《数字信号处理》的优化设计探讨

摘要：《数字信号处理》课程实用性强、理论内容丰富但概念抽象，因此作为学生，学习起来势必会力不从心。从学生学习的角度，阐述了《数字信号处理》的优化设计，探讨了数字信号处理》的课程的改革优化方案。

关键词：数字信号处理；课程优化；方案

中图分类号：TN911.7文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

Optimal Design of "Digital Signal Processing"

CHEN Jia

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

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

Keywords: Digital signal processing; Optimization of courses; Programme

《数字信号处理》作为电子与信息工程学科的主干课程，其主要任务是以通信和控制系统的应用为背景来研究信号传输与处理的基本理论和基本分析方法。尽管其内容都已相对稳定，所涉及的理论和分析方法也都比较成熟和经典，但是，信息技术飞速发展的今天，作为面临着和社会直接接轨的学生来说，实现《数字信号处理》课程的优化设计事在必行。

1 数字信号处理课程优化设计概述

“数字信号处理”是信息工程专业信号类课程的一门主干课，前导课是“信号与系统”。“数字信号处理”课程理论性较强，对数学基础要求较高，学生普遍反映抽象、难学。对此，1999年以来，一方面引进课件（清华大学出版的“数字信号处理多媒体CAI教程”）进行课内外的计算机辅助教学，另一方面加强了与前导课“信号系统”教学内容的衔接与协调，去掉不必要的重叠。从2003年起，将线性离散系统和z变换部分的教学内容放在了“信号与系统”课程中去进行，让学生提前在较早的时间就接触离散系统部分的教学内容，既分散了难点，又为“数字信号处理”课程中的消化不良现象腾出了时间，为深入改革课堂理论教学提供了新的机会。

但是，“数字信号处理”毕竟是一门概念性较强的课程，多年来，我们仍然一直普遍感到抽象难学。通过最佳一致逼近的瑞米兹（Remez）交换算法优化设计这一环节教学工作为例可以看出，课程改革的成功，需要多个教学环节改革的协调配合，包括课堂理论的CAI教学改革、教学法研究、习题课及课程设计改革等。课程改革成功与否，还可以在相关毕业设计中得以体现。

“数字信号处理”课程的优化设计中，最佳一致逼近的瑞米兹交换算法最为重要，它是FIR（有限冲激响应）数字滤波器的主要优化设计方法，FIR滤波器在具有任意的幅度特性的同时具有严格的线性相位，FIR经过一定的延时后可以将非因果有限长序列变成因果的有限长序列，所以在数字信号处理中得到广泛应用。

2 数字信号处理课程优化方案

2.1 学习方法优化

在学习上采取重点和难点突破，简单的或应用场合不多的可以少学或自学；对于复杂问题进行归纳和简化，以使自己易于理解。如在学习如何根据系统函数的零点和极点位置来判断系统频率响应特性时，阐明了问题的实质，即“某一频率处的幅度响应与单位圆上该频率点到所有零点和极点的距离有关，零点附近的幅度响应是极小值，极点附近是极大值”。抓住这一基本概念后就可以自己去理解教材上的例题。同时结合这一概念，理解在设计FIR滤波器时，必须根据具体要求，对系统单位取样响应的对称性作出正确的选择，这样该概念就由抽象复杂变得简单明了。另外根据不同的学习内容采取灵活多样的学习方法如：设问诱思法，换位思考法，逆向思维法，比喻法，例举法，分类对比法，模型构建思维法等。通过对学习方法的优化可以激活学生的思维，提高学习质量。

2.2 应用与实践课程的并进

众所周知，数字信号处理（DSP）技术已在极其广泛的领域中得到应用。我们认为，如仍按以往的内容实施数字信号处理课程的学习和实验，已不能适应DSP技术高速发展的需要。

首先，以往开设的数字信号处理课程以理论为主，涉及到实际应用的内容基本上局限在数字滤渡器的设计等方面，且由于本课程的课时限制，能安排为实验的学时一般较少，因此，学生所能掌握的DSP技术是很有限的。

其次，DSP技术本身在飞速发展，尤其是高速DSP芯片的广泛应用，对这一领域专业人才需求已日趋紧迫。而这方面的技术和有关课程 往我们是在硕士研究生阶段开设的，本科生对高速DSP技术了解甚少，应该朴上这一课。因种种原因，学生的硬件实践环节不是加强，相反有削弱的趋势，特别是设计性实验环节。

所以我们应当通过适当的措施以提高自身的动手能力。

本课程虽然是理论课，但它与实践关系密切，如果仅仅讲授理论知识，我们对理论知识的理解往往是肤浅的、表面的。因此我们必须加大了实验环节，利用一些信号处理软件如Matlab、Systemview等，改变已有的演示验证性实验模式，增加综合设计性实验。以此激发我们学习参与实验的积极性，使在学习课程基本概念、基本理论和基本方法的同时，也培养自身独立分析、解决问题的能力。在实验中，遵循验证和设计相结合的原则，采取举例为辅，设计为主的方法，达到抛砖引玉的效果。通过实验，我们既学会了利用软件分析解决问题的

方法，同时也加深了对所学知识的理解。例如在IIR滤波器设计实验中，教师给出利用冲激响应不变法设计滤波器的范例，要求我们设计双线性变换法滤波器程序，并在频谱分析的基础上，用此滤波器对带噪信号进行滤波。通过实验，我们既验证了所学理论，又利用Matlab语言作为工具编程实现了理论和概念的仿真，锻炼了设计分析能力。

2.3 强调概念的物理意义和应用

就“数字信号处理”的概念抽象难懂、涉及数学知识较多、公式推导繁琐等问题，我们改革并丰富传统的学习手段，开发并完善适合学习的多媒体辅助系统，充分发挥现代手段的优势。例如，可以利用Authorware、Flash等工具制作动画，将抽象的概念感性化，以形象生动的图像、动画来展示理论内涵。这样可以启发自身的思维，培养自身的学习兴趣，实施形象学习。例如，对于信号采样及恢复问题，在介绍时采用了动态演示的方法 将采样及恢复过程用Flas形象的表现出来。这样一来，一方面使抽象的过程生动起来，使自身加深理解，另一方面也激发了自身的学习兴趣。

由于“数字信号处理”课程中大量的理论和结论都是通过数学推导的方式得到，所以我们往往过于注重公式推导或证明，而不能理解其实质和用途。针对这种情况，在学习别要强调结论的物理意义和应用，尤其是结合科研实践给出理论在图像处理、语音信号处理方面的具体应用以此加深自身理解，提高学习兴趣。

例如，离散付里叶变换DFT是频域分析的有效工具，信号的频谱分析在通信、图像传输等领域都占有非常重要的地位，因此在该章的学习中，除了对其概念及性质的介绍，还对其应用进行了举例说明。例如，一个信号由10Hz、20Hz和30Hz的三个正弦信号构成，即

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

且该信号被随机噪声污染，在时域中很难确定其组成成分，我们可以利用Matlab编程实现离散付里叶变换，分析出该信号的成分。设采样频率为500Hz，如图1所示：

图1 信号频谱分析

图1(a)为纯净时域信号；图1(b)为受到噪声干扰的时域信号，从图中可以看出噪声较大，已经看不出信号的周期性；图1(c)为该信号的频谱，可见信号集中在10Hz、20Hz和30Hz三个频率上。通过这样的直观结果可以增强自身的感性认识，加深对DFT概念的理解。

3 结语

《数字信号处理》是一门非常重要的课程，因此在适应素质教育对电子信息专业人才培养的要求下，我们结合自身实际情况对该课程进行优化改革。

实践证明，随着通信技术、电子技术和计算机技术的飞速发展，实现对《数字信号处理》的优化设计，有利于提高课时效率，有利于拓宽专业知识面，有利于培养和加强自身系统设计能力和实践能力，有利于加强自身素质教育的课程改革，诸如课程内容的划分与衔接、学习内容的主次安排及增删、实验课程的设置和实践环节的统筹。

但是，如何在学习过程中发挥自身的主动性，将多更多方案应用于学习，使自身学习效果达到最优，有待我们进一步探索和实践。

参考文献：

[1] 吴镇扬.数字信号处理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 程佩清.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,1995.

[3] 陈晓天,陈长缨,戴青云,文元美.MATLAB 6.5在课程设计中的应用[J].广东工业大学学报(社会科学版),2003(增刊):117―119.

收稿日期：2008-04-05

作者简介：陈嘉（1984-），男，学历本科，单位：贵州大学蔡家关校区电气工程学院。