生更易理解抽象的概念。
二、教学方法与实践改革的探讨
针对数字信号处理的学科特点和教学现状，在现有教学工作的基础上，提出以下教学方案：
1．合理选择教材，尝试双语教学。
选择一本内容和形式都好的教材是进行课程改革的基础和关键。我们采用清华大学程佩青编著的《数字信号处理教程》。在教授过程中，尝试采用双语教学模式，以帮助学生更多的了解英语专业词汇，为阅读英文资料奠定基础。
2．合理安排教学内容
该课程经过多次修订教学大纲，逐步完善教学内容体系，加强基础能力和实践动手能力的培养，把与该课程相关的新技术及热点研究课程及时充实到教学中，同时加强教学内容与工程实际的联系，使学生更好地掌握技术原理，提高自主学习的热情。
深入研究符合现代教育理念的教学方法，采用多元化的教学手段，丰富教学过程。注重以学生为主体的参与式教学，结合多媒体教学图像对感官的刺激，运动互动式、讨论式等多种教学方式，充分调动学生参与课堂教学活动的热情。引导学生进行研究式学习，培养创新意识和能力。利用网络电子资源、网上答疑等信息化教学手段，提高学习效率。
3．实践环节改革
数字信号处理课程与实践密切相关，只通过理论教学难以使学生理解数字信号处理的原理。实践教学环节可以弥补学生对理论知识的感性认识不足的缺陷，建立理论联系实际的概念，是培养学生分析解决问题能力、创新意识、实践技能和提高综合素质最有效的途径。通过实践教学，可以锻炼学生的动手能力，培养学生的研究方法和钻研精神。
Matlab是美国Math Works公司开发的用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境。特别是它具有数字信号处理软件包，可很方便地进行数字信号处理方面的有关运算和系统设计、仿真，极大地提高了设计的效率。将其用于数字信号处理课程当中，通过加入一些综合性、设计性实验，不仅把理论知识与实际应用联系起来，更有利于培养独立思考、综合运用知识的能力，还可以锻炼协作意识。
在实验教学任务的制定和实施上，在加强基础实验的同时，增设综合性、设计性实验项目或课程设计，用以训练学生综合分析问题和解决问题的能力。以信号频谱分析及IIR数字滤波器的设计这一综合实验为例，实验指导书给出基本步骤：首先采集语音信号，对采集的语音信号进行采样并混进加性噪声，然后用FFT进行频谱分析，根据含噪信号的频谱，用双线性变换法设计相应的IIR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。具体实施和调试由学生借助Matlab实现。
另外，在设置设计内容时，鼓励学生自拟设计题目。如将数字信号处理课程中的FIR滤波器设计、音频信号处理课程中的音频信号采集与回收通过DSP硬件平台实现，对软件实验利用Matlab语言和DSP汇编语言实现算法仿真或设计，硬件实验通过实验平成。这些课程设计培养了学生的工程实践能力。总之，在教学过程强调理论与实践并重，促进理论与实践紧密结合。
4．创新作业形式、考核方法和手段
目前的考核方式只是对课堂教学的“检查”，缺乏实践和创造性的内容，不能适应素质教育的要求。我们将卷面考试与实验情况以及撰写有关课程内容的小论文相结合，将传统的单一考试方式改为多种模式相结合的形式。考核内容除保留原来基本概念和知识点的问答计算外，增加一些对实践问题的分析、判断及解决方法，加强对实验结果分析的考察，促使学生深入思考和分析问题。这样既可以更好的检验学生的综合能力和创新能力，又能将学生的学习重点从应试转移到应用上。
5．建立和完善教学网站
学校在网络建设上的投入使得数字信号处理基础课程的网络资源建设取得了跨越式的发展。在学校的网页上，提供了本门课程的所有教学资源，包括教学大纲、教学日历、教案、课件、学习指导与习题解答、实验内容等，供学生自主学习参考。此外，还设置网上测试、在线答疑和在线交流等，利于与学生的互动和沟通。
三、评价与思考
经过近两年的教改探索，基本已形成理论与实践并重的教学新体系，在提升实践教学地位的同时，激发了学生探索的积极性，学生的综合素质和专业应用能力得到较大提升。
但是由于受到课时数的限制，一些较多的、较大的实践教学内容无法实施，学生的应用能力培养受到一定影响。因此，应根据具体需要，适当的增加课时数，以便能更好的达到预期目标。
四、结束语
本文结合我校应用型人才培养的教学目标，依托河南工业大学《测控技术与仪器专业信号类课程的多元化实践教学改革》项目，针对信号类课程教学面临的共性问题，从理论、实践与考核方式等方面探讨了教学方法的改革。经过几年的探索，这种教学模式取得了较好的教学效果，提升了学生综合应用素质和核心竞争力。
参考文献
1 金海红等.“数字信号处理课程”的改革探索与实践［J］.科技资讯，2010（33）
2 李灯熬、张海燕、王华奎.“数字信号处理”课程教学改革与实践［J］.研究与探讨，2010（8）
3 张利红、周子昂.高校信号与系统教学改革探讨［J］.周口师范学院学报，2010（5）
16位单片机／DSC成创意之源
纵观此次竞赛，主要有以下两个特点：
首先，充分体现了竞赛的主题：创意，从“芯”开始。
很多作品具有新意，既有传统项目的创新，例如无线火车临近报警及铁轨监控系统，汽车的组合仪表、‘发动机控制等；更有涉及当今前沿领域的热门话题，诸如医疗电子、汽车组合仪表、电动汽车(第一名)、生物电子(第三名)、LED和太阳能照明(专项奖)、空气污染监测、锂电池管理等。
整个竞赛的项目五花八门，涉及了16位单片机可覆盖的三大主流应用：工业控制领域、汽车电子和消费电子。项目中有国家863课题，更有丰富的仪器仪表、安防、便携式产品、鼠标应用等。
参赛项目有的实用性强，有的理论性强，各有千秋。论文的内容也很有创意，获奖论文的电路和所附程序清楚、有特色，不是一般从网站上可下载到的。
其次，电机控制类应用非常多，仅获奖作品中此类就占半壁江山。这是由于Microchipl6位单片机／DSC(数字信号控制器)比较适合电机控制，它们的数据总线扩展为16位，MCU加入了RTC、DMA、CRC等强大外设；DSC还加入了DSP(数字信号处理)功能，因此在控制算法和数字信号处理方面具有优势。
例如，第一名作品涉及到前沿的电动汽车的电机控制，以dsPIC30F4011(属于DSC)为主控芯片，设计出一套性能可靠、成本较低的无刷直流电机驱动系统。DSC与MOSFET元件构成低压大功率无刷直流电机的驱动系统是一个较为经济的方案。该项目在国内属于领先技术，因为进口的电机及控制器功率可以做到5KW左右，而此项目的功率为15KW，实现难度比较大。
跳出8、1 6、32位的界定
16位单片机／DSC有时被认为笼罩在8位和32位MCU的阴影下，业界重视不够。但是作为商业公司，一定要选择满足性能要求的最低价格的芯片。因此工程师在芯片选型时，要跳出8、16、32位的框子，根据需要选芯片，无论是8、16还是32位，只要满足需要即可。为此，Microchip等公司填平了8、16、32位之间的鸿沟，实现了无缝兼容。
一、引言
数字信号处理是一门面向各大专院校电子信息学科的专业基础课，它的基本概念、基本分析方法已经渗透到了信息与通信工程，生物医学工程，导航、制导与控制，动力工程，航空工程等领域。学生应采取主动的方式获取本课程所讲述的基本概念和基本分析方法，并可利用其分析、解释和计算信号、系统及其相互之间约束关系的问题。但多年来，我们的课程教学中仍然普遍采用教师主动、学生被动的满堂灌输的教学理念和方法，看似传递给学生的信息容量大，实质上学生接受质量和效率并不高。鉴于此，本课题组从理论教学和实践教学环节入手[1]，经过多年的研究、实践和探索，对该课程的教学进行了改革，并取得了较好的成效。
二、课程现状分析
当前的课堂教学存在着以下弊端。
1.学生缺乏对本学科整个课程体系的全貌了解，各门专业课程之间缺乏整体联系。这使得学生对该课程的前续知识准备不够，对后续知识认识不足。
2.数字信号处理课程理论性强，内容抽象，涉及的数学知识较多，学习难度较大。传统的教学模式下，学生会感到内容枯燥难懂，学习兴趣不足，学习的积极性、主动性不高。
3.实验内容中设计性实验偏少，验证性内容偏多，缺乏综合性课程设计内容。致使很多学生没有兴趣在课前搜集整理相关资料，了解相关内容，还是依赖教师课堂讲授，被动等待教师解惑。
4.随着高校不断扩招，学生人数不断增加，导致学生整体平均水平相对下降，大班授课教学效果不佳。
三、课程改革思路
课程改革是指教师教学方式及学生学习方式的改变，是教师和学生双向的改变，是教与学的相互沟通[2]。对于教师来说，要与时俱进，不断更新教学观念、教学思想、教学模式，变灌输式、单向式为启发式、讨论式、研究式教学；对于学生来说，要形成积极主动的学习态度，使获得知识与技能的过程成为学会学习和形成正确价值观的过程，由传统学习方式的被动性、依赖性、统一性、虚拟性、认同性转变为现代学习方式的主动性、独立性、独特性、体验性与问题性。针对当前国内高等教育中教师过分主动、学生过分被动，理论学习相对过多、实践动手机会相对太少的特点，应该想办法调动学生学习主动性、积极性，鼓励学生充分发挥自己的个性和特长，不断自主学习、独立思考、自由创新，努力增加学生动手实践机会，提高他们的综合素质和解决实际问题的能力。针对课程现状，提出以下具体改革措施。
1.针对课程内容之间的联系问题，学院即将在各专业新生中课程中开设专业导论课程。在这门课中，会粗略讲解本专业各课程内容之间的联系。要想透彻理解数字信号处理课程内容，尤其要先深入理解前续课程信号与系统的精髓内容，即信号的三大变换以及线性时不变系统常用的各种表征方式之间相互联系。由于信号与系统的内容较之数字信号处理更加抽象难懂，数学公式较多，使很多同学产生畏难情绪，学得一知半解，囫囵吞枣。这导致了相对容易的数字信号处理学起来也有些晦涩难懂了。因此在讲述信号与系统课程时就要告知学生课程的重要性及与数字信号处理课程之间的联系，而在讲解数字信号处理课程时则要讲述清楚和后续课程之间的联系及对后续课程学习的影响。
2.针对数字信号处理课程理论性强、内容较为抽象的问题，教师应注重基本概念及其物理意义的讲解，加强课程内容与学生生活及现代社会科技发展的联系，教师应时刻关注本学科前沿动态，提升自身理论水平，将和本门课程有关的先进技术知识引入课堂，将学生感兴趣的内容引入课堂，比如数字信号处理在短波通信、数字图像处理、仪器仪表、汽车系统等领域的最新应用介绍给学生，可大大激发学生的学习兴趣，也可让学生初步了解自己毕业以后可能的就业方向。另外，教师应精选终身学习必备的基础知识和技能，重点让学生掌握核心理论、初步信号仿真能力及工程应用，适当减少复杂公式的计算和推导，避免学生陷入到复杂的计算中去。
针对学生学习主动性、积极性不强的问题，教师应改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，积极引导学生，善于提问学生，善于培养学生提问，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、交流与合作的能力。采取翻转课堂的形式，让学生到讲台上讲解，还可适当给予学分奖励，这样既提高了学生学习积极性，又锻炼了学生的思考及演讲能力。本人在课程教学中采用课堂互动、讨论、学生讲授、分组论文写作等新的教学方法和教学手段，取得了比较满意的教学效果。
3.针对缺乏设计性及综合设计性实验的问题，由于课时较少，本课程只有4次8个小时的实验，这种现状下，课内设置50%的设计性实验，一些综合性的设计实验只能作为学生的课后大作业来完成。将学生分为3―5人一组，每组选一个课题完成，课题内容尽可能接近实际项目。每个小组成员根据自身特点领取相应任务和资源，这样既可锻炼自身能力，又可培养团队意识。在课题实施过程中，教师起引导作用，可以帮助学生分析所遇到的问题，鼓励学生自己探索、思考解决问题的方法，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
4.针对班型较大问题，在师资力量允许的情况下尽量小班授课，以保证授课质量。若师资力量薄弱，则采取理论课大班授课，而实验课小班教学的方式，便于教师及时发现问题，学生能及时得到指?А2捎?MOOC教学也是不错的解决办法，MOOC教学突破了传统课程时间、空间的限制，突破了传统课程人数限制，便于学生学习，也便于和学生互动。我们已经着手录制教学视频，放到网络平台，作为课堂教学的有力补充，进一步提升学生的学习质量和学习效率。
四、?n程考核
课程的教学效果主要依靠课程考核来进行。课程的考核贯穿整个教学环节，包括课堂回答问题情况、出勤、作业、实验完成质量等环节，对学生进行全方位考核。这种考核形式能更加全面地考核学生日常学习情况，激励学生，激发学生学习主动性。
【关键字】 数字信号 DSP FPGA 实时处理
一、前言
早期的信号处理主要采用模拟的处理方法，包括运算放大电路、声表面波（SAW）器件以及电荷耦合器件（CCD）。运算放大电路通过不同的电阻组配可以实现算数运算，通过电阻、电容的组配可以实现滤波处理等等。模拟处理最大的问题是不灵活、不稳定。解决以上问题的最好办法就是采用数字信号处理技术。数字信号处理主要通过软件实现，可以很方便的修改参数，具有很大灵活性。并且数字电路采用逻辑值进行处理，也相当可靠。当今数字信号处理的理论和方法已经得到长足的发展，成为数字化时代的重要支撑，已经渗透到我们生活和工作的各个方面。[1]高速实时信号处理是信号处理中的一个特殊分支。它的主要特点是高速处理和实时处理，被广泛应用在工业和军事的关键领域，如对雷达信号的处理、对通信基站信号的处理等。高速实时信号处理技术除了核心的高速DSP技术外，还包括很多技术，如ADC、DAC等器件技术、系统总线技术等。
二、高速数字信号处理硬件体系设计
DSP（数字信号处理器）是专门为了数字信号处理应用而设计的高速芯片，由用户通过编程实现处理算法，其编程语言多为C语言。DSP具有开发周期短、处理速度快、实时处理能力强的特点，目前，已经成为了数字信号处理系统中最为重要的处理器件之一。 FPGA（现场可编程门阵列）近年来发展迅速，因为它的灵活性、可重构性、广泛的适应性，在一些信息量较大的场合，如雷达信号处理、海洋气候数据、农业生产信息处理等应用领域，现场可编程门阵列（FPGA）可以跟DSP等芯片配合使用，增加系统的可用性和效率，是嵌入式系统中不可或缺的芯片[2]。本文设计的数字信号处理系统主要以DSP为核心，FPGA为协处理器，再搭配ADC和DAC及接口电路，为可重构电路，是目前比较常用的并行处理系统解决方案，主要完成数字信号的检测、处理和传输。该系统最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率，同时其开发周期短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。[3]
2.1 DSP和FPGA器件的选型
DSP芯片选择了TI公司的TMS320C6416，其最高工作频率可以达到1GHz，器件本身拥有1MB的内部存储空间，1280MB的外部存储空间，可以通过HPI、PCI、EMIF等接口与其它器件连接，能够胜任数据的高速处理要求。[4]
FPGA芯片选择了Xilinx公司的XC5VSX95T，其拥有14720个Slices、1520KbRAM、640个DSP48E Slices和640个User I/O。可以依靠片内的大量RAM资源和乘法器完成各种逻辑运算和处理算法。
2.2系统功能与总体结构设计
本系统对前端输出的模拟信号进行ADC采样，然后经过滤波、变频、抽取和处理，得到处理数据，再通过接口送往显控设备显示，同时，可以通过DAC输出基带信号，系统的总体设计结构如图1所示。
其中，FPGA主要实现ADC和DAC控制，ADC采样信号的滤波、变频、解调等预处理，系统接口电路的逻辑控制，离散的信号控制和状态监测，以及和DSP的接口逻辑等；DSP属于信号处理硬件的核心部分，实现数据处理的核心算法等功能，处理得到的数据通过UART口送往显控设备；FPGA和DSP之间通过EMIF口连接，并使用DSP的外部中断作为读取数据的触发；具体的电路结构如图2所示。
三、系统性能优化
3.1 FPGA与DSP的接口优化
本信号处理硬件中FPGA作为数据输入/输出的控制及预处理芯片，必须要与核心处理器DSP交换数据，因此，FPGA和DSP之间需要建立高速数据接口。
FPGA作为一个外设，挂在DSP的EMIFA口，因为EMIF口工作时钟可能和FPGA内部工作时钟不一致，为了控制FPGA内部电路的时序，在FPGA内部，设计了两个FIFO，来实现EMIF口对FPGA的数据访问。当DSP响应其外部中断信号时，从FIFO_R中读取FPGA预处理的数据，当要给FPGA下发工作参数时，将数据写入FIFO_W。
3.2接口驱动优化
为了实现信号的高质量传输，需要在DSP的EMIF口和外部存储器之间增加双电源三态缓冲器，这里选择的是性能稳定的SN74LVC16T245。本设计中，在FPGA与DSP的EMIF之间使用该芯片构成数据缓冲。
3.3 软件优化
随着电子技术和大数据时代的激发，多个领域对更大的数字信号数据量的存储和处理需求提出了更高的诉求。特别是雷达、高清视频实时转播等系统采用的高采样率设备，数据率可以达到Gbps，这就需要除了对硬件采集信号的质量加以控制之外，还要对软件算法不断加以优化[5]。尤其是在FPGA程序设计中，需要特别注意信号采集和发送的时序，不仅要在原理图设计初期根据厂家的芯片Datasheet进行合理的配置，也要在编写程序时合理处理多时钟域问题。在一个设计中，一般应该只有一个全局时钟网络可以驱动全部触发器，这样可以极大的简化时序分析，去除掉大量与多时钟域相关的问题，但是在实际的设计时，由于FPGA对外接口较多，每个接口的约束条件都不同，只利用一个时钟是不可能的，这时候就要处理多个时钟问题。可以通过以下几个技巧进行处理。
1）使用全局时钟buffer。对于全局时钟信号，尽量使用全局时钟buffer（BUFGP）驱动，FPGA内部需要低时钟偏差的信号，也尽量使用二级全局buffer（BUFGS）驱动。
2）分频信号的处理。对于设计中需要采用“分频信号”作为时钟的电路，在不要求占空比时，可以将分频信号设计成和主时钟一样宽度的信号，然后在实际处理中，仍然以主时钟为触发条件，把分频信号作为控制信号处理。如图3所示，假设主时钟为100MHz，产生一个10MHz的分频信号。
3）合理选择语法。在VHDL中，if语句指定了一个具有优先级的编码逻辑，而case语句则是并行逻辑，不具有优先级。通常，if-else结构速度较慢，但需要的电路面积较少；case结构执行速度较快，但占用电路面积较大。在具体编程时，要综合考虑速度和面积的关系，如果对速度有特殊要求，而对资源没有较高要求，则应使用case结构。在必须使用if-else结构时，不正确的嵌套使用if语句会增加延时，因此，对于延时要求苛刻的路径，应该放在较高的优先级。[6]
四、结术语
本文主要研究了高速数字信号处理中使用FPGA+DSP的方案结构，分析了其中重要的接口设计和软件优化，基本解决了通用高速数字信号的采集和处理问题。但是目前看来，提出的基于FPGA+DSP的数据采集和处理的硬件实现，对多路信号的并行计算速度还不够。下一步的目标将是，通过对FPGA中的算法模块和控制逻辑模块、接口协议的调整优化以满足更高的要求。[7]
参 考 文 献
[1]石星. 高速数字信号处理设计评述[A]. 中国电子学会.中国电子学会第七届学术年会论文集[C].中国电子学会：，2001：6.
[2]郑文明. 基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现[D].哈尔滨工程大学，2009.
[3]孙进平，王俊，李伟，张有光等.DSP/FPGA嵌入式实时处理技术及应用[M].北京航空航天大学出版社.2011.
[4]卞红雨，纪祥春 等.TMS320C6000系列DSP的CPU与外设[M].清华大学出版社.2007.
[5]贾凯宾. 高速数字PCB互连设计信号完整性研究[D].南京理工大学，2008.
