時間：2023-03-24 15:20:46
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［關鍵詞］LabVIEW；數字信號處理；教學；應用
在當前計算機信息技術不斷發展的形勢下，數字信號作為其中的一部分，與之相對應的數字信號課程也同樣占據著非常重要的地位。數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，在數字信號的學習過程中，由于書本中的知識點或者是一些概念大多都以一種比較抽象的方式呈現，再加上教學方法和教學手段單一，具有一定的局限性。在這種形勢下，數字信號課程的教學質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引入課程輔助教學中，不僅能夠讓學生以一種簡單化的方式來進行知識的學習，而且能夠取得良好的教學效果。
一、LabVIEW與數字信號處理
LabVIEW的程序設計與傳統文化程序設計相比，具有明顯的差異性。LabVIEW在實際應用過程中，主要是利用圖形化語言，通過使用功能節點，與圖形化自身的程序流程進行有效結合，這樣不僅能夠利用流程控制結構來對程序功能進行有效的控制，而且能夠促使程序在設計過程中，其自身的形象更加直觀化。這樣一來，能夠從根本上簡化內存分配、程序調試以及多線程序等程序設計細節，這樣能夠促使學生在學習過程中，將精力放到問題的實際解決方面，這樣才能夠保證最終的教學效果。在程序結構的設計和使用過程中，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，實現程序界面的美觀性，將其自身的影響和作用充分發揮出來[1]。對于其中的顯示控件，可以根據實際情況，對其進行相應的設置，從而實現豐富的曲線、圖形以及圖象的整體顯示。在實際應用過程中，可以發現LabVIEW在GUI以及程序設計過程中，其自身的形象化與Matlab軟件之間有非常大的優勢。在數字信號處理教學中，LabVIEW能夠從根本上實現測量以及自動化的應用數據分析，其自身有非常強大的數字信號處理函數節點，在實際應用過程中，能夠發揮非常有效的作用[2]。在實際操作過程中，其自身按照信號生成、運算、濾波器以及其他功能的提供，有利于對這些內容進行切實有效的查找和分析，這些功能在數字信號處理教學過程中，不僅有利于使用，而且能夠取得良好的教學效果。
二、LabVIEW與虛擬儀器
虛擬儀器是一種在計算機基礎上的自動化測試儀器系統，在實際應用過程中，能夠發揮非常良好的作用。虛擬儀器在實際應用過程中，主要是通過自身的軟件，將計算機的一些硬件資源與儀器硬件進行有效結合，這樣不僅能夠從根本上提升計算機自身的處理能力，而且能夠促使其自身與儀器硬件的測量以及控制進行有效結合，從而發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用，實現對數據的顯示、儲存以及處理，以保證最終的處理結果。LabVIEW是美國一家儀器公司推出的虛擬儀器開發平臺軟件，主要是利用圖形化的編程語言，打破了傳統軟件的局限性。傳統軟件在應用過程中，基本上都需要相對應地進行程序代碼的編寫和應用，但是LabVIEW則主要是利用流程圖或者是程序框圖來實現。這樣不僅能夠從根本上讓編程者感受到強大的圖形化編程語言方式，而且具有一定的靈活性。由于自身在實際應用過程中，被廣泛應用到各個行業以及領域中，已經逐漸被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。利用LabVIEW軟件有利于建立屬于學生自身的虛擬儀器，其自身的圖形化界面能夠促使學生在接觸編程的過程中感受到樂趣[4]。
三、LabVIEW在數字信號處理教學中的應用優勢
在實際教學過程中，LabVIEW圖形化的語言直覺特性能夠讓學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用開發的基礎上，將關注點全放在編程的一些細節方面。將LabVIEW應用到數字信號處理教學中，不僅能夠促使學生在短時間內對基礎理論知識進行深入的了解和學習，而且能夠讓學生適當地開發出一些復雜的應用程序，對學生的理論知識學習以及動手實踐操作能力的提升來說，都有非常重要的作用[5]。在LabVIEW的應用過程中，教師要注重將課本上一些理論性比較強的知識轉換成為直觀性比較強的知識，這樣不僅有利于學生的理解和認識，而且能夠加深學生對理論知識的印象。促使學生在保證積極性和學習主動性越來越高的同時，能夠取得良好的學習效果，促使數字信號處理教學的整體質量和水平能夠有所提升。
四、LabVIEW在數字信號處理教學中的實際應用分析
（一）濾波器的設計與應用
數字濾波器的設計是數字信號處理教學實施過程中的重點教學部分，同時也是教學過程中的難點部分，對學生的學習來說，很容易形成一定的阻礙影響。在對濾波器的設計過程中，由于其自身的整個過程運算量比較大，并且要根據實際情況的不同，對濾波器進行設計，從而達到不同的濾波效果，在實際應用過程中，才能夠將其自身的影響和作用充分發揮出來，達到最優的設計水平[6]。在這種形勢下，如果利用LabVIEW軟件來進行計算機的輔設計，不僅能夠從根本上減少計算量，而且能夠實現快速有效的濾波器數字設計，幫助學生將一些抽象的知識以一種直觀簡單的方式呈現出來，在保證學生學習興趣不斷提升的同時，從根本上保證數字信號處理教學的整體質量和水平有所提升。在LabVIEW實際應用過程中，結合濾波器的形成原理，設計的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，對各種控件進行切實有效的操作，對相關的參數進行設置，對濾波器的類型以及窗函數進行選擇，在保證濾波器自身的價值充分發揮出來時，能夠從根本上起到良好的教學輔助作用。在實際的設計過程中，可以利用控制前面板上開關或者是按鈕，通過鍵盤以及鼠標的操作，將其自身與濾波器的幅頻、相頻特性進行有效結合，促使其自身能夠滿足設計的整體需求。在實際設計過程中，可以對參數以及濾波器類型進行切實有效的調整和分析，根據實際情況采取有針對性的措施，在保證能夠達到最佳效果的同時，促使學生在學習過程中更容易地接受一些難點[7]。
（二）信號的頻譜分析
在數字信號處理教學的實際開展過程中，在對數字信號進行分析的時候，基本上可以從兩個方面來進行，其中包括時間域、頻率。有些在時間域方面表現出的復雜信號在轉換到頻率域時可能會比較簡單，比如說在實際應用過程中，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合理的流程來展示的，經常是以一種沒有序列的方式呈現。但是一旦轉換到頻率域中，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字信號處理中占據著非常重要的地位。離散傅里葉變換是對數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，學生可以通過對相關參數進行調節，直觀地看出離散傅里葉在實際變換過程中的作用。其自身存在的頻譜泄露現象以及柵欄效應，能夠從根本上加深學生對數字信號處理等相關理論知識的印象。
（三）聲音的現場采集
在數字信號處理教學的實施過程中，為了從根本上保證學生在學習過程中的有效性，就需要將LabVIEW應用其中，將其自身的影響和作用充分發揮出來，在保證充分調動起學生積極性和主動性的同時，有效地提高數字信號處理教學的整體質量和水平。在進入課程教學階段之后，為了說明信號與實際生活之間的密切聯系，在LabVIEW的應用過程中，通過對其進行簡單的設計和分析，可以利用PC的聲卡和麥克風實現在教學課堂現場的聲音采集，并且利用多媒體技術將聲音采集后的內容顯示在投影儀上。在實際應用過程中，由于采集的是實際信號，并且其自身是處于連續動態實時顯示的形勢下，學生可以直接以枝干的形式看到信號的具體形態特征。這樣不僅能夠從根本上激發起學生的學習興趣和學習積極性，而且能夠意識到信號在生活中的重要性和必要性。無論是對學生的學習還是數字信號處理教學的整體質量和水平來說，都有非常重要的作用。
綜上所述，LabVIEW在數字信號處理教學過程當中的實際應用，不僅能夠從根本上調動起學生的學習興趣和學習積極性，而且能夠保證數字信號處理的整體教學質量和水平有所提升。將LabVIEW應用到數字信號處理教學中，能夠將原本比較復雜難懂的知識以一種簡單的方式呈現出來，讓其能夠成為數字信號處理教學中非常有效的輔工具，將其自身的影響和作用發揮出來，為數字信號處理教學的質量提升提供保障。
作者:何海浪 黃乘順 單位:邵陽學院信息工程系
參考文獻：
［1］張易知，肖瀟，張喜斌，等.虛擬儀器的設計與實現［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2010-02.
［2］謝啟，溫曉行，高琴妹，等.LabVIEW軟件中菜單形式的用戶界面設計與實現［J］.微計算機信息，2010（9）.
［3］譚勇.LabVIEW在數字信號處理課程教學中的應用［J］.中國現代教育裝備，2012（8）.
［4］姜利英，張艷.LabVIEW在數字信號處理教學中的應用［J］.中國電力教育，2011（9）.
［5］馬永力.LabVIEW在數字信號處理中的應用［J］.科技廣場，2010（7）.
［6］蔡小慶，魯小利，王菊，等.仿真軟件在《數字信號處理》教學中的應用［J］.信息技術與信息化，2015（3）.
另外一類是需要用復雜算法對大量數據進行處理的應用，例如聲納探測和地震探測等，也需要用DSP器件。該類設備的批量一般較小、算法要求苛刻、產品很大而且很復雜。所以設計工程師在選擇處理器時會盡量選擇性能最佳、易于開發并支持多處理器的DSP器件。有時，設計工程師更喜歡選用現成的開發板來開發系統而不是從零開始硬件和軟件設計，同時可以采用現成的功能庫文件開發應用軟件。
在實際設計時應根據具體的應用選擇合適的DSP。不同的DSP有不同的特點，適用于不同的應用，在選擇時可以遵循以下要點。
算法格式
DSP的算法有多種。絕大多數的DSP處理器使用定點算法，數字表示為整數或-1.0到+1.0之間的小數形式。有些處理器采用浮點算法，數據表示成尾數加指數的形式：尾數×2指數。
浮點算法是一種較復雜的常規算法，利用浮點數據可以實現大的數據動態范圍(這個動態范圍可以用最大和最小數的比值來表示)。浮點DSP在應用中，設計工程師不用關心動態范圍和精度一類的問題。浮點DSP比定點DSP更容易編程，但是成本和功耗高。
由于成本和功耗的原因，一般批量產品選用定點DSP。編程和算法設計人員通過分析或仿真來確定所需要的動態范圍和精度。如果要求易于開發，而且動態范圍很寬、精度很高，可以考慮采用浮點DSP。
也可以在采用定點DSP的條件下由軟件實現浮點計算，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”，利用該方法將具有相同指數，而尾數不同的一組數據作為數據塊進行處理?！皦K浮點”處理通常用軟件來實現。
數據寬度
所有浮點DSP的字寬為32位，而定點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、管腳數量以及需要的存儲器的大小等有很大的關系，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，成本相應地增大。在滿足設計要求的條件下，要盡量選用小字寬的DSP以減小成本。
在關于定點和浮點的選擇時，可以權衡字寬和開發復雜度之間的關系。例如，通過將指令組合連用，一個16位字寬的DSP器件也可以實現32位字寬雙精度算法(當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DSP器件的指令字和數據字的寬度一樣，也有一些不一樣，如ADI(模擬器件公司)的ADSP-21XX系列的數據字為16位而指令字為24位。
DSP的速度
處理器是否符合設計要求,關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，即處理器執行最快指令所需要的時間。指令周期的倒數除以一百萬，再乘以每個周期執行的指令數，結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量不一樣，單純地比較指令執行時間并不能公正地區別性能的差異?，F在一些新的DSP采用超長指令字(VLIW)架構，在這種架構中，單個周期時間內可以實現多條指令，而每個指令所實現的任務比傳統DSP少，因此相對VLIW和通用DSP器件而言，比較MIPS的大小時會產生誤導作用。
即使在傳統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行移位，而有些DSP的一個指令只能對單個數據位移位；有些DSP可以進行與正在執行的ALU指令無關的數據的并行處理(在執行指令的同時加載操作數)，而另外有些DSP只能支持與正在執行的ALU指令有關的數據并行處理；有些新的DSP允許在單個指令內定義兩個MAC。因此僅僅進行MIPS比較并不能準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)作為標準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DSP中，MAC操作僅在單個指令周期內實現，其MAC時間等于指令周期時間，如上所述，某些DSP在單個MAC周期內處理的任務比其它DSP多。MAC時間并不能反映諸如循環操作等的性能，而這種操作在所有的應用中都會用到。
最通用的辦法是定義一套標準例程，比較在不同DSP上的執行速度。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榜的MOPS(百萬次操作每秒)和MFLOPS(百萬次浮點操作每秒)參數，因為不同的廠商對“操作”的理解不一樣，指標的意義也不一樣。例如，某些處理器能同時進行浮點乘法操作和浮點加法操作，因而標榜其產品的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，可以使用外部低頻時鐘產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MAC執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據字。有多種方法實現這種讀取，包括多接口存儲器(允許在每個指令周期內對存儲器多次訪問)、分離指令和數據存儲器(“哈佛”結構及其派生類)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據讀取)。圖2和圖3顯示了哈佛存儲器結構與很多微控制器采用的“馮·諾曼”結構的差別。
另外要注意所支持的存儲器空間的大小。許多定點DSP的主要目標市場是嵌入式應用系統，在這種應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)，備有窄的外部數據總線。另外，絕大多數定點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DSP的片上存儲器很小，甚至沒有，但外部數據總線寬。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據存儲器。
選擇DSP時，需要根據具體應用對存儲空間大小以及對外部總線的要求來選擇。
開發的簡便性
對不同的應用來說，對開發簡便性的要求不一樣。對于研究和樣機的開發，一般要求系統工具能便于開發。而如果公司在開發下一代手機產品，成本是最重要的因素，只要能降低最終產品的成本，一般他們愿意承受很煩瑣的開發，采用復雜的開發工具(當然如果大大延遲了產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工具(包括匯編、鏈接、仿真、調試、編譯、代碼庫以及實時操作系統等部分)、硬件工具(開發板和仿真機)和高級工具(例如基于框圖的代碼生成環境)。利用這些工具的設計過程如圖4所示。
選擇DSP器件時常有如何實現編程的問題。一般設計工程師選擇匯編語言或高級語言(如C或Ada)，或兩者相結合的辦法?，F在大部分的DSP程序采用匯編語言，由于編譯器產生的匯編代碼一般未經最優化，需要手動進行程序優化，降低程序代碼大小和使流程更合理，進一步加快程序的執行速度。這樣的工作對于消費類電子產品很有意義，因為通過代碼的優化能彌補DSP性能的不足。
使用高級語言編譯器的設計工程師會發現，浮點DSP編譯器的執行效果比定點DSP好，這有幾個原因：首先，多數的高級語言本身并不支持小數算法；其次，浮點處理器一般比定點處理器具有更規則的指令，指令限制少，更適合編譯器處理；第三，由于浮點處理器支持更大的存儲器，能提供足夠的空間。編譯器產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現編程，都必須注意調試和硬件仿真工具的使用，因為很大一部分的開發時間會花在這里。幾乎所有的生產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試很有幫助。如果所用的是高級語言，對高級語言調試器功能進行評估很重要，包括能否與模擬機和/或硬件仿真器一起運行等性能。
大多數DSP銷售商提供硬件仿真工具，現在許多處理器具有片上調試/仿真功能，通過采用IEEE1149.1JTAG標準的串行接口訪問。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，然后通過掃描處理器內部寄存器來查看處理器到達斷點后寄存器的內容并進行修改。
很多的生產商都可以提供現成的DSP開發系統板。在硬件沒有開發完成之前可用開發板實現軟件實時運行調試，這樣可以提高最終產品的可制造性。對于一些小批量系統甚至可以用開發板作為最終產品電路板。
支持多處理器
在某些數據計算量很大的應用中，經常要求使用多個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設計的專用硬件。
電源管理和功耗
DSP器件越來越多地應用在便攜式產品中，在這些應用中功耗是一個重要的考慮因素，因而DSP生產商盡量在產品內部加入電源管理并降低工作電壓以減小系統的功耗。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遠低于5V供電的同類產品。
b.“休眠”或“空閑”模式：絕大多數處理器具有關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，而在另外一些情況下，只有設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未用到的電路的工作。
不管電源管理特性怎么樣，設計工程師要獲得優秀的省電設計很困難，因為DSP的功耗隨所執行的指令不同而不同。多數生產商所提供的功耗指標為典型值或最大值，而TI公司給出的指標是一個例外，該公司的應用實例中詳細地說明了在執行不同指令和不同配置下的功耗。
成本因素
在滿足設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。首先，處理器的價格在持續下跌；第二點，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：數字信號處理(DSP)系統由于受運算速度的限制，其實時性在相當的時間內遠不如模擬信號處理系統。從80年代至今的十多年中，DSP芯片在運算速度、運算精度、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展，開發工具和手段不斷完善。DSP芯片有著非?？斓倪\算速度，使許多基于DSP芯片的實時數字信號處理系統得以實現。目前，DSP芯片已應用在通信、自動控制、航天航空及醫療領域，取得了相當的成果。在載人航天領域，基于DSP芯片的技術具有廣闊的應用前景。
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
數字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術開發、工業生產、國防和國民經濟的各個領域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。數字信號處理系統的優越性表現為：1.靈活性好：當處理方法和參數發生變化時，處理系統只需通過改變軟件設計以適應相應的變化。2.精度高：信號處理系統可以通過A/D變換的位數、處理器的字長和適當的算法滿足精度要求。3.可靠性好：處理系統受環境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規模集成：隨著半導體集成電路技術的發展，數字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產品一致性好等優點。
然而，數字信號處理系統由于受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間內遠不如模擬信號處理系統，使得數字信號處理系統的應用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數字信號處理器，是一種特別適合進行數字信號處理運算的微處理器。DSP芯片的出現和發展，促進數字信號處理技術的提高，許多新系統、新算法應運而生，其應用領域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫療等領域。
DSP芯片的發展
70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標志著DSP芯片的開端。隨著半導體集成電路的飛速發展，高速實時數字信號處理技術的要求和數字信號處理應用領域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400ns降低到40ns以下，數據處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現在的40MIPS以上。DSP芯片內部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區的40%左右下降到小于5%，片內RAM增加了一個數量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數目從80年代初最多64個增加到現在的200個以上，引腳數量的增多使得芯片應用的靈活性增加，使外部存儲器的擴展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現在的DSP芯片有浮點和定點兩種數據格式，浮點DSP芯片能進行浮點運算，使運算精度極大提高。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開發系統方面，軟件和硬件開發工具不斷完善。目前某些芯片具有相應的集成開發環境，它支持斷點的設置和程序存儲器、數據存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，并可以采用高級語言編程，有些廠家和一些軟件開發商為DSP應用軟件的開發準備了通用的函數庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應用軟件開發更為方便，開發時間大大縮短，因而提高了產品開發的效率。
目前各廠商生產的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1.在一個周期內可完成一次乘法和一次累加。
2.采用哈佛結構，程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據。
3.片內有快速RAM，通?？梢酝ㄟ^獨立的數據總線在兩塊中同時訪問。
4.具有低開銷或無開銷循環及跳轉硬件支持。
5.快速中斷處理和硬件I/O支持。
6.具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器。
7.可以并行執行多個操作。
8.支持流水線操作，取指、譯碼和執行等操作可以重疊進行。
DSP芯片的應用
隨著DSP芯片性能的不斷改善，用DSP芯片構造數字信號處理系統作信號的實時處理已成為當今和未來數字信號處理技術發展的一個熱點。隨著各個DSP芯片生產廠家研制的投入，DSP芯片的生產技術不斷更新，產量增大，成本和售價大幅度下降，這使得DSP芯片應用的范圍不斷擴大，現在DSP芯片的應用遍及電子學及與其相關的各個領域。
典型應用(1)通用信號處理：卷積，相關，FFT，Hilbert變換，自適應濾波，譜分析，波形生成等。(2)通信：高速調制/解調器，編/譯碼器，自適應均衡器，仿真，蜂房網移動電話，回聲/噪聲對消，傳真，電話會議，擴頻通信，數據加密和壓縮等。(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，機器人視覺，電子地圖，圖像增強與識別，圖像壓縮和傳輸，動畫，桌面出版系統等。(5)自動控制：機器人控制，發動機控制，自動駕駛，聲控等。(6)儀器儀表：函數發生，數據采集，航空風洞測試等。(7)消費電子：數字電視，數字聲樂合成，玩具與游戲，數字應答機等。
在醫學電子學方面的應用如同其它數字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫學圖像處理，醫學圖像重構等領域，如CT、核磁成象技術等方面得到了廣泛的應用，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的進展(文獻［1,2］)。國內、外也有關于腦電、心電、心音和肌電信號處理方面基于DSP芯片系統的報道(文獻［4～7］)，我們對1996年以前國外生物醫學工程的部分核心期刊，如IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,ComputersandBiomedicalResearch等核心期刊進行檢索，有關基于DSP芯片處理系統的報道很少。對國內生物醫學工程的核心期刊，如《中國醫療器械雜志》、《中國生物醫學工程雜志》、《生物醫學工程學雜志》和《中國生物醫學工程學報》等刊物進行檢索，未見有關基于DSP芯片系統方面的報道。對我所的光盤數據庫進行檢索，未見有關在航天醫學方面應用的報告。
我們認為在生理信號處理領域基于DSP芯片的技術可以解決我們在實際工作中遇到的某些問題，如當生理信號數據量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對復雜時，現有的微機在實時采樣、處理、存儲和顯示方面往往不能滿足實際應用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機構成主從系統可以較好地解決這類問題。
載人航天領域中信號傳輸帶寬的限制需要對生理數據進行實時壓縮；大型實驗中對龐大的數據進行實時處理依賴于數字處理系統的構成；載人航天中對數據處理精度，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造處理系統中選擇性能優良的芯片。我們認為將DSP技術應用于載人航天領域具有十分重要的意義。
結束語
以DSP芯片為核心構造的數字信號處理系統，可集數據采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現數字信號處理系統的優越性，能很好地滿足載人航天領域設備測量精度、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展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應用技術和開發手段在不斷完善。這樣為實時數字信號處理的應用——尤其是在載人航天領域中的應用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發展和應用將會對載人航天信號處理領域產生深遠的影響。
［參考文獻］
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關鍵詞：二維信號處理
一、隨著集成電路的運算速度更快，集成度更高，就有可能耐復雜目益增加均一些多維數字信號處理。
所它在最近才開始出現的一個新領域。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：計算機輔動斷層成術(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，源聲納陣列的設計及通過人造衛星地球資源。多維數字信號處理除具有許多引人注目和淺顯易行的應用之外，它還具有堅賣的數學基礎，這不僅使我們能了解它的實現情況，而且當新問題出現時，也當及時解決。
典型的信號處理任務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的存儲器中，在這種情況下，信息是從可變的銀粒密度轉換戌可見光束，再變成電的波形，最后變戍數字的序列，隨后該數字序列用。磁盤上磁疇的排列來表示CAT掃描器是一個比較復雜，經過處理，最后顯赤射線管(CRT)的熒光屏上或膠片上。數字處理能增加信息，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一一信息的重新排列和信息的壓縮。
二、數字信號處理涉及到用數的序列表示的信號的處理，而多維數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字硬件處理，同時可以將信號處理的運算規定為算法。
促使人們采用數字方法的是不言而喻的。數字方法既有效靈活。我們可以用數字系統使其有自適應性并易于重新組合?？梢院芊奖愕匕褦底炙惴ㄓ梢粋€廠商的設備上轉換到另一個廠商的設備上去，或者把專用數字硬件來實現。同樣，數字算法也可用來處理作為時間函數或空間信號，數字算法自然地和邏輯算符如模式分類相聯系。數字信號能夠長時間無差錯地存儲。對很多種應用而言，數字方法Ⅸ其它方法更為簡單，對另外一些應用，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，想在多維序列上實現的多運算，例如抽樣、濾波和交換等，用于一維序列，然而，嚴格芯說，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據量大得多；(2)處理多維系統在數些上不如處理一維系統那樣完備；(3)多維信號處理有更多的自由度，這給系統設計音以一維情況中無法比擬的靈活性。雖然所有遞歸數字濾波器都是用差分方程實現的，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，我們可以調整速率。而且也可以調整抽排列。從另一方面來說，多維多項式不能進行因式分解，而一維多項式是可以進行因式分解的。因而在多維情況下，我們不能論及孤立的極，氣、孤立的零點及孤立的根。所以，多維信號處理與一維信號處理有相當大的差別。在20世紀60年代初期，用數字系統來模仿模擬系統的想法，使得一維數字信號處毫的各種方法得到了發展。這樣，仿照模擬系統理論，創立了許多離散系統理論。隨后，當數字系統可以很好地模仿模擬系統時，人們認識到數字系統同時也可以完成更多的功能。由丁這種認識及數字硬件工藝的有力推動，數字信號處理得到了發展，而且現今很多通用的方法，已成為數字方法所特有的，沒有與其等效的模擬方法，在發展多維數字信號處理時，可觀察到同一發展趨向。因為沒有連續時間的(或模擬的)二維系統理論可以仿效，因而最初的二維系統是以一維系統為基礎的，80年代后期，多數二維信號處理都是用可分的二維系統。可分的二維系統與用于二維數據的一維系統幾乎沒有差別。隨后，發展了獨特的多維算法，該算法相當于一維算法的邏輯推理。這是一段失敗的時期，由干許多二維應用要求數據量很大，且IT缺少二維多項式太分解理論，很多一維方法不能很好地推廣到二維上來。我們現在正處于認識的萌芽時代。計算機工業以其部件的小型化和價格日趨低廉而有助于我們解決數據量問題。盡管我們總是受限于數學問題，但仍然認識到，多維系統也給了我們新的自由度。以上這些，使得該領域既富于挑戰性又無窮樂趣，電子信息技術的結合之軟件結臺，傳統產業中可用電產信息技術的地方，仍然可以在生產或很低的條件下使用人力或傳統機械。電予信息技術應到限制，在不同領域和不同水平有各種原因，但爛有一個共大原因是缺乏認識。沒有認識，便沒有應層。
事實上，在一維和二維信號處理理論之間有實質性的差別，而在二維和更高維之間，除了計算上的復雜世方耐差異之外，似乎差別較小。
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1.1充分了解前期課程情況
首先，授課教師應在課前充分了解《數字信號處理》課程的全部教學內容中有哪些涉及前期的預修課程，并將所有涉及的課程和對應的知識點羅列出來。然后，教師應了解學生是否全部學習過所有的預修課程和所包含的知識點。（1）對于已經學過的預修課程，教師逐一查閱相關教材，摘出本課程中涉及到的知識點所對應的應用條件、關鍵內容、主要結論以及必要的推導過程等。以《高等數學》為例，本課程涉及到的知識點主要有：反函數和復合函數求導、等比級數求和、歐拉公式、傅里葉級數和微分方程求解等。（2）如果有某一門課程沒有學過，例如我校沒有開設《積分變換》課程，那教師就應從更基礎的《高等數學》課程出發，將本課程所涉及的知識推導出來，以便在課堂授課中補充，或作為參考資料提供給學生自學。（3）有些知識點雖然在預修課程中有所涉及，但可能不是重點或不夠系統，那教師就應根據前期所學知識，結合本課程需要，進行必要的歸納總結，以便學生根據個人學習情況參閱。例如本課程中數字濾波器設計是授課的重點內容，其中需要掌握模擬濾波器設計的相關知識，但是預修課程中并沒有系統講述，因此教師就應整理各種模擬濾波器的公式、特點和設計方法并將其融合到授課過程中。由于《數字信號處理》本身就是一個嚴格的理論體系，其中所有的定理和性質都是可推導或可證明的，而且推導和證明過程也是要求學生掌握的，因此教師在授課中就必須保證所有的推導過程都是學生以自身所掌握的知識可以理解和獨立完成的。
1.2建立通暢的師生交流渠道
首先，應轉變觀念，即使在大學高年級，課程教學也應該是以學生良好掌握本課程的知識和技能為標準，而不應僅僅是完成教學任務。這就要求教師和學生之間具有良好、通暢的交流渠道，以便教師能及時了解學生的學習進展情況、學習過程中存在的疑問以及對課程學習的建議和意見等。同時，也便于教師及時通知學生應預先復習的知識和應準備的材料、對學生提問的答復以及對后續課程教學的調整等。因此，建立通暢的師生交流渠道非常必要。我們認為師生的交流渠道應是多方面的，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行，所有參與授課的教師和全體學生面對面座談，從而實現初步的了解。（2）課代表制：在學生中選擇一名同學作為本課程的代表，負責收集學生中的問題、意見等并及時反饋給教師，同時將教師的通知及時傳達給所有學生。（3）公布教師的辦公室地址、電話和E-mail：讓每一名學生都能找到教師，以便提出問題并得到教師的輔導。（4）《數字信號處理》網絡課程平臺：本課程已經構建了較為完善的網絡課程，其中包括課程授課幻燈、教案、典型習題、課程電子公告片率系統（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）晚自習答疑：每周安排一個晚自習由1名授課教師到學生自習的教室進行答疑，學生如有課程學習中的疑問可以自由提問。通過上述措施，在教師和學生之間構建全方位、全覆蓋的交流渠道，既包含了傳統的見面輔導形式，也引入了學生中流行的即時通信工具，從而可以保證學生面對面或不見面地提出學習中的疑難問題，便于教師了解和掌握學生的學習狀態。
1.3在作業批改和實驗過程中深層次了解
前面的師生交流，更注重學生主動提出問題，以尋求教師的答復。不過在我們的教學經歷中，有些學生不擅長或者不習慣主動提問題，而喜歡等待接受教師講解的課程內容。這樣，教師就不容易把握學生的個人學習情況，也就難以進行個性化教學?！稊底中盘柼幚怼氛n程注重理論知識的學習，因此教師每講授一部分內容都會給學生布置一些習題作業。我們的要求是學生在作業中要寫出完整的解題步驟，提倡學生拋棄草稿紙，將所有的中間過程都寫到作業本上。通過對作業的批改，教師就能從中發現每個學生對課程內容的掌握情況，及時發現問題?！稊底中盘柼幚怼氛n程也強調理論知識的運用，因此安排了接近1/3的學時用于上機編程實驗。學生利用課堂所學理論知識在計算機上編程實現，并將結果顯示出來。但是這個過程并不一定是一個順理成章的事情，大部分學生都不能夠一次完成。因此，教師應不停地巡視每個學生的編程過程，及時發現問題并給出建議。
2個性化教學方法
開展個性化教學，并不是進行個別教學，也不是要否定傳統的課堂授課。我們認為個性化教學是對課堂授課的補充和完善。另外，個性化包含2層含義：一是不同年級的學生之間存在差異，教師需要針對性地調整或強調授課內容；二是不同學生之間知識背景存在差異，教師應進行個別輔導。
2.1課堂上重點講解共性難點
通過前期多種形式的師生互動，教師對學生的知識背景應該有較全面的了解，特別是要掌握可能缺失的知識點。在課程備課和幻燈制作過程中，教師就應有針對性地對存在的共性問題進行重點準備，例如對涉及前期預修課程中的知識點進行提示或回顧，對學生缺失的知識進行補充，對前期不系統的知識進行歸納和整理。在課堂授課過程中，不斷觀察學生的學習狀態，發現多數人有疑問時應反復講解，必要時輔以板書推導。同時，鼓勵學生在上課過程中主動提問，并在每次課結束前預留3~5min進行簡短答疑。另外，對后續課程學習中可能涉及的預修知識應要求學生進行復習。
2.2合理布置作業并認真批改
教師布置給學生課后完成的作業應涵蓋主要的授課內容，應有一定的題量，期望學生通過做作業復習重點知識，特別是綜合運用已學過的知識分析和解決問題。教師應重視對學生作業的批改，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。曾出現過某一道并不難的作業卻有很多學生做錯的情況，對此種情況，教師要不怕麻煩對每一個學生都給予糾正，避免疏漏。而且《數字信號處理》課程習題的突出特點是一題多問，后面的問題需要前面問題正確的結果作條件，常常出現第一問解題錯誤，導致后面幾問即使方法得當也無法得到正確的結果。對此種情況，教師不僅要指出第一次出錯的地方，而且還應對后續求解的方法予以評價，便于學生自己改錯。教師對所有學生作業中存在的問題還應及時歸納。由于學生做作業和教師批改作業都需要一定的時間，一般會有2周的延時，因此教師應注意利用后續授課中的點滴空閑時間或少量的課后時間，進行作業情況的分析。這一做法往往頗受學生的喜愛。
2.3利用課間進行個別輔導
一般每次授課是2個學時連在一起上，學時之間有10min的休息時間。教師應注意在課間主動走到學生中間，這樣會無形之中鼓勵學生主動提問。我們在教學中發現，當教師站在講臺上時，學生要提問可能需要更多的勇氣；而如果教師走到學生身邊時，學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生進行個別輔導。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效果，節省了猜測和估計的時間。
2.4在線響應學生提問
除了鼓勵學生在課堂上提問外，教師應接受并適應學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。上述2種提問方式類似于實時和非實時的關系，這本就是數字信號處理技術的突出優點，而且新的交流工具實際上也是數字信號處理技術進步的體現。作為教授本課程的教師也應緊跟時代的步伐，讓學生感覺與教師之間沒有代溝，更重要的是讓學生對本課程產生更濃厚的興趣，激發主動學習的熱情。
2.5讓學生獨立完成編程實驗
計算機編程實驗是《數字信號處理》課程教學的重要組成部分，我們要求給學生提供單人單機的實驗條件，雖然實驗內容相同，但強調每個學生獨立完成。教師不僅僅應關注最終的實驗結果，還應在學生進行實驗的過程中不斷巡視，及時回答學生提問，或發現學生有疑難主動給予幫助。每個學生對課程教學內容的掌握程度不同，存在的難點也可能有差別，而且實驗的進度更是差別明顯，因此集中講解并不必要，個別輔導才是更佳的選擇。
2.6確立每周一次晚自習答疑
由于本課程教學內容多，而學時有限，在制定教學進度時無法留出完整的學時進行答疑。為此，我們嘗試每周安排1名授課教師在學生晚自習時到教室答疑。通常教師不站在講臺上，而是在教室后面等待學生個別提問并解答。沒有問題的學生則正常自習。經過一個學期的試驗，這種方法效果較好，我們將其固定為一種輔助的教學手段。
3結語
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。
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關鍵詞：數字信號處理；教學改革；實踐教學
作者簡介：藍會立（1975-），男，壯族，廣西馬山人，廣西工學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 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）01-0050-02
“數字信號處理”課程是電氣信息類專業本科生的一門重要專業基礎課，它以信號與系統課程的理論為基礎，直接面向實際應用，注重算法的研究，是繼續學習其它信號處理課程、通信與電子系統課程的必不可少的基礎。該課程的特點是使用數學語言對工程實踐中的數據采集、分析與處理問題進行描述，內容比較抽象，理論性強，包含大量公式的推導和證明，課程闡述的理論與現代信息技術的發展前沿和應用密切相關。因此，有效提高該課程教學質量，對提高學生專業素質和綜合分析解決問題的能力有著重要的意義。在廣西工學院（以下簡稱“我?！保?，“數字信號處理”作為電子信息、自動化和測控專業的重要專業基礎課，在初期教學采用傳統教學方式，重視研究教師教法和理論教學，而忽視了實踐教學及對學生潛力的挖掘和應用基本理論解決實際問題能力的培養，教學效果不明顯。近幾年來，課程組對課程教學目標進行重新定位，在積極探索課程課堂教學模式，優化教學內容，改進教學方法和手段，完善課程考核方式等方面進行了全面地改革和實踐，取得了較好的成果。
一、調整優化教學內容
“數字信號處理”和“信號與系統”構成了我校電氣類學科的信號處理基礎理論平臺，課程內容既具有明確的分工又緊密關聯?！靶盘柵c系統”涉及信號分析與系統分析，信號分析是基礎，突出信號與系統的時域分析和變換域分析的物理概念和工程概念，而三大變換只是實現時域分析到變換域分析的數學工具。“數字信號處理”課程涉及數字信號分析和數字濾波器設計。離散傅里葉變換DFT是實現信號數字化分析的核心技術，FFT是提高DFT運算效率的重要算法。信號分析是信號處理的基礎，而數字濾波器設計則是信號處理的具體實現。其中離散信號與系統分析是信號分析和系統設計的理論基礎，也是“信號與系統”和“數字信號處理”課程承上啟下的內容，在兩門課中都占有比較多的學時，造成教學重復和學生的厭學情緒，同時本門課程的重點內容因學時少而縮減。傳統教學計劃都強調每門課程內容的系統性和完整性，造成內容多學時少的矛盾，單門課程的教學改革很難收到理想效果，如何優化教學內容，避免重復教學是“數字信號處理”課程教學改革的一個核心。因此，建立了信號處理課程群，即將內在聯系較為緊密的“數字信號處理”和“信號與系統”等課程組合起來構成一個課群，作為信號處理基礎系列課程，其課程體系和教學內容被作為一個整體進行優化整合。課程群建設實行二級負責制，課程群組長負責各門課程之間的協調，課程負責人負責本課程內部的調整，以便能適應當前教學的改革與發展。根據“數字信號處理”課程在課程群中的任務和地位，以及學生就業應具備的能力，重新規劃制定課程教學計劃，通過對課程內容進行分解、整合，編寫適應應用型人才培養和教學的教學大綱，在強調基本概念和原理的基礎上，以突出應用性、實踐性為原則，側重于學生綜合分析解決問題和動手實踐能力的培養，做好“數字信號處理”課程與其他課程部分重復內容的銜接，避免造成課時浪費，使學生掌握課程的精髓部分，提高學生自主學習的能力。
其次，針對課程理論教學大多只討論算法的理論及其推導，較少涉及實現方法及相關的軟硬件技術，我們對實踐性教學內容進行改革，開設了少學時的MATLAB信號處理課程和DSP硬件技術應用課程。通過課堂演示、基于MATLAB的算法仿真實驗及分析、基于DSP的硬件算法綜合實驗等三個層次的實踐活動，強化工程素質和實踐能力的綜合訓練，幫助學生進一步領會和深化課堂上學到的有關數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計方法。使學生逐步克服了對DSP的陌生和恐懼心理，激發了同學們強烈的好奇心和求知欲，培養學生的動手能力，分析解決問題的能力和創新精神。
二、教學方法改革
“數字信號處理”課程的特點是理論性、概念性比較強，涉及到大量的數學公式和理論推導，學生普遍感覺吃力，不易理解，缺乏興趣。要提高教學效果，必須改進滿堂灌的傳統教學方法，采用多種教學方法相結合來豐富課程的教學過程。在教學過程中，結合學習的規律性，針對不同階段、不同知識點靈活運用不同的教學方法，激發學生的興趣，調動學生參與教學的主動性。
在教學過程的初期主要采用引導式教學法，即通過形象化的成果引導學生去了解理論知識在實踐中的應用，激發學生學習興趣。例如，通過課堂講授與課外專題講座形式介紹學科發展前沿，開拓學生視野，激發學習興趣；或者在開始講授新的內容體系之前，通過多媒體等形式有針對性地介紹相應技術在數字信號處理領域的工程應用，以調動他們學習的積極性和主動性，以致提高教學效果。
在教學的中間過程主要采用啟發式、討論式教學方法。這是一種以學生為主體、教師為主導的課堂討論式教學方法，鼓勵學生積極投入到課堂教學的過程中，由被動接受知識向主動學習轉變，改變單向灌輸的教學模式。在課堂上，重視討論和交流，教師根據授課內容設計一些思考題，在課堂上以設問的方式，引導學生積極思考和討論，積極引導學生參與到教學過程中來，教師根據學生的分析思路和結果進行點評、糾正和總結，積極鼓勵學生形成問題意識、進行批判思維。這種方法可以活躍課堂氣氛，重點突出，學生比較容易把握教學重點。
在教學的后期主要采用研究式教學方法。研究式教學就是將科學領域的研究方法引入課堂，通過教師的激勵、引導和幫助使學生去主動發現問題、分析問題、解決問題，并在探究過程中獲取知識、訓練技能、培養創新能力。在教學過程中，組織多名學生為一組，圍繞課程中一些主題，獨立搜集研究方向，在課外依循一定的步驟開展研究性學習，最終提供一份包含有課題題目、問題提出、程序、調試波形和結果說明的完整研究報告，引導學生運用數字信號處理的知識分析、解決問題，注重學生思維及創新能力的培養，在研究中加深對數字信號處理基礎知識的理解，提高利用理論知識解決實際問題的能力。
三、教學手段改革
本課程的特點是大量使用了數學的方法來表示物理的過程，公式較多，計算繁復，學生不容易掌握，因此采用單一的教學手段很難提高教學效果，必須針對授課內容采用多種教學手段相結合的授課方式。其一，采用多媒體課件教學手段，使教案多媒體化、教學過程互動化。多媒體教學信息量大，可以拓展學生的知識面，精簡課堂授課學時，激發學生學習興趣，提高教學效果。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、動畫等多媒體教學手段，使抽象的內容形象化和可視化，令學生理解其物理含義或包含的思想。但是多媒體教學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和證明，宜配合板書的授課方式，放慢講課速度，讓學生跟上教師的思路和有足夠時間領會。其二，通過建設網絡教學資源，使教學資源共享化、教學方式多樣化和教師答疑實時化。針對課后的復習、相關背景知識的學習以及課堂內容的擴展部分，充分利用網絡，建立課程主頁，提供相關資源和討論空間，實現網絡輔導、網上課程研討、網上交付作業與實驗報告和優秀作業展示等。
四、完善課程考核方式
成績評定既是一個重要的教學環節，也是檢驗教學效果的重要手段，教學模式的改革要求課程考核方式應靈活多樣，評價方法由“一考定全局”的傳統終結性評價轉向形成性評價與終結性評價相結合、課內教學與課外自主學習相結合的全程評價，從而體現教學評價的全面性、導向性、實效性、過程性和發展性特點。完善課程考核方式，對素質教育的實施和學生自主學習能力和創新能力的培養非常有利，使學生考試成績更加具有層次性，更加體現學生的綜合素質。教師要加強學生平時學習情況考查，采用筆試、口試和論文答辯等多樣化的考核方式，多方面地測量學生的綜合素質和能力。課程綜合評定成績主要包括期末考試成績（50％）、課程論文（20％）、實驗（15％）和平時成績（15％）。期末考試主要考查學生對基本概念的掌握和知識的靈活運用能力，避免過多公式推導與演算。課程論文主要考查評估學生知識掌握程度、文獻查閱調研能力、動手實踐能力、論文撰寫和表達能力。實踐表明，這種多模式相結合的考試方式更能檢查學生的真實能力，避免了對學生的評價一刀切，有利于學生對考核的認同和接受，促進學生的學習主動性和自覺性，激發學生的潛能和個性的發展。
五、結束語
針對“數字信號處理”課程的特點，結合我校的人才培養目標和學生的總體水平層次，對課程的教學內容體系、教學方法和手段、教學評價方式進行了改革，以提高學生的學習興趣，激發學生的潛能和個性發展，注重學生思維及創新能力的培養。通過學生的評教及后續課程的評價表明課程的教學改革取得了很好的教學效果，調動了學生學習的積極性和主動性，學生的實際動手能力和綜合素質明顯提高。
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