1教學(xué)改革內(nèi)容

為了加強(qiáng)教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力、培養(yǎng)正確的學(xué)習(xí)和思考方式以及加深對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，教學(xué)改革加強(qiáng)了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程中所涉及的相關(guān)科技史內(nèi)容的介紹。雖然教材也并沒有這部分內(nèi)容的介紹，但是通過互聯(lián)網(wǎng)上的維基百科、百度百科等百科網(wǎng)站，以及國外大學(xué)中可供下載的數(shù)字信號(hào)處理課程課件，授課教師將所授課的課件內(nèi)容進(jìn)行了豐富，凡是涉及到有相關(guān)科技史的內(nèi)容，都在教學(xué)中加以說明與介紹。具體的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革如下：

1.1科學(xué)家成長經(jīng)歷的介紹

科學(xué)家之所以可以提出被廣泛接受和應(yīng)用的理論、公式、方法等成果，與他們的成長經(jīng)歷是分不開的。教學(xué)改革中添加了對(duì)科學(xué)家的家庭背景、成長經(jīng)歷、就學(xué)學(xué)校、對(duì)他產(chǎn)生影響的導(dǎo)師這些內(nèi)容。比如在傅里葉變化的教學(xué)中，授課教師介紹了約瑟夫傅里葉因?yàn)橛啄旮改鸽p亡，所以很小便被送入天主教本篤會(huì)接受教育，之后考入巴黎高等師范學(xué)校，畢業(yè)后在軍隊(duì)中教授數(shù)學(xué)，27歲時(shí)他到巴黎高等師范學(xué)校教書。這些經(jīng)歷對(duì)他后來傅里葉變換的提出起到了關(guān)鍵作用。

1.2科學(xué)成果所在年代的歷史背景

獲得科學(xué)成果所在年代的歷史背景也是非常重要的內(nèi)容。所在歷史年代的特殊性給了科學(xué)家們特定的環(huán)境、氛圍、機(jī)遇等等，使得他們有機(jī)會(huì)提出新的理論和方法。比如傅里葉所在的年代是18世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)正是拿破侖東征時(shí)期，傅里葉跟隨拿破侖軍隊(duì)東征，被任命為下埃及的總督。由于英國艦隊(duì)對(duì)法國人進(jìn)行了封鎖，所以他受命在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)軍火為遠(yuǎn)征部隊(duì)提供軍火。這個(gè)時(shí)期，他向開羅埃及學(xué)院遞交了幾篇有關(guān)數(shù)學(xué)的論文。1816年他回到巴黎，六年后他當(dāng)選了科學(xué)院的秘書，并發(fā)表了《熱的分析理論》一文，此文是建立在牛頓的熱傳導(dǎo)理論的速率和溫度差成正比的基礎(chǔ)上。

1信號(hào)外部特征估計(jì)

利用寬帶監(jiān)測接收機(jī)截獲數(shù)字信號(hào)后，通過頻譜圖可以直觀地獲得中心頻率、帶寬、頻譜形態(tài)等信息，然后將這些信號(hào)的外部參數(shù)與無線電頻率監(jiān)管部門已注冊(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)庫或頻率指配表的參數(shù)進(jìn)行比較。頻率指配表是重要的參考依據(jù)，如表1所示，在表中可以直接找到相關(guān)頻段內(nèi)已獲準(zhǔn)使用的無線電業(yè)務(wù)和操作參數(shù)，通過與截獲信號(hào)外部特征進(jìn)行比對(duì)，可以得出初步的判斷結(jié)果。如果比對(duì)結(jié)果完全吻合，則可以直接作出判斷，無須進(jìn)行后續(xù)分析即可完成信號(hào)的正確識(shí)別。除了與頻率指配表比對(duì)外，還可以采用表2提供的分析方法，利用信號(hào)分析軟件直接估計(jì)信號(hào)的外部特征。如果通過外部參數(shù)估計(jì)仍不能準(zhǔn)確判斷，還必須通過更多的信息才能作出正確識(shí)別，則需要進(jìn)行信號(hào)內(nèi)部參數(shù)估計(jì)。

2信號(hào)內(nèi)部參數(shù)估計(jì)

數(shù)字信號(hào)的內(nèi)部參數(shù)估計(jì)主要是利用信號(hào)分析軟件獲取信號(hào)的調(diào)制方式和波特率，即信號(hào)的時(shí)域特征。下面舉例說明具體的判斷過程。如圖2所示，在信號(hào)分析軟件中打開.WAV或I/Q數(shù)據(jù)文件，顯示為F1B調(diào)制方式（即FSK），中心頻率為1755.1Hz，波特率約為100Bd，頻率間隔為398.1Hz，可信度為74%，下面根據(jù)預(yù)判做進(jìn)一步分析。直接打開FSK分析功能，如圖3所示，可以明顯看到FSK的頻譜特征，而且各參數(shù)測量結(jié)果與預(yù)判一致，我們有把握斷定該信號(hào)的波特率為100Baud、調(diào)制方式為FSK。如果沒有得到理想的結(jié)果，則需要借助表3所示的分析方法來進(jìn)行人工信號(hào)識(shí)別。表3給出了信號(hào)分析軟件無法準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)信號(hào)時(shí)，基于數(shù)學(xué)運(yùn)算估計(jì)信號(hào)內(nèi)部參數(shù)的方法。上述方法必須經(jīng)過各種數(shù)學(xué)運(yùn)算后，根據(jù)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，估計(jì)信號(hào)的內(nèi)部特征參數(shù)。

3解碼

一方面可以通過解碼來驗(yàn)證信號(hào)內(nèi)外部參數(shù)估計(jì)的正確性，另一方面可以獲取信噪比高、符合常規(guī)編碼規(guī)則的數(shù)字信號(hào)傳遞的信息。根據(jù)信號(hào)內(nèi)外部參數(shù)估計(jì)情況，設(shè)置信號(hào)解碼軟件，如果參數(shù)估計(jì)正確，并且滿足常規(guī)編碼要求，則可以直接解碼，得到目標(biāo)信號(hào)所傳遞的信息，如圖4所示。由于復(fù)雜的通信體制和電波傳播環(huán)境影響，以及相對(duì)有限的信號(hào)解碼手段，很多數(shù)字信號(hào)無法解出其具體傳遞的信息，但是如果信號(hào)內(nèi)外部信號(hào)參數(shù)估計(jì)正確，可以解出信號(hào)的基本編碼，如圖5所示。

1信號(hào)處理中的相關(guān)函數(shù)

信號(hào)處理中許多信號(hào)都要進(jìn)行相關(guān)性分析，牽涉到信號(hào)相關(guān)的問題往往都會(huì)涉及大型的數(shù)據(jù)集?；ハ嚓P(guān)，也稱為“互協(xié)方差”。在智能信號(hào)處理相關(guān)領(lǐng)域中，是用來表示兩個(gè)信號(hào)之間相似性的一個(gè)度量。互相關(guān)性可以通過與確定信號(hào)比較，來尋找不確定信號(hào)的特性，它是確定信號(hào)與不確定信號(hào)之間相對(duì)于時(shí)間的一個(gè)函數(shù)，也可以稱為滑動(dòng)點(diǎn)積。在模式識(shí)別以及密碼分析學(xué)等很多領(lǐng)域，信號(hào)的互相關(guān)性都有廣泛的應(yīng)用［5］。

1．1相關(guān)函數(shù)的定義互相關(guān)是統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來表示兩個(gè)隨機(jī)矢量X和Y之間的協(xié)方差cov(X，Y)，與矢量X的“協(xié)方差”概念相區(qū)分，矢量X的“協(xié)方差”是X的各標(biāo)量成分之間的協(xié)方差矩陣。自相關(guān)是對(duì)信號(hào)相關(guān)程度的一種度量，也就是說自相關(guān)可以看作是信號(hào)與自身的延遲信號(hào)相乘后的乘積進(jìn)行積分運(yùn)算，隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與其功率譜是傅氏變換對(duì)(隨機(jī)信號(hào)無法得到具體的函數(shù)表達(dá)式，只有其統(tǒng)計(jì)信息)，通過對(duì)接受信號(hào)的自相關(guān)運(yùn)算可以進(jìn)行頻譜分析。同時(shí)，自相關(guān)在信號(hào)檢測中也有很重要的作用，是在誤碼最小原則下的最佳接收準(zhǔn)則［6］。

1．2信號(hào)處理中矩陣的相關(guān)性分析一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)輸入的有用信號(hào)可以是確定信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)，而輸入信號(hào)中不可避免的混有噪聲或干擾，在頻域考慮可能是窄帶的也可能是寬帶的［7］。一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)和信號(hào)特性，通常對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能起重要作用，輸入信號(hào)用向量的形式表示，隱去時(shí)間函數(shù)，則信號(hào)向量X可以表示為。矩陣分析作為一種重要的數(shù)學(xué)工具，在信號(hào)與信息處理領(lǐng)域起著不可替代的作用。由于在現(xiàn)代信號(hào)處理、圖像處理，以及通信相關(guān)領(lǐng)域中的操作和運(yùn)算中，為了滿足性能需要，所以對(duì)數(shù)據(jù)的吞吐量有極高的要求，其中很多操作都必須實(shí)時(shí)完成，所以對(duì)相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)速度就有了很高的要求。在數(shù)字信號(hào)處理中，大部分處理信號(hào)和圖像的算法具有局部化、計(jì)算數(shù)據(jù)密集以及海量的矩陣運(yùn)算等特點(diǎn)，所以為了提高算法的實(shí)現(xiàn)速度，尋找一種高速矩陣運(yùn)算和高速密集型數(shù)據(jù)運(yùn)算的方法對(duì)很多在數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用的復(fù)雜算法是十分有意義的［8］。

2GPU上大型矩陣快速運(yùn)算的具體實(shí)現(xiàn)

在GPU中實(shí)現(xiàn)矩陣的快速乘法時(shí)，不僅要保證運(yùn)算的精度問題，同時(shí)，也要保證運(yùn)算的效率，提高運(yùn)算的速度。所以，根據(jù)GPU的硬件結(jié)構(gòu)，應(yīng)該設(shè)計(jì)一種矩陣分塊和內(nèi)存分配方法［9］，以便減少內(nèi)存的訪問次數(shù)。

與傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤通道相比較，新型可復(fù)用數(shù)字通道通過設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)通用性的硬件通道，在使用過程中通過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、Galileo和Glonass的信號(hào)切換并跟蹤。在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)載波、擴(kuò)頻碼及其產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)軟件控制即可實(shí)現(xiàn)提高數(shù)字跟蹤通道的通用性。

1載波器的設(shè)計(jì)

應(yīng)針對(duì)不同的衛(wèi)星信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證載波器的兼容性，首先應(yīng)保證其時(shí)鐘周期頻率的設(shè)計(jì)，之后通過設(shè)置中心頻率的范圍、調(diào)節(jié)范圍及精度以提高其兼容性。

1.1時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期是載波的參考基準(zhǔn)時(shí)間，其保證著載波輸出數(shù)字信號(hào)的精度，這就要求時(shí)鐘周期能夠保證極好的精度，若不能實(shí)現(xiàn)則會(huì)導(dǎo)致輸出頻率出現(xiàn)誤差。為了在時(shí)鐘周期上實(shí)現(xiàn)兼容全部衛(wèi)星信號(hào)，首先應(yīng)保證采樣頻率高于2MHz，而作為最低2MHz的時(shí)鐘頻率則使得時(shí)鐘周期的范圍為0～500ns。

1.2設(shè)置中心頻率范圍中心頻率是由衛(wèi)星輸出的中頻信號(hào)決定的，故設(shè)置中心頻率的范圍應(yīng)盡最大可能去覆蓋全部的中頻信號(hào)頻率。根據(jù)計(jì)算現(xiàn)有的技術(shù)，一般中心頻率保證在100MHz之內(nèi)，故通過32位寄存器即能夠?qū)崿F(xiàn)全部數(shù)據(jù)的保存要求。

1.3調(diào)節(jié)范圍確定頻率調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)首先確定其兩個(gè)影響因素，包括時(shí)鐘誤差及多普勒頻移。時(shí)鐘誤差是由電路中混頻過程產(chǎn)生，這就取決于本地振蕩器的頻率，目前多采用1.2～1.6GHz的本地振蕩器，故其對(duì)頻率的影響范圍為±16kHz；而多普勒頻移取決于衛(wèi)星與接收設(shè)備的先對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，其最大速度差異為8000m/s，通過計(jì)算可知其頻移范圍為±42kHz，故整體的頻率調(diào)節(jié)范圍應(yīng)為±58kHz。

一、課程教學(xué)方法和手段的改革

教學(xué)中要注重教學(xué)方法和手段的推陳出新，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，強(qiáng)調(diào)基本概念和原理的正確理解，教學(xué)中應(yīng)特別注意以下幾個(gè)方面。

(一)優(yōu)化教學(xué)方法上好“緒論”課，以知識(shí)的應(yīng)用提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。目前，有相當(dāng)一部分學(xué)生“信號(hào)與系統(tǒng)”學(xué)得不好，主要原因是學(xué)習(xí)積極性不高，看到滿篇的公式就害怕，由此對(duì)課程學(xué)習(xí)失去信心。針對(duì)這種情況，教師要在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性方面下功夫。教師需用啟發(fā)式教學(xué)取代以教師、課堂、課本為中心的灌輸式教學(xué)?？衫谩熬w論”課激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情:利用多媒體著重介紹數(shù)字信號(hào)處理在通信、語音和圖像處理等領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，如，手機(jī)的DSP芯片、門禁系統(tǒng)、心電信號(hào)濾波、數(shù)字圖像處理、視頻監(jiān)控、微信等，讓學(xué)生明白該課程的重要性及其應(yīng)用領(lǐng)域，提升學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的興趣與學(xué)習(xí)積極性。在教學(xué)過程中靈活設(shè)置教學(xué)情境，增加互動(dòng)環(huán)節(jié)，多做一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，拓展思維、增強(qiáng)信心。淡化公式推導(dǎo)，著重強(qiáng)調(diào)概念的物理意義和聯(lián)系。由于教材中大部分定理和結(jié)論是通過推導(dǎo)得出的，一些學(xué)生過于注重公式推導(dǎo)或證明。其實(shí)，授課時(shí)只需詳細(xì)推導(dǎo)典型公式，把一些重要的公式講清楚，類似的內(nèi)容可讓學(xué)生課后自學(xué)。課堂上教師要盡可能淡化推導(dǎo)和解題技巧，強(qiáng)調(diào)所得出結(jié)論的物理意義和工程應(yīng)用，將抽樣、頻譜分析、濾波等工程應(yīng)用案例穿插于理論教學(xué)中，讓工程應(yīng)用成為“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)中的主線，做到數(shù)學(xué)概念、物理意義、工程應(yīng)用三者并重，［4］提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的目的性和主動(dòng)性。突出重難點(diǎn)，靈活采用多種教學(xué)方法。教學(xué)過程中分清主次，重難點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)講、詳細(xì)講，較簡單的或應(yīng)用不多的內(nèi)容則少講或讓學(xué)生自學(xué)。教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活選取不同的教學(xué)方法，如案例法、比喻法、對(duì)比法等，［5］通過分析和歸納總結(jié)的方式優(yōu)化教學(xué)方法，分解復(fù)雜問題。如，講授線性卷積時(shí)，將待卷積的兩個(gè)序列看作站成兩排等待領(lǐng)導(dǎo)接見的群眾，而卷積運(yùn)算過程相當(dāng)于領(lǐng)導(dǎo)和所接見群眾依次握手的過程。教師要善于運(yùn)用幽默形象的語言和高超的藝術(shù)，把抽象而枯燥無味的知識(shí)變得生動(dòng)有趣。巧用對(duì)比法。對(duì)比法能潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生將相近或相似的概念和方法進(jìn)行小結(jié)、比較和分析，不僅能更好地理解不同內(nèi)容之間的共性和個(gè)性，而且能夠培養(yǎng)發(fā)散思維能力，提高學(xué)習(xí)效率，如圖2，將ZT、DFS、DTFT、DFT幾種變換通過圖表來比較，清晰地展現(xiàn)常見變量間的關(guān)系，避免混淆。為了讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)之間的聯(lián)系、用途有清晰的認(rèn)識(shí)，可利用“知識(shí)樹”的形式把每個(gè)章節(jié)的重點(diǎn)層層分解，將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)和應(yīng)用聯(lián)系起來，便于歸納和總結(jié)(如圖2)。講解IIR和FIR濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，先向?qū)W生講清為什么要設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器、有哪些應(yīng)用、設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器需要用到哪些知識(shí)。這樣，學(xué)生會(huì)自然而然地把所學(xué)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來。關(guān)注師生交流和信息反饋，重視因材施教。教師要根據(jù)不同專業(yè)和學(xué)生基礎(chǔ)等方面的差異，在講課方式和側(cè)重點(diǎn)上有所區(qū)別。教師要及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，幫扶“學(xué)困生”，提升“優(yōu)等生”。

(二)改革課堂教學(xué)模式傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)手段并用。運(yùn)用多媒體教學(xué)能使抽象難懂的教學(xué)內(nèi)容形象化、直觀化，提高教學(xué)效率。［6］但在實(shí)際的“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)中，過多地采用多媒體教學(xué)，教學(xué)效果并不理想。課堂中靈活運(yùn)用黑板板書、多媒體課件、Matlab或LabView軟件演示，可增強(qiáng)師生互動(dòng)。［7］難一點(diǎn)的公式推導(dǎo)和證明，仍然采用傳統(tǒng)板書方式教學(xué)，盡量放慢講課節(jié)奏，留給學(xué)生充裕的思考時(shí)間，達(dá)到深刻理解的目的。對(duì)于比較抽象的概念、原理或結(jié)論，如信號(hào)采樣及恢復(fù)、頻譜分析、循環(huán)卷積等，可借助多媒體技術(shù)將教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)、形象、高效地展示在學(xué)生面前，讓學(xué)生更清晰地理解其物理意義。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)或視頻資源共享平臺(tái)也可避免多媒體教學(xué)課堂容量大、教學(xué)內(nèi)容難消化的問題。課后，讓學(xué)生登陸網(wǎng)絡(luò)課程，彌補(bǔ)大班教學(xué)人數(shù)過多造成的師生溝通不便、信息反饋通道不暢的問題;通過網(wǎng)絡(luò)答疑、討論和激勵(lì)制度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與性。建立“學(xué)習(xí)共同體”教學(xué)模式?！皩W(xué)習(xí)共同體”是指由學(xué)習(xí)者及助學(xué)者(包括教師、專家、輔導(dǎo)員等)共同構(gòu)成的團(tuán)體。［8］共同體成員在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常溝通、交流，分享學(xué)習(xí)資源，共同完成特定學(xué)習(xí)任務(wù)，形成相互影響、相互促進(jìn)的學(xué)習(xí)組織。在大班教學(xué)中建立學(xué)習(xí)共同體，在課堂教學(xué)中形成師生互教、互學(xué)的互動(dòng)關(guān)系，教師在教學(xué)過程中給學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間，學(xué)生根據(jù)所接受的任務(wù)去發(fā)現(xiàn)、思考和解決問題，增進(jìn)協(xié)作和互動(dòng)，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從而改善課堂教學(xué)效果，提高學(xué)習(xí)效率。

(三)強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，高度重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)應(yīng)始終堅(jiān)持理論與實(shí)踐并重的原則。理論教學(xué)只是學(xué)習(xí)該門課程的一部分，將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，才能達(dá)到學(xué)以致用的目的。為此，必須加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。運(yùn)用仿真軟件教學(xué)。仿真軟件Matlab和Labview以其編程和調(diào)試簡單、代碼短、效率高等特點(diǎn)深受廣大教學(xué)和科研人員的歡迎，［9］廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域。結(jié)合幾年來“數(shù)字信號(hào)處理”課程的授課經(jīng)驗(yàn)，在課程中引入Matlab和Labview軟件，讓學(xué)生動(dòng)手完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)成就感，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)能力。CCS是TI公司推出的DSP軟件集成開發(fā)環(huán)境，它運(yùn)用圖形接口界面，提供工程管理和編輯工具。教師可以用2學(xué)時(shí)介紹DSP結(jié)構(gòu)、開發(fā)環(huán)境、DSP系列及其應(yīng)用實(shí)例。通過了解DSP仿真軟件CCS，為后續(xù)的DSP課程設(shè)計(jì)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容和工程應(yīng)用的融合?！皵?shù)字信號(hào)處理”教學(xué)應(yīng)堅(jiān)持以實(shí)踐性和應(yīng)用性為教學(xué)目的，分層設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡量減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。革除填鴨式教學(xué)，開展“項(xiàng)目導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、案例教學(xué)”的教學(xué)模式，結(jié)合學(xué)生情況，創(chuàng)設(shè)情境，教師提出任務(wù)，學(xué)生邊學(xué)邊練，完成自主學(xué)習(xí)任務(wù)，充分培養(yǎng)學(xué)生的再學(xué)習(xí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。［10］針對(duì)每一章的具體內(nèi)容，在講授理論知識(shí)之前先給學(xué)生一個(gè)具體的工程應(yīng)用例子，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生積極開動(dòng)腦筋，督促學(xué)生課后以小組為單位主動(dòng)查找相關(guān)資料，提出解決問題的方法和思路。如，在講授數(shù)字濾波器之前，教師可設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行去噪處理。同時(shí)，教師可以電子設(shè)計(jì)大賽等學(xué)科競賽為契機(jī)，以畢業(yè)設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性課題的研究，深入掌握信號(hào)處理理論，增強(qiáng)工程應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，做到學(xué)以致用。

二、考核方式的改革

1全自動(dòng)信封包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1電平轉(zhuǎn)換電路因?yàn)镈SP的GPIO端口所能承受的電平為3.3V，而解碼芯片HCTL_2021和光耦的輸出信號(hào)為5V。為了保證DSP的GPIO端口能正常工作，需要接入電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A，該芯片的功能是將5V電平轉(zhuǎn)化3.3V電平。

1.2解碼電路作為HCTL_2020的改良版，HCTL_2021在穩(wěn)定性和抗干擾方面都有著突出的表現(xiàn)。交流伺服電機(jī)的光電編碼器接入解碼芯片HCTL_2021。解碼芯片內(nèi)部具有計(jì)數(shù)功能，當(dāng)HCTL_2021捕捉到光電編碼器輸出正電平時(shí)計(jì)數(shù)值加1。解碼以后的數(shù)據(jù)經(jīng)8位數(shù)據(jù)線，依次將高8位和低8位輸出至DSP。同時(shí)為了節(jié)省引腳，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將4塊HCTL_2021并聯(lián)后接入DSP的GPIO端口。DSP通過軟件設(shè)置分時(shí)讀取解碼芯片的數(shù)據(jù)。

2全自動(dòng)信封包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1PID控制算法簡介按偏差的比例、微分、積分進(jìn)行控制的控制器叫PID控制器。數(shù)字PID控制器的原理框圖如圖3所示。其中，r(k)為系統(tǒng)給定值，e(k)為誤差，u(k)為控制量，c(k)實(shí)際輸出。PID控制器解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和抗干擾能力。Kp為比例系數(shù)；ki=(kp×T)/Ti為積分系數(shù)；kd=(kp×Td)/T為微分系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，T為積分周期。當(dāng)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)在運(yùn)行初期由于偏差過大，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)量u(k)過大，從而導(dǎo)致超調(diào)過大給系統(tǒng)帶來很大的沖擊。故需要對(duì)（1）式中的e(k)做一定的限幅處理。另外，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)以后，必然會(huì)產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)誤差，該誤差在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，如果控制器反復(fù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)勢(shì)必造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，系統(tǒng)必須設(shè)定一個(gè)輸出允許帶e0，即當(dāng)采集到的偏差|e(k)|<e0時(shí)，不改變控制量。PID控制程序流程圖如圖4所示。

2.2PID算法在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)由于本系統(tǒng)的同步控制由一主多從的模式來實(shí)現(xiàn)，所以，2、3、4號(hào)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)必須跟隨1號(hào)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)的變化。DSP中事件管理器模塊的定時(shí)器產(chǎn)生頻率可控的PWM波來控制伺服電機(jī)，PWM波的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，PWM波的個(gè)數(shù)控制電機(jī)的位置。設(shè)多伺服電機(jī)軸編碼器輸出脈沖數(shù)偏差值為e(k)，在k時(shí)刻電機(jī)的實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機(jī)軸同步速度偏差值。根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求可以設(shè)定允許偏差值的最大變化范圍△max，當(dāng)e(k)≤eM時(shí)，系統(tǒng)不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，當(dāng)e(k)>eM時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。本系統(tǒng)以TMS320F2812為控制器實(shí)現(xiàn)PID控制。在軟件中設(shè)置定時(shí)中斷，在中斷程序中，計(jì)算各從伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置并與1號(hào)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信號(hào)進(jìn)行比較，求出偏差值e(k)。經(jīng)PID調(diào)節(jié)，對(duì)于偏差做出快速反應(yīng)和補(bǔ)償。本系統(tǒng)的軟件處理采用增量式調(diào)節(jié)。（3）式中，△u(k)為1號(hào)伺服電機(jī)控制量增量，其中i=2，3，4；u1(k)、ui(k)、ui(k-1)、ui(k-2)分別是k、k-1、k-2時(shí)刻1號(hào)伺服電機(jī)及i號(hào)電機(jī)軸的編碼器輸出脈沖采樣值；Kp是比例系數(shù)；Ki是積分系數(shù)；Ki=KpT∑i；Kd是微分系數(shù)，Kd=KpT∑d；T是采樣周期；∑i是積分時(shí)間常數(shù)；∑d是微分時(shí)間常數(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；芯片；發(fā)展；應(yīng)用

摘要：數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)由于受運(yùn)算速度的限制，其實(shí)時(shí)性在相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)不如模擬信號(hào)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(shí)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(shí)數(shù)字信號(hào)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(dòng)控制、航天航空及醫(yī)療領(lǐng)域，取得了相當(dāng)?shù)某晒?。在載人航天領(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(hào)處理作為信號(hào)和信息處理的一個(gè)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(gè)領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。對(duì)信號(hào)在時(shí)域及變換域的特性進(jìn)行分析、處理，能使我們對(duì)信號(hào)的特性和本質(zhì)有更清楚的認(rèn)識(shí)和理解，得到我們需要的信號(hào)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(hào)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(shí)，處理系統(tǒng)只需通過改變軟件設(shè)計(jì)以適應(yīng)相應(yīng)的變化。2.精度高：信號(hào)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)。

1S7-300PLC程序結(jié)構(gòu)

STEP7有三種編程方法可供選用，它們是線性編程、分部式編程和結(jié)構(gòu)化編程。線性編程將整個(gè)用戶程序?qū)懺谝粋€(gè)指令連續(xù)的塊中，處理器線性地或順序地掃描程序的每條指令。該方法適用于比較簡單的控制任務(wù)。分部式編程將用戶程序分成相對(duì)獨(dú)立的指令塊，每個(gè)塊包含給定的部件組或作業(yè)組的控制邏輯。

2S7-300PLC在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

2.1模擬量信號(hào)的采樣在工業(yè)控制現(xiàn)場，被控變量往往分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個(gè)地方，因而計(jì)算機(jī)的工作環(huán)境惡劣，遭受干擾頻繁。這些干擾將會(huì)影響控制系統(tǒng)的測控精度，因此必須將其濾除，以下以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)采樣并進(jìn)行平滑處理的實(shí)例來具體說明S7-300PLC的具體應(yīng)用。該實(shí)例從兩方面入手，先是采樣現(xiàn)場受干擾的信號(hào)，然后通過在程序中設(shè)置對(duì)其進(jìn)行平滑處理。一些S7-300PLC的控制系統(tǒng)中，使用八通道模擬量模塊采集信號(hào)，當(dāng)模塊數(shù)量較多時(shí)，讀模擬輸入量就很繁瑣。但是我們可以通過軟件設(shè)計(jì)，方便地把模擬量讀回并順序存入數(shù)據(jù)塊中。我們可以定義：FC1——采樣子程序。在調(diào)用這個(gè)程序時(shí)還要注意以下幾個(gè)問題：(1)讀模擬量輸入模塊數(shù)據(jù)通道是否從數(shù)據(jù)字的第零位開始；(2)過程量的最大測量范圍；(3)數(shù)字量的有效值范圍。

2.2PLC對(duì)信號(hào)的平滑處理慣性濾波法的數(shù)字表達(dá)式為:Y(k)=a*x(k)+(1-a)*y(k-1)式中，a為濾波系數(shù)，且0<a<1。a＝采樣周期T/濾波時(shí)間常數(shù)Tf。我們可以定義：FC2——慣性濾波子程序。(2)下面是以西門子S7300PLC的語句表（STL）編寫的慣性濾波子程序。

3總結(jié)

1銜接相關(guān)課程,優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字信號(hào)處理理論性強(qiáng)、概念抽象、公式推導(dǎo)多,因此學(xué)習(xí)過程就變的枯燥乏味。為了讓學(xué)生能夠在有限的學(xué)時(shí)中對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)點(diǎn)有更好的理解和掌握,我們不只是需要對(duì)授課內(nèi)容有一個(gè)更精心的選擇和安排,還需要重點(diǎn)的講授該課程中的基本概念、關(guān)鍵的結(jié)論和物理涵義,并與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合,多以實(shí)例形象講解,而不是只進(jìn)行大量的公式推導(dǎo)。另外,還需要注意課程各知識(shí)點(diǎn)之間、課程與課程之間、各個(gè)專業(yè)之間所存在的交叉和滲透。如,“信號(hào)與系統(tǒng)”是數(shù)字信號(hào)處理的先修課程,該課程中大量存在離散信號(hào)與系統(tǒng)的內(nèi)容。那么,在制定數(shù)字信號(hào)處理課的教學(xué)內(nèi)容時(shí),即要避免與“信號(hào)與系統(tǒng)”課內(nèi)容的大量重復(fù),又要避免課程的不完整,那么可以壓縮與“信號(hào)與系統(tǒng)”相重復(fù)的內(nèi)容?？梢韵群唵蔚膹?fù)習(xí)一下第一章離散信號(hào)與系統(tǒng)理論,然后再討論數(shù)字信號(hào)處理中存在的具體問題。另外,為了讓學(xué)生把所學(xué)的知識(shí)更好的系統(tǒng)化,還需要鋪墊好后續(xù)課程[2]。例如:“帕塞瓦爾定理”與能量守恒原理相呼應(yīng),并且是現(xiàn)代信號(hào)處理中功率譜估計(jì)的基礎(chǔ);線性系統(tǒng)中有一重要運(yùn)算方式—“卷積”,而“自相關(guān)/互相關(guān)”是雷達(dá)信號(hào)處理中信號(hào)分離的基礎(chǔ);“離散Fourier變換(DFT)”則是時(shí)頻信號(hào)分析或窄帶信號(hào)分析的基礎(chǔ)。這些內(nèi)容的良好掌握可以為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),還可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)融會(huì)貫通,從而形成發(fā)散性的思維,用辯證發(fā)展的觀點(diǎn)來理解所學(xué)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)探索的能力。因此,加強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,優(yōu)選課程的相關(guān)內(nèi)容,兼顧學(xué)生之前的課程學(xué)習(xí)和未來的課程安排,做好課程內(nèi)容之間的銜接,提高學(xué)習(xí)的效率。

2結(jié)合實(shí)際問題使教學(xué)手段形象化

學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課中很多抽象的概念和公式不容易理解。因此,教學(xué)手段的形象化,可以使學(xué)生更感性和直觀地體會(huì)概念、公式及其原理的意義,更全面透徹地理解所學(xué)內(nèi)容。教學(xué)手段的形象化主要分為下面兩個(gè)方面。第一,結(jié)合含義學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)公式。數(shù)字信號(hào)處理課程中許多概念是用數(shù)學(xué)公式來描述的,其推導(dǎo)過程也比較復(fù)雜,涉及數(shù)學(xué)符號(hào)多,學(xué)生容易僅針對(duì)符號(hào)來推導(dǎo)符號(hào),容易忘記數(shù)學(xué)符號(hào)和公式背后的含義[3]。從而,在教學(xué)過程中,不僅要訓(xùn)練學(xué)生用口語表述數(shù)學(xué)公式,而且要著重理解公式所表示的物理含義,促進(jìn)學(xué)生緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開展學(xué)習(xí)。第二,在課堂教學(xué)中,大量使用仿真軟件展示結(jié)論或結(jié)果。MATLAB是數(shù)字信號(hào)處理課程中的常用的教學(xué)仿真軟件,配有功能非常全面的ToolBox,能輕松完成數(shù)字信號(hào)的分析和復(fù)雜處理,如:可以設(shè)計(jì)濾波器并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、顯示DFT結(jié)果的幅度譜、計(jì)算離散卷積等,也可以形成教學(xué)所用的多媒體素材。還可用MATLAB仿真某些抽象的公式和概念[4,5],利用圖形形象化的說明這些定理和概念,既生動(dòng)形象,又調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣。此外,讓學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí),提高其探索精神和動(dòng)手能力;結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的問題,設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)課題,使學(xué)生主動(dòng)地探索和研究,把學(xué)生按小組劃分,通過組內(nèi)協(xié)作和組間競爭的方式,讓學(xué)生在團(tuán)結(jié)合作中完成一個(gè)實(shí)際題目,增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。

3培養(yǎng)工程思維,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

工科院校的學(xué)生即需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ),還需要培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。從而,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)不斷加強(qiáng),培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于工程的能力。應(yīng)根據(jù)信號(hào)類專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的相關(guān)聯(lián)性,對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和編排,既兼顧到前課程—“信號(hào)與系統(tǒng)”中各實(shí)驗(yàn)間的聯(lián)系,還要為后續(xù)課程—“DSP原理與應(yīng)用”打下基礎(chǔ),即將本科四年的課程學(xué)習(xí)看成一個(gè)系統(tǒng),“數(shù)字信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)作為其中承上啟下的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)存在,應(yīng)達(dá)到加深之前知識(shí)的理解和鋪墊后續(xù)將要學(xué)習(xí)知識(shí)的目的?；诖?把初步了解和學(xué)習(xí)DSP的軟件環(huán)境CCS(CodeComposerStudio)加入到了“數(shù)字信號(hào)處理”的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)中,并將實(shí)驗(yàn)課程劃分成兩個(gè)層次,即基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要包括常見離散型號(hào)的產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、FFT算法的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等,使用工具主要為Matlab編程環(huán)境,主要目的是重現(xiàn)課本上的概念、定理等,加深學(xué)生理解,為后續(xù)的進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ);進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)主要是面向工程應(yīng)用和實(shí)際問題的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),如:CodeComposerStu-dio的入門實(shí)驗(yàn)、音頻信號(hào)發(fā)生實(shí)驗(yàn)、特定波形的信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)等,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中注意結(jié)合常見錯(cuò)誤設(shè)計(jì)相應(yīng)的問題,讓學(xué)生自主解決,老師在這一過程中僅起到指引解決問題方向的作用,不給出具體的解決方案和步驟,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立解決工程問題的能力。

第一篇

一、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在各個(gè)信息化領(lǐng)域的應(yīng)用狀況

（一）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無線通信技術(shù)中的運(yùn)用以往模擬信號(hào)處理受編程能力的制約，不能對(duì)工作頻率、新品編碼進(jìn)行編程控制，大大制約了無線通信的長足發(fā)展。而使數(shù)字信號(hào)處理FFT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量，這便直接決定了信息處理在芯片選擇中具有一定的靈活性，而且由于是16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到的精度高的特點(diǎn)，軟件無線電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、操作上，信號(hào)無疑是關(guān)鍵的因素，這樣接口方便、編程方便以及低功耗的DSP的出現(xiàn)，系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換的快速能力以及靈活性大大提升了。根據(jù)調(diào)查顯示，大部分的領(lǐng)域還是選擇數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)能夠?yàn)樽约核?，已滿足現(xiàn)在通信技術(shù)的需求，而且80%以上的多媒體、通信需要高速、精準(zhǔn)的信息技術(shù)。

（二）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)科學(xué)及相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提供可靠的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)多機(jī)并且比較快速的采集信息、并且精準(zhǔn)的處理好各種龐雜的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)起來既方便由靈活。

二、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的前景展望

（一）更高精度的計(jì)算速度精度”當(dāng)之無愧對(duì)于龐大的信息處理是最顯著的因素。數(shù)字信息處理技術(shù)靈活、精準(zhǔn)信息處理，快速又高效，所以現(xiàn)在被應(yīng)用到很多領(lǐng)域。