發布時間：2023-04-14 16:56:08
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的數字信號論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
1．1圖解法圖解法主要是在坐標系上，嚴格按照計算（1）式的四個步驟：翻轉、移位、相乘和求和，得到線性卷積結果。采用圖解法比較直觀講解線性卷積的計算過程，在數字信號處理教材中常采用圖解法為例講解線性卷積的計算［1，2］。
1．2多項式法多項式法是根據序列x（n）和h（n）構造多項式，序列x（n）和h（n）的元素作為多項式的系數，例如：根據序列x（n）＝｛1，3，2｝構造多項式x2＋3x＋2，根據序列h（n）＝｛10，20｝構造多項式10x＋20，把兩個多項式相乘（x2＋3x＋2）＊（10x＋20）＝10x3＋50x2＋80x＋40，相乘所得的多項式的系數構成的序列｛10，50，80，40｝即為線性卷積的結果。
1．3豎式法豎式法是把序列x（n）和h（n）按照最后一位對齊，進行豎式乘法運算［4］，但各個元素相乘后不進位，例如序列x（n）＝｛1，3，2｝和h（n）＝｛10，20｝按照豎式法計算線性卷積如圖1所示，則線性卷積結果為｛10，50，80，40｝。
1．4FFT快速算法當循環卷積的長度L大于或等于線性卷積的長度N＋M－1時，循環卷積的結果和線性卷積的結果相等，所以只要FFT快速算法的計算點數大于線性卷積的長度，就可以采用FFT快速算法計算出線性卷積，在MATLAB軟件中提供了FFT快速算法的函數，通過調用fft函數和ifft函數完成線性卷積計算［5］。上述計算線性卷積的方法中，圖解法適于講解線性卷積的運算規律，多項式法和豎式法適合于快速計算出線性卷積的結果，FFT快速算法適合采用MATLAB軟件編程實現。
2循環卷積的計算方法
2．1圖解法圖解法主要是在坐標系上，嚴格按照計算（4）式的六個步驟：補零、周期延拓、翻轉、移位、相乘和求和，得到循環卷積結果［6］，采用圖解法比較直觀理解循環卷積的計算過程。
2．2矩陣相乘法由于循環卷積在對序列x（m）經過補零、周期延拓、翻轉得到的序列x［（（－m））L］＝x（L－m）為循環倒相序列，循環右移序列x［（（n－m））L］為對循環倒相序列進行循環右移n位后得到的循環移位序列，然后把得到的循環移位序列與h（m）相乘并求和得到yc（n），由于相乘求和運算可由矩陣相乘代替，即由循環移位序列構成L點循環卷積矩陣，與由h（m）構成的L維列向量相乘，得到yc（n）。采用矩陣相乘法計算循環卷積簡單明了，在數字信號處理教材中大多采用此方法為例講解循環卷積的計算［1］。
2．3線性卷積法由于循環卷積和線性卷積滿足的關系如（5）式所示［1］。當循環卷積的長度L大于或等于線性卷積的長度N＋M－1時，線性卷積yl（n）做周期延拓無重疊，此時循環卷積和線性卷積相等，此時線性卷積的結果為循環卷積的前N＋M－1項，循環卷積的后L－N－M＋1項為零。當循環卷積的長度L小于線性卷積的長度N＋M－1時，線性卷積yl（n）做周期延拓有重疊，循環卷積的結果有兩部分組成，一部分是線性卷積不重疊的部分，n的取值區間為N＋M－1－L≤n≤L－1，此時循環卷積和線性卷積相等；另一部分為重疊部分，n的取值區間為0≤n≤N＋M－L－2，重疊部分的循環卷積計算如（6）式所示。上述計算循環卷積的方法中，圖形法適于講解循環卷積的運算規律，矩陣相乘法和線性卷積法適合于快速計算出循環卷積的結果。
3結論
1．1誤碼監測當前誤碼監測主要通過以下兩種途徑:(1)固定圖形測試法。將測試信號發生器TSG422產生的一個固定圖形測試信號送給被測數字電視通道的輸入端，將該通道輸出的數字信號接入WFM601波形監視器，波形監視器將顯示出每一場有效圖像面積數字信號的CRC循環冗余碼數據檢驗字，第一場的CRC數值F1和第二場的CRC數值F2可以在監視器屏幕上顯示出來。對于某一固定測試信號，CRC檢驗字的數值是恒定不變的，如果CRC數值發生變化，就表明產生了誤碼。利用泰克公司生產的數字分量視頻波形監視器WFM601或VM700T的SDI選件都可以方便地進行誤碼的測試，只要將數字視頻信號饋入測試儀器，即可進行誤碼的自動檢測。(2)在線EDH誤碼檢測處理。首先在串行數字電視信號源中插入EDH信號，該信號主要是利用EDH附件將每一串行視頻信號進行計算，然后通過數字電視通道傳送至測試接收機，接收機的EDH附件對圖像反復進行相同的計算，并把計算結果與傳送信號中的EDH信息的數據進行比較，如果與傳送的數值不符，即判定發生了誤碼，屏幕上顯示出節目的總時間和誤碼的個數。EDH信息是插入在串行數字電視信號中，所以能在系統工作期間進行測試，既可以測量有效圖像的數據誤碼也可以測量全場信號的數據誤碼。含有EDH信息的場圖像的CRC數據以及其他輔助數據同時插入到下一場場消隱的開始端處。2MPEG協議分析和監測MPEG系統故障主要分為兩大類:第一類，由于編碼器和解碼器本身的錯誤，導致由傳輸系統傳來的正確信息變成錯誤的。第二類，編碼器和解碼器狀態良好，但是傳輸層破壞了數據。
2、1.TS流分析
MPEG傳輸碼流有著極其復雜的結構，但是MPEG協議分析工具可以用邏輯方式解析結構，從而可以對實況傳輸碼流進行實時分析，觀察任何結構上的細節。節目專用信息插入的頻率分析:用不同的方式給出各個子表格如PAT、PMT、NIT、SDT、BAT、EIT等的發送頻率，復用傳輸碼流的碼率為20Mb/s。第一項(P．inbytes)是以字節為單位表示的子表格在傳輸流中出現的最大平均周期;第二項(P．insex．)是以秒為單位表示的子表格在傳輸流中出現的最大平均周期;第三項(Tablelength)是用字節為單位表示的子表格平均長度;第四項(Rate)表示子表格發送的碼率。通過分析PCR節目時鐘參考和時間標記數據來檢查定時是否正常。來自復用器輸出的PCR數據可能是精確的，在數據復用之后，對PCR抖動進行檢測顯得很重要。2．2PES分析T－STD緩沖器占有量分析:在MPEG中，一個給定的基本碼流必須滿足解碼器的緩沖能力，MPEG編碼器不能超出T－STD的緩沖能力而使數據上溢或下溢。傳輸流中包含有VBV(視頻緩沖校驗)的系數，該系數規定了一個基本數據流需要的緩沖量。T－STD分析以圖形方式顯示緩沖占有量，可以觀察到各個緩沖器的占有率和占用字節的多少，這樣可以很方便地從曲線圖中觀察到數據的上溢和下溢。
3、數字電視信號質量的監督和測量
針對數字電視信號的特點，在ETR101290標準中，按照錯誤對信號影響的因素，以此為標準把錯誤劃分為第一優先級、第二優先級和第三優先級3個優先等級。第一優先等級錯誤通常會造成解碼器無法正常解碼的現象，會出現節目關聯表錯誤、同步字節錯誤以及傳輸流同步丟失。第一優先級參數直接影響節目圖像和伴音的內容。出現第二優先級錯誤時會損傷已解碼圖像，或者引起斷續解碼，這一優先級參數包括傳輸錯誤、節目時鐘基準錯誤等內容。第二優先級參數直接影響傳輸的可靠性。第三優先級錯誤指示編碼器、復用器的問題但不影響可解碼性，對圖像質量影響較小，包括網絡信息錯誤、服務信息重復周期錯誤、業務描述表錯誤等參數。第三優先級參數影響顯示結果。目前服務器是數字電視信號監測系統進行監測工作的主要平臺，數字電視信號監測系統硬件基礎為數字電視信號采集卡。檢測主機除包含服務器及數字電視信號采集卡外還有相關軟件包，數字電視信號通過DVBPSI接口或DVBASI接口連接到監測主機。監測工作的首要步驟是基帶數字電視信號通過信道調節器解出，然后監測主機通過ASI接口對基帶數字電視信號的數據流進行監測分析，按照監測規定，對數據流的監測結果通過數據報表、參數顯示或報警等顯示。
4、數字電視射頻信號監測
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
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【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】數字信號處理基礎 實踐環節 考核方式 網絡建設
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】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
隨著計算機和信息學科的飛速發展，“數字信號處理”已成為一門重要的高新技術學科，是理論與實踐、原理與應用緊密結合的課程。目前數字信號處理課程已成為大多數電子、計算機、通信等相關專業的主干課程。但是該課程內容多、學時少，偏重理論與公式的推導，缺乏可視化的直觀表現，學生從純數學的角度學習，理解抽象，普遍反映課程難學、內容枯燥、不會應用。如何在有限的時間內提高教學質量，使實踐和理論兩個方面的教學和諧統一，是值得探索的。因此，為了提高教學質量，我們注重對其物理意義和實際應用的講解，并適當使用多媒體與具有計算功能和繪圖功能的Matlab相結合的教學方式，將抽象的數學以可視化的形式展示給學生，讓學生更易理解抽象的概念。
二、教學方法與實踐改革的探討
針對數字信號處理的學科特點和教學現狀，在現有教學工作的基礎上，提出以下教學方案：
1．合理選擇教材，嘗試雙語教學。
選擇一本內容和形式都好的教材是進行課程改革的基礎和關鍵。我們采用清華大學程佩青編著的《數字信號處理教程》。在教授過程中，嘗試采用雙語教學模式，以幫助學生更多的了解英語專業詞匯，為閱讀英文資料奠定基礎。
2．合理安排教學內容
該課程經過多次修訂教學大綱，逐步完善教學內容體系，加強基礎能力和實踐動手能力的培養，把與該課程相關的新技術及熱點研究課程及時充實到教學中，同時加強教學內容與工程實際的聯系，使學生更好地掌握技術原理，提高自主學習的熱情。
深入研究符合現代教育理念的教學方法，采用多元化的教學手段，豐富教學過程。注重以學生為主體的參與式教學，結合多媒體教學圖像對感官的刺激，運動互動式、討論式等多種教學方式，充分調動學生參與課堂教學活動的熱情。引導學生進行研究式學習，培養創新意識和能力。利用網絡電子資源、網上答疑等信息化教學手段，提高學習效率。
3．實踐環節改革
數字信號處理課程與實踐密切相關，只通過理論教學難以使學生理解數字信號處理的原理。實踐教學環節可以彌補學生對理論知識的感性認識不足的缺陷，建立理論聯系實際的概念，是培養學生分析解決問題能力、創新意識、實踐技能和提高綜合素質最有效的途徑。通過實踐教學，可以鍛煉學生的動手能力，培養學生的研究方法和鉆研精神。
Matlab是美國Math Works公司開發的用于概念設計、算法開發、建模仿真、實時實現的理想的集成環境。特別是它具有數字信號處理軟件包，可很方便地進行數字信號處理方面的有關運算和系統設計、仿真，極大地提高了設計的效率。將其用于數字信號處理課程當中，通過加入一些綜合性、設計性實驗，不僅把理論知識與實際應用聯系起來，更有利于培養獨立思考、綜合運用知識的能力，還可以鍛煉協作意識。
在實驗教學任務的制定和實施上，在加強基礎實驗的同時，增設綜合性、設計性實驗項目或課程設計，用以訓練學生綜合分析問題和解決問題的能力。以信號頻譜分析及IIR數字濾波器的設計這一綜合實驗為例，實驗指導書給出基本步驟：首先采集語音信號，對采集的語音信號進行采樣并混進加性噪聲，然后用FFT進行頻譜分析，根據含噪信號的頻譜，用雙線性變換法設計相應的IIR數字濾波器進行濾波，得出濾波前后的頻譜，分析信號的變化。具體實施和調試由學生借助Matlab實現。
另外，在設置設計內容時，鼓勵學生自擬設計題目。如將數字信號處理課程中的FIR濾波器設計、音頻信號處理課程中的音頻信號采集與回收通過DSP硬件平臺實現，對軟件實驗利用Matlab語言和DSP匯編語言實現算法仿真或設計，硬件實驗通過實驗平成。這些課程設計培養了學生的工程實踐能力。總之，在教學過程強調理論與實踐并重，促進理論與實踐緊密結合。
4．創新作業形式、考核方法和手段
目前的考核方式只是對課堂教學的“檢查”，缺乏實踐和創造性的內容，不能適應素質教育的要求。我們將卷面考試與實驗情況以及撰寫有關課程內容的小論文相結合，將傳統的單一考試方式改為多種模式相結合的形式。考核內容除保留原來基本概念和知識點的問答計算外，增加一些對實踐問題的分析、判斷及解決方法，加強對實驗結果分析的考察，促使學生深入思考和分析問題。這樣既可以更好的檢驗學生的綜合能力和創新能力，又能將學生的學習重點從應試轉移到應用上。
5．建立和完善教學網站
學校在網絡建設上的投入使得數字信號處理基礎課程的網絡資源建設取得了跨越式的發展。在學校的網頁上，提供了本門課程的所有教學資源，包括教學大綱、教學日歷、教案、課件、學習指導與習題解答、實驗內容等，供學生自主學習參考。此外，還設置網上測試、在線答疑和在線交流等，利于與學生的互動和溝通。
三、評價與思考
經過近兩年的教改探索，基本已形成理論與實踐并重的教學新體系，在提升實踐教學地位的同時，激發了學生探索的積極性，學生的綜合素質和專業應用能力得到較大提升。
但是由于受到課時數的限制，一些較多的、較大的實踐教學內容無法實施，學生的應用能力培養受到一定影響。因此，應根據具體需要，適當的增加課時數，以便能更好的達到預期目標。
四、結束語
本文結合我校應用型人才培養的教學目標，依托河南工業大學《測控技術與儀器專業信號類課程的多元化實踐教學改革》項目，針對信號類課程教學面臨的共性問題，從理論、實踐與考核方式等方面探討了教學方法的改革。經過幾年的探索，這種教學模式取得了較好的教學效果，提升了學生綜合應用素質和核心競爭力。
參考文獻
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2 李燈熬、張海燕、王華奎.“數字信號處理”課程教學改革與實踐［J］.研究與探討，2010（8）
3 張利紅、周子昂.高校信號與系統教學改革探討［J］.周口師范學院學報，2010（5）
16位單片機／DSC成創意之源
縱觀此次競賽，主要有以下兩個特點：
首先，充分體現了競賽的主題：創意，從“芯”開始。
很多作品具有新意，既有傳統項目的創新，例如無線火車臨近報警及鐵軌監控系統，汽車的組合儀表、‘發動機控制等；更有涉及當今前沿領域的熱門話題，諸如醫療電子、汽車組合儀表、電動汽車(第一名)、生物電子(第三名)、LED和太陽能照明(專項獎)、空氣污染監測、鋰電池管理等。
整個競賽的項目五花八門，涉及了16位單片機可覆蓋的三大主流應用：工業控制領域、汽車電子和消費電子。項目中有國家863課題，更有豐富的儀器儀表、安防、便攜式產品、鼠標應用等。
參賽項目有的實用性強，有的理論性強，各有千秋。論文的內容也很有創意，獲獎論文的電路和所附程序清楚、有特色，不是一般從網站上可下載到的。
其次，電機控制類應用非常多，僅獲獎作品中此類就占半壁江山。這是由于Microchipl6位單片機／DSC(數字信號控制器)比較適合電機控制，它們的數據總線擴展為16位，MCU加入了RTC、DMA、CRC等強大外設；DSC還加入了DSP(數字信號處理)功能，因此在控制算法和數字信號處理方面具有優勢。
例如，第一名作品涉及到前沿的電動汽車的電機控制，以dsPIC30F4011(屬于DSC)為主控芯片，設計出一套性能可靠、成本較低的無刷直流電機驅動系統。DSC與MOSFET元件構成低壓大功率無刷直流電機的驅動系統是一個較為經濟的方案。該項目在國內屬于領先技術，因為進口的電機及控制器功率可以做到5KW左右，而此項目的功率為15KW，實現難度比較大。
跳出8、1 6、32位的界定
16位單片機／DSC有時被認為籠罩在8位和32位MCU的陰影下，業界重視不夠。但是作為商業公司，一定要選擇滿足性能要求的最低價格的芯片。因此工程師在芯片選型時，要跳出8、16、32位的框子，根據需要選芯片，無論是8、16還是32位，只要滿足需要即可。為此，Microchip等公司填平了8、16、32位之間的鴻溝，實現了無縫兼容。
一、引言
數字信號處理是一門面向各大專院校電子信息學科的專業基礎課，它的基本概念、基本分析方法已經滲透到了信息與通信工程，生物醫學工程，導航、制導與控制，動力工程，航空工程等領域。學生應采取主動的方式獲取本課程所講述的基本概念和基本分析方法，并可利用其分析、解釋和計算信號、系統及其相互之間約束關系的問題。但多年來，我們的課程教學中仍然普遍采用教師主動、學生被動的滿堂灌輸的教學理念和方法，看似傳遞給學生的信息容量大，實質上學生接受質量和效率并不高。鑒于此，本課題組從理論教學和實踐教學環節入手[1]，經過多年的研究、實踐和探索，對該課程的教學進行了改革，并取得了較好的成效。
二、課程現狀分析
當前的課堂教學存在著以下弊端。
1.學生缺乏對本學科整個課程體系的全貌了解，各門專業課程之間缺乏整體聯系。這使得學生對該課程的前續知識準備不夠，對后續知識認識不足。
2.數字信號處理課程理論性強，內容抽象，涉及的數學知識較多，學習難度較大。傳統的教學模式下，學生會感到內容枯燥難懂，學習興趣不足，學習的積極性、主動性不高。
3.實驗內容中設計性實驗偏少，驗證性內容偏多，缺乏綜合性課程設計內容。致使很多學生沒有興趣在課前搜集整理相關資料，了解相關內容，還是依賴教師課堂講授，被動等待教師解惑。
4.隨著高校不斷擴招，學生人數不斷增加，導致學生整體平均水平相對下降，大班授課教學效果不佳。
三、課程改革思路
課程改革是指教師教學方式及學生學習方式的改變，是教師和學生雙向的改變，是教與學的相互溝通[2]。對于教師來說，要與時俱進，不斷更新教學觀念、教學思想、教學模式，變灌輸式、單向式為啟發式、討論式、研究式教學；對于學生來說，要形成積極主動的學習態度，使獲得知識與技能的過程成為學會學習和形成正確價值觀的過程，由傳統學習方式的被動性、依賴性、統一性、虛擬性、認同性轉變為現代學習方式的主動性、獨立性、獨特性、體驗性與問題性。針對當前國內高等教育中教師過分主動、學生過分被動，理論學習相對過多、實踐動手機會相對太少的特點，應該想辦法調動學生學習主動性、積極性，鼓勵學生充分發揮自己的個性和特長，不斷自主學習、獨立思考、自由創新，努力增加學生動手實踐機會，提高他們的綜合素質和解決實際問題的能力。針對課程現狀，提出以下具體改革措施。
1.針對課程內容之間的聯系問題，學院即將在各專業新生中課程中開設專業導論課程。在這門課中，會粗略講解本專業各課程內容之間的聯系。要想透徹理解數字信號處理課程內容，尤其要先深入理解前續課程信號與系統的精髓內容，即信號的三大變換以及線性時不變系統常用的各種表征方式之間相互聯系。由于信號與系統的內容較之數字信號處理更加抽象難懂，數學公式較多，使很多同學產生畏難情緒，學得一知半解，囫圇吞棗。這導致了相對容易的數字信號處理學起來也有些晦澀難懂了。因此在講述信號與系統課程時就要告知學生課程的重要性及與數字信號處理課程之間的聯系，而在講解數字信號處理課程時則要講述清楚和后續課程之間的聯系及對后續課程學習的影響。
2.針對數字信號處理課程理論性強、內容較為抽象的問題，教師應注重基本概念及其物理意義的講解，加強課程內容與學生生活及現代社會科技發展的聯系，教師應時刻關注本學科前沿動態，提升自身理論水平，將和本門課程有關的先進技術知識引入課堂，將學生感興趣的內容引入課堂，比如數字信號處理在短波通信、數字圖像處理、儀器儀表、汽車系統等領域的最新應用介紹給學生，可大大激發學生的學習興趣，也可讓學生初步了解自己畢業以后可能的就業方向。另外，教師應精選終身學習必備的基礎知識和技能，重點讓學生掌握核心理論、初步信號仿真能力及工程應用，適當減少復雜公式的計算和推導，避免學生陷入到復雜的計算中去。
針對學生學習主動性、積極性不強的問題，教師應改變課程實施過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練的現狀，積極引導學生，善于提問學生，善于培養學生提問，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、交流與合作的能力。采取翻轉課堂的形式，讓學生到講臺上講解，還可適當給予學分獎勵，這樣既提高了學生學習積極性，又鍛煉了學生的思考及演講能力。本人在課程教學中采用課堂互動、討論、學生講授、分組論文寫作等新的教學方法和教學手段，取得了比較滿意的教學效果。
3.針對缺乏設計性及綜合設計性實驗的問題，由于課時較少，本課程只有4次8個小時的實驗，這種現狀下，課內設置50%的設計性實驗，一些綜合性的設計實驗只能作為學生的課后大作業來完成。將學生分為3―5人一組，每組選一個課題完成，課題內容盡可能接近實際項目。每個小組成員根據自身特點領取相應任務和資源，這樣既可鍛煉自身能力，又可培養團隊意識。在課題實施過程中，教師起引導作用，可以幫助學生分析所遇到的問題，鼓勵學生自己探索、思考解決問題的方法，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。
4.針對班型較大問題，在師資力量允許的情況下盡量小班授課，以保證授課質量。若師資力量薄弱，則采取理論課大班授課，而實驗課小班教學的方式，便于教師及時發現問題，學生能及時得到指?А2捎?MOOC教學也是不錯的解決辦法，MOOC教學突破了傳統課程時間、空間的限制，突破了傳統課程人數限制，便于學生學習，也便于和學生互動。我們已經著手錄制教學視頻，放到網絡平臺，作為課堂教學的有力補充，進一步提升學生的學習質量和學習效率。
四、?n程考核
課程的教學效果主要依靠課程考核來進行。課程的考核貫穿整個教學環節，包括課堂回答問題情況、出勤、作業、實驗完成質量等環節，對學生進行全方位考核。這種考核形式能更加全面地考核學生日常學習情況，激勵學生，激發學生學習主動性。
【關鍵字】 數字信號 DSP FPGA 實時處理
一、前言
早期的信號處理主要采用模擬的處理方法，包括運算放大電路、聲表面波（SAW）器件以及電荷耦合器件（CCD）。運算放大電路通過不同的電阻組配可以實現算數運算，通過電阻、電容的組配可以實現濾波處理等等。模擬處理最大的問題是不靈活、不穩定。解決以上問題的最好辦法就是采用數字信號處理技術。數字信號處理主要通過軟件實現，可以很方便的修改參數，具有很大靈活性。并且數字電路采用邏輯值進行處理，也相當可靠。當今數字信號處理的理論和方法已經得到長足的發展，成為數字化時代的重要支撐，已經滲透到我們生活和工作的各個方面。[1]高速實時信號處理是信號處理中的一個特殊分支。它的主要特點是高速處理和實時處理，被廣泛應用在工業和軍事的關鍵領域，如對雷達信號的處理、對通信基站信號的處理等。高速實時信號處理技術除了核心的高速DSP技術外，還包括很多技術，如ADC、DAC等器件技術、系統總線技術等。
二、高速數字信號處理硬件體系設計
DSP（數字信號處理器）是專門為了數字信號處理應用而設計的高速芯片，由用戶通過編程實現處理算法，其編程語言多為C語言。DSP具有開發周期短、處理速度快、實時處理能力強的特點，目前，已經成為了數字信號處理系統中最為重要的處理器件之一。 FPGA（現場可編程門陣列）近年來發展迅速，因為它的靈活性、可重構性、廣泛的適應性，在一些信息量較大的場合，如雷達信號處理、海洋氣候數據、農業生產信息處理等應用領域，現場可編程門陣列（FPGA）可以跟DSP等芯片配合使用，增加系統的可用性和效率，是嵌入式系統中不可或缺的芯片[2]。本文設計的數字信號處理系統主要以DSP為核心，FPGA為協處理器，再搭配ADC和DAC及接口電路，為可重構電路，是目前比較常用的并行處理系統解決方案，主要完成數字信號的檢測、處理和傳輸。該系統最大的特點是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率，同時其開發周期短，系統易于維護和擴展，適合于實時信號處理。[3]
2.1 DSP和FPGA器件的選型
DSP芯片選擇了TI公司的TMS320C6416，其最高工作頻率可以達到1GHz，器件本身擁有1MB的內部存儲空間，1280MB的外部存儲空間，可以通過HPI、PCI、EMIF等接口與其它器件連接，能夠勝任數據的高速處理要求。[4]
FPGA芯片選擇了Xilinx公司的XC5VSX95T，其擁有14720個Slices、1520KbRAM、640個DSP48E Slices和640個User I/O。可以依靠片內的大量RAM資源和乘法器完成各種邏輯運算和處理算法。
2.2系統功能與總體結構設計
本系統對前端輸出的模擬信號進行ADC采樣，然后經過濾波、變頻、抽取和處理，得到處理數據，再通過接口送往顯控設備顯示，同時，可以通過DAC輸出基帶信號，系統的總體設計結構如圖1所示。
其中，FPGA主要實現ADC和DAC控制，ADC采樣信號的濾波、變頻、解調等預處理，系統接口電路的邏輯控制，離散的信號控制和狀態監測，以及和DSP的接口邏輯等；DSP屬于信號處理硬件的核心部分，實現數據處理的核心算法等功能，處理得到的數據通過UART口送往顯控設備；FPGA和DSP之間通過EMIF口連接，并使用DSP的外部中斷作為讀取數據的觸發；具體的電路結構如圖2所示。
三、系統性能優化
3.1 FPGA與DSP的接口優化
本信號處理硬件中FPGA作為數據輸入/輸出的控制及預處理芯片，必須要與核心處理器DSP交換數據，因此，FPGA和DSP之間需要建立高速數據接口。
FPGA作為一個外設，掛在DSP的EMIFA口，因為EMIF口工作時鐘可能和FPGA內部工作時鐘不一致，為了控制FPGA內部電路的時序，在FPGA內部，設計了兩個FIFO，來實現EMIF口對FPGA的數據訪問。當DSP響應其外部中斷信號時，從FIFO_R中讀取FPGA預處理的數據，當要給FPGA下發工作參數時，將數據寫入FIFO_W。
3.2接口驅動優化
為了實現信號的高質量傳輸，需要在DSP的EMIF口和外部存儲器之間增加雙電源三態緩沖器，這里選擇的是性能穩定的SN74LVC16T245。本設計中，在FPGA與DSP的EMIF之間使用該芯片構成數據緩沖。
3.3 軟件優化
隨著電子技術和大數據時代的激發，多個領域對更大的數字信號數據量的存儲和處理需求提出了更高的訴求。特別是雷達、高清視頻實時轉播等系統采用的高采樣率設備，數據率可以達到Gbps，這就需要除了對硬件采集信號的質量加以控制之外，還要對軟件算法不斷加以優化[5]。尤其是在FPGA程序設計中，需要特別注意信號采集和發送的時序，不僅要在原理圖設計初期根據廠家的芯片Datasheet進行合理的配置，也要在編寫程序時合理處理多時鐘域問題。在一個設計中，一般應該只有一個全局時鐘網絡可以驅動全部觸發器，這樣可以極大的簡化時序分析，去除掉大量與多時鐘域相關的問題，但是在實際的設計時，由于FPGA對外接口較多，每個接口的約束條件都不同，只利用一個時鐘是不可能的，這時候就要處理多個時鐘問題。可以通過以下幾個技巧進行處理。
1）使用全局時鐘buffer。對于全局時鐘信號，盡量使用全局時鐘buffer（BUFGP）驅動，FPGA內部需要低時鐘偏差的信號，也盡量使用二級全局buffer（BUFGS）驅動。
2）分頻信號的處理。對于設計中需要采用“分頻信號”作為時鐘的電路，在不要求占空比時，可以將分頻信號設計成和主時鐘一樣寬度的信號，然后在實際處理中，仍然以主時鐘為觸發條件，把分頻信號作為控制信號處理。如圖3所示，假設主時鐘為100MHz，產生一個10MHz的分頻信號。
3）合理選擇語法。在VHDL中，if語句指定了一個具有優先級的編碼邏輯，而case語句則是并行邏輯，不具有優先級。通常，if-else結構速度較慢，但需要的電路面積較少；case結構執行速度較快，但占用電路面積較大。在具體編程時，要綜合考慮速度和面積的關系，如果對速度有特殊要求，而對資源沒有較高要求，則應使用case結構。在必須使用if-else結構時，不正確的嵌套使用if語句會增加延時，因此，對于延時要求苛刻的路徑，應該放在較高的優先級。[6]
四、結術語
本文主要研究了高速數字信號處理中使用FPGA+DSP的方案結構，分析了其中重要的接口設計和軟件優化，基本解決了通用高速數字信號的采集和處理問題。但是目前看來，提出的基于FPGA+DSP的數據采集和處理的硬件實現，對多路信號的并行計算速度還不夠。下一步的目標將是，通過對FPGA中的算法模塊和控制邏輯模塊、接口協議的調整優化以滿足更高的要求。[7]
參 考 文 獻
[1]石星. 高速數字信號處理設計評述[A]. 中國電子學會.中國電子學會第七屆學術年會論文集[C].中國電子學會：，2001：6.
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