时间：2023-03-22 17:42:30
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另外一类是需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用，例如声纳探测和地震探测等，也需要用DSP器件。该类设备的批量一般较小、算法要求苛刻、产品很大而且很复杂。所以设计工程师在选择处理器时会尽量选择性能最佳、易于开发并支持多处理器的DSP器件。有时，设计工程师更喜欢选用现成的开发板来开发系统而不是从零开始硬件和软件设计，同时可以采用现成的功能库文件开发应用软件。
在实际设计时应根据具体的应用选择合适的DSP。不同的DSP有不同的特点，适用于不同的应用，在选择时可以遵循以下要点。
算法格式
DSP的算法有多种。绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：尾数×2指数。
浮点算法是一种较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围(这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示)。浮点DSP在应用中，设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。浮点DSP比定点DSP更容易编程，但是成本和功耗高。
由于成本和功耗的原因，一般批量产品选用定点DSP。编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。如果要求易于开发，而且动态范围很宽、精度很高，可以考虑采用浮点DSP。
也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算，但是这样的软件程序会占用大量处理器时间，因而很少使用。有效的办法是“块浮点”，利用该方法将具有相同指数，而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。“块浮点”处理通常用软件来实现。
数据宽度
所有浮点DSP的字宽为32位，而定点DSP的字宽一般为16位，也有24位和20位的DSP，如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系，所以字宽的长短直接影响到器件的成本。字宽越宽则尺寸越大，管脚越多，存储器要求也越大，成本相应地增大。在满足设计要求的条件下，要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。
在关于定点和浮点的选择时，可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。例如，通过将指令组合连用，一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法(当然双精度算法比单精度算法慢得多)。如果单精度能满足绝大多数的计算要求，而仅少量代码需要双精度，这种方法也可行，但如果大多数的计算要求精度很高，则需要选用较大字宽的处理器。
请注意，绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样，也有一些不一样，如ADI(模拟器件公司)的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。
DSP的速度
处理器是否符合设计要求,关键在于是否满足速度要求。测试处理器的速度有很多方法，最基本的是测量处理器的指令周期，即处理器执行最快指令所需要的时间。指令周期的倒数除以一百万，再乘以每个周期执行的指令数，结果即为处理器的最高速率，单位为每秒百万条指令MIPS。
但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样，单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。现在一些新的DSP采用超长指令字(VLIW)架构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比传统DSP少，因此相对VLIW和通用DSP器件而言，比较MIPS的大小时会产生误导作用。
即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位，而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位；有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理(在执行指令的同时加载操作数)，而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理；有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。
解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作(而不是指令)作为标准来比较处理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息，在绝大多数DSP中，MAC操作仅在单个指令周期内实现，其MAC时间等于指令周期时间，如上所述，某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能，而这种操作在所有的应用中都会用到。
最通用的办法是定义一套标准例程，比较在不同DSP上的执行速度。这种例程可能是一个算法的“核心”功能，如FIR或IIR滤波器等，也可以是整个或部分应用程序(如语音编码器)。图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。
在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS(百万次操作每秒)和MFLOPS(百万次浮点操作每秒)参数，因为不同的厂商对“操作”的理解不一样，指标的意义也不一样。例如，某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作，因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。
其次，在比较处理器时钟速率时，DSP的输入时钟可能与其指令速率一样，也可能是指令速率的两倍到四倍，不同的处理器可能不一样。另外，许多DSP具有时钟倍频器或锁相环，可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。
存储器管理
DSP的性能受其对存储器子系统的管理能力的影响。如前所述，MAC和其它一些信号处理功能是DSP器件信号处理的基本能力，快速MAC执行能力要求在每个指令周期从存储器读取一个指令字和两个数据字。有多种方法实现这种读取，包括多接口存储器(允许在每个指令周期内对存储器多次访问)、分离指令和数据存储器(“哈佛”结构及其派生类)以及指令缓存(允许从缓存读取指令而不是存储器，从而将存储器空闲出来用作数据读取)。图2和图3显示了哈佛存储器结构与很多微控制器采用的“冯·诺曼”结构的差别。
另外要注意所支持的存储器空间的大小。许多定点DSP的主要目标市场是嵌入式应用系统，在这种应用中存储器一般较小，所以这种DSP器件具有小到中等片上存储器(4K到64K字左右)，备有窄的外部数据总线。另外，绝大多数定点DSP的地址总线小于或等于16位，因而可外接的存储器空间受到限制。一些浮点DSP的片上存储器很小，甚至没有，但外部数据总线宽。例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存储器，外部总线为24位，13位外部地址总线。而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存储器，可以多种方式划分为程序存储器和数据存储器。
选择DSP时，需要根据具体应用对存储空间大小以及对外部总线的要求来选择。
开发的简便性
对不同的应用来说，对开发简便性的要求不一样。对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能便于开发。而如果公司在开发下一代手机产品，成本是最重要的因素，只要能降低最终产品的成本，一般他们愿意承受很烦琐的开发，采用复杂的开发工具(当然如果大大延迟了产品上市的时间则是另一回事)。
因此选择DSP时需要考虑的因素有软件开发工具(包括汇编、链接、仿真、调试、编译、代码库以及实时操作系统等部分)、硬件工具(开发板和仿真机)和高级工具(例如基于框图的代码生成环境)。利用这些工具的设计过程如图4所示。
选择DSP器件时常有如何实现编程的问题。一般设计工程师选择汇编语言或高级语言(如C或Ada)，或两者相结合的办法。现在大部分的DSP程序采用汇编语言，由于编译器产生的汇编代码一般未经最优化，需要手动进行程序优化，降低程序代码大小和使流程更合理，进一步加快程序的执行速度。这样的工作对于消费类电子产品很有意义，因为通过代码的优化能弥补DSP性能的不足。
使用高级语言编译器的设计工程师会发现，浮点DSP编译器的执行效果比定点DSP好，这有几个原因：首先，多数的高级语言本身并不支持小数算法；其次，浮点处理器一般比定点处理器具有更规则的指令，指令限制少，更适合编译器处理；第三，由于浮点处理器支持更大的存储器，能提供足够的空间。编译器产生的代码一般比手动生成的代码更大。
不管是用高级语言还是汇编语言实现编程，都必须注意调试和硬件仿真工具的使用，因为很大一部分的开发时间会花在这里。几乎所有的生产商都提供指令集仿真器，在硬件完成之前，采用指令集仿真器对软件调试很有帮助。如果所用的是高级语言，对高级语言调试器功能进行评估很重要，包括能否与模拟机和/或硬件仿真器一起运行等性能。
大多数DSP销售商提供硬件仿真工具，现在许多处理器具有片上调试/仿真功能，通过采用IEEE1149.1JTAG标准的串行接口访问。该串行接口允许基于扫描的仿真，即程序员通过该接口加载断点，然后通过扫描处理器内部寄存器来查看处理器到达断点后寄存器的内容并进行修改。
很多的生产商都可以提供现成的DSP开发系统板。在硬件没有开发完成之前可用开发板实现软件实时运行调试，这样可以提高最终产品的可制造性。对于一些小批量系统甚至可以用开发板作为最终产品电路板。
支持多处理器
在某些数据计算量很大的应用中，经常要求使用多个DSP处理器。在这种情况下，多处理器互连和互连性能(关于相互间通信流量、开销和时间延迟)成为重要的考虑因素。如ADI的ADSP-2106X系列提供了简化多处理器系统设计的专用硬件。
电源管理和功耗
DSP器件越来越多地应用在便携式产品中，在这些应用中功耗是一个重要的考虑因素，因而DSP生产商尽量在产品内部加入电源管理并降低工作电压以减小系统的功耗。在某些DSP器件中的电源管理功能包括：a.降低工作电压：许多生产商提供低电压DSP版本(3.3V,2.5V,或1.8V)，这种处理器在相同的时钟下功耗远远低于5V供电的同类产品。
b.“休眠”或“空闲”模式：绝大多数处理器具有关断处理器部分时钟的功能，降低功耗。在某些情况下，非屏蔽的中断信号可以将处理器从“休眠”模式下恢复，而在另外一些情况下，只有设定的几个外部中断才能唤醒处理器。有些处理器可以提供不同省电功能和时延的多个“休眠”模式。
c.可编程时钟分频器：某些DSP允许在软件控制下改变处理器时钟，以便在某个特定任务时使用最低时钟频率来降低功耗。
d.控制：一些DSP器件允许程序停止系统未用到的电路的工作。
不管电源管理特性怎么样，设计工程师要获得优秀的省电设计很困难，因为DSP的功耗随所执行的指令不同而不同。多数生产商所提供的功耗指标为典型值或最大值，而TI公司给出的指标是一个例外，该公司的应用实例中详细地说明了在执行不同指令和不同配置下的功耗。
成本因素
在满足设计要求条件下要尽量使用低成本DSP，即使这种DSP编程难度很大而且灵活性差。在处理器系列中，越便宜的处理器功能越少，片上存储器也越小，性能也比价格高的处理器差。
封装不同的DSP器件价格也存在差别。例如，PQFP和TQFP封装比PGA封装便宜得多。
在考虑到成本时要切记两点。首先，处理器的价格在持续下跌；第二点，价格还依赖于批量，如10,000片的单价可能会比1,000片的单价便宜很多。
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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【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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关键词：数字信号；信号处理；DSP
1．数字信号处理的概念
数字信号处理是用数字计算机对离散信号或将模拟信号离散化后进行处理的现代信号处理技术，自身有其独特的计算方法和理论。数字信号处理是当前发展相当迅速的一种技术，无线通讯，多媒体技术，网络等都是基于数字信号处理算法的。
数字信号处理器(DSP)是为进行数字信号处理而设计的微处理器。数字信号处理器是同数字信号处理技术一同发展起来的。它针对数字信号处理的应用采用了专用的硬件设计结构。
微处理器的发展经历了单板计算机、单片计算机的历程，DSP则是一种高性能的片上微计算机系统。它除了利用大量的新技术、新结构来大幅度改善芯片性能外，还把内存、接口、外设、事件管理器等集成在一个芯片上，成为一个功能强大的片上系统（SOC）。DSP的产生和发展，得益于数字信号处理理论及计算机、电子技术的飞速进步。
2．数字信号处理器模拟的实现
计算机系统本身是一个非常复杂的系统，要使用软件来模拟每个晶体管或每个门电路各个方面的行为特征几乎是不可能的。人们简化系统复杂程度的常用办法是对系统按层次进行抽象，体系结构就是对计算机系统在结构层次上的简化。然而，体系结构层次上的计算机系统依然很复杂，开发其软件模拟器也因此而十分困难。通常的做法是，在已存在的模拟器基础上进行二次开发或改进，使其适应自己的要求。
在任何数字信号处理中，当涉及硬件实现时，都会遇到一个很普遍的问题：一般要处理的原始信号序列长度是非常长的，但受物理设备条件所限，每次(比如一个时钟周期内)输入给数字信号处理相关硬件(如DSP)的必定是有限长度的采样后的数字序列，也就是说要对原有长序列进行一次截断。显然，截断后的短序列相比于原有未截断的长序列的信号属性必然要发生变化。比如截取高斯白噪声的一段，其截断后的序列的均值和方差等统计特性相对于原有白噪声序列肯定会有变化。这种由于截断而引起的序列性能下降显然会导致后续的DSP等硬件设备中数字信号处理性能的下降。
3．DSP硬件结构分析
在当前信息化、数字化进程中，信号作为信息的传输和处理对象，逐渐由模拟信号变成数字信号。信息化的基础是数字化，而数字化的核心技术之一就是数字信号处理。数字信号处理技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP作为一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，凭借其独特的硬件结构和出色的数字信号处理能力，广泛应用于通讯、语言识别、图像处理、自动控制等领域。
3.1 DSP的主要特点及其硬件要求
数字信号处理是指将模拟信号通过采样进行数字化后的信号进行分析、处理、它侧重于理论、算法及软件实现。数字信号处理算法具有如下一些主要的特点：信号处理算法运算量大，要求速度快；信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运算；信号处理算法常具有某些特定模式；信号处理算法大部分处理时间花在执行相对小循环的操作上；信号处理要求专门的接口。
从一开始，DSP的结构就是针对DSP算法模型进行构造的，几乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，数字信号处理的上述特点要求DSP必须是专门设计的。
3.2多总线，多处理单元结构
DSP芯片采用了哈佛结构，它分别设置程序存储和数据存储空间，使用专用的程序总线和地址总线。CPU可以同时访问程序和数据，大大提高了处理速度。所谓的改进哈佛结构，体现在如下几点：
1）允许数据存放在程序存储器中，并可以被算术指令直接使用。但程序和数据不能同时读取，多数访问存储器的指令需要两个执行周期。
2）将指令存储在高速缓存中，无须从数据/程序存储器读取，可以节约一个指令周期。
3）改进存储器块结构，允许在一个周期内同时读取一条指令和两个操作数。
使用两类（程序总线、数据总线）六组总线。包括程序地址总线、程序读总线、数据写地址总线、数据读地址总线、数据写总线、数据读总线。配合哈佛机构，大大提高了系统速度。
DSP内部一般都包括多个处理单元，如ALU、乘法器、辅助算术单元等。它们都可在单独的一个指令周期内执行完计算和操作任务，而且往往同时完成。这种结构特别适合于滤波器的设计，如FIR和IIR。这种多处理单元结构还表现为在将一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻转寻址和流水FIR滤波算法的循环寻址等。而且大部分DSP具有零消耗循环控制的专门硬件，使得处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。
3.4 DSP结构改进
过去的DSP结构设计主要是面向计算密集型的应用，而对控制密集型支持得不够。而现实应用中很多场合需要信号处理和精确控制的有效结合，如数字蜂窝电话，它要有监控和语言音处理的工作。现代的DSP将采用DSP／MCU的混合结构，在保证计算能力优先的前提下，通过快速的现场切换、多执行部件并行执行等方式，加强控制类操作的处理能力。将MCU核集成到DSP核中，或者从整体上对DSP进行重新设计，使之兼有DSP和MCU的功能。
另外，为解决速度、功耗、可编程之间的矛盾，我们提出了一种新型的计算方式，它结合了现有微处理器和DSP的时间计算方式以及ASIC、FPGA解决方案的空间计算方式。这种可重构DSP处理器的关键是它能同时进行时间和空间计算。它由一个计算元件互相连接的二维阵列构成，每个阵列都有各自的逻辑单元和本地寄存器。连接这些计算元件的可编程连线借以对阵列的数据流架构动态重构，从而可根据运行的具体任务而对其进行优化。
参考文献：
关键词：数字信号处理；精品课程；三本院校；独立学院
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0042-02
“数字信号处理”是利用计算机或DSP专用处理设备，对信号采用数值计算的方法进行采集、变换、综合、估值与识别等处理，达到提取信号特征和利于应用的目的。“数字信号处理”是国内许多高校电子信息类、通信类和自动控制类的专业技术基础课，具有基础性强和应用性广的特点，是应用DSP（数字信号处理）芯片、嵌入式技术、EDA技术解决实际问题的基础。但是传统的教学模式无论在教授内容还是教学方式上都比较偏重理论教学，其教学方式单一。课堂教学多以教师中文讲课为主，缺乏必要的师生交流互动和实验练习环节。滇池学院是教育部确认的独立学院，学院先后被有关部门、机构和协会授予“社会满意学校”、“民办教育百强学校”、“全国百佳特色学校”、“2008年全国最佳独立学院”。“数字信号处理”经过多年的课程建设，2010年被列为滇池学院的院级精品课程建设项目，该课程介绍数字信号处理的基本概念和基本理论，讲授各种常用算法的计算机实现方法。在精品课程建设中，我们努力寻找新的教学方式和方法，在MATLAB实践教学平台上尽量做到深入浅出的教学；着重培养学生对数字处理技术的运用能力。通过学习该课程，让学生掌握在上述技术中继续学习和科研的必要工具。在课程建设过程中，我们应用新的教学手段，研究并实践如何提高“数字信号处理”课程的教学水平，在对该课程的精品课程建设中，实现了教学形式的多样化、加强了教学互动，这些手段有效地提高了数字信号处理课程的教学效果[1]。
一、确立教学目标、改革教学内容
“数字信号处理”是滇池学院“电子信息工程”专业的专业基础课。目前，该课程中的一些主要内容，例如：离散时间傅立叶变换（DTFT）、离散傅立叶变换（DFT）、变换域中的线性时不变离散时间系统（LTI）、数字滤波器的设计等，是本课程的教学重点和难点。尤其是DFT是本课程的重点教学内容。学好这部分内容，将有助于借助计算机或DSP芯片，用数值计算的方法分析信号的频谱。若讲授只停留在理论和公式推导上，学生得到的还是较为抽象的概念。现在多数三本院校的教学方式为传统的黑板式教学方式，大多数用的还是中文版教材，若能借助于当今先进的软、硬件技术，相信教学效果会更好。随着现代社会科技水平的发展，视频教学和多媒体教学的出现，社会对三本院校学生应用能力的需求提高及学生学习目的的多样性等原因，我们将对本课程的教学目标和内容进行改革和探索。因此，我们将从以下几个的方面进行探索。
1.在教学内容方面改革：以培养学生应用知识能力和设计创新能力为目标，根据近年来数字信号处理在信号分析方面应用的热点，以及电子信息专业对该课程的要求，结合课程特点，参照国内外知名大学的教学计划体现实践性、先进性和前沿性[1]。
2.在使用教材方面改革：选用《Digital Signal Processing――A Computer-Based Approach》，作者是SanjitK. Mitra。该教材是清华大学出版社引进的国际知名大学――美国加州大学圣・巴巴拉分校的原版（英文）教材，且作者Sanjit K. Mitra教授是国际著名的信号处理专家。
3.在教研结合方面改革：通过本课程的建设，能成立一支由专家领头，普通教师参与，教学水平高，教研相互促进的教师梯队，并要求担任本课程建设的教师能积极参与教学改革、及时掌握国内外在本学科领域的先进教学理念，从而形成一流的教学成果。鼓励学生参加电子设计大赛，将“数字信号处理”的专业知识与其他电子信息领域的知识相结合，并能参与实际项目研发和相关论文写作；鼓励学生参加课外科技活动小组，将所学的数字信号处理的知识应用到解决实际问题中，既提高了学习积极性，又锻炼了学生。
4.在成绩评定方面改革：除本课程基础理论采用闭卷考试外，把MATLAB实践教学平台上DSP应用和数字滤波器设计实验计入到实验考试成绩中，以鼓励学生提高应用知识能力和创新能力。
二、创新教学手段，完善教学方法
现在“数字信号处理”课堂教学方式多数是传统的教师讲、学生听的模式，这样的教学手段有利于培养学生的推理能力和解题能力，但是不利于学生的自主学习能力和创新能力的提高[2]。因此，教学方法上我们积极推动现代化教学手段在该课程中的应用，实施多媒体教学与板书相结合的创新教学模式。针对应用型人才培养目标，增加课堂讨论、MATLAB编程、项目训练等教学环节，加强学生对数字信号处理理论的理解，从而提高其实践应用的能力。通过该课程教学建设，我们将实现以下目标。
1.多媒体技术与传统板书相结合的教学方式。我们制作与教材配套的多媒体课件，增加视频和动画，调动学生学习的积极性，挖掘学生的学习潜力，使学生由填鸭式接受变为主动学习探究。
2.双语互动的教学模式。为使三本院校学生掌握“数字信号处理”学科国际最前沿知识，提高学生在该课程及电子信息相关领域方面的英语水平，我们逐步推动对该课程进行双语教学，采用全英文教材和课件。在实际教学过程中以英语教学为主，对于重点知识点的讲授增加中文解释。适当补充“数字信号处理”学科中专业词汇的英语解释，让大部分学生能顺利地使用原版教材进行学习，能用英语回答提问，完成用英语出的练习题、考试题，以及让80%的学生在完成练习与考试中能全用英语答题。
3.理论教学与实验教学结合，创建实践教学平台。实验教学是课堂教学的重要补充，能促进学生将课堂上的理论知识与实际问题相结合，既锻炼了学生的应用能力又提高了学生的兴趣。在“数字信号处理”课程的实验教学中，MATLAB的引入很受学生的欢迎。由于其丰富的函数库、强大的计算功能及高度的可视化，将抽象和复杂的问题变得直观和容易理解，再加上多媒体教学手段的应用，大大方便了学生对本课程理论的学习，有效地提高了学生的学习效率。根据三本院校的特点，我们把实验题目分为：基本型（必须完成），选做型（有一定难度，鼓励选做），以及设计型（综合实验，较难，具有挑战性，需要花较多的精力和时间来考虑）三类。三种类型的“数字信号处理”实验题目，满足了不同层次学生的要求。其中，综合实验通常还作为实验考核的内容。大部分的学生都能完成“基本型”的题；约1/3的学生能完成“选作型”的题；不少学生不再满足“验证性”的实验，而希望能做具有挑战性的研究设计型题，尤其是应用性和实用性强的题目。
在滇池学院“数字信号处理”精品课程的建设过程中，我们将努力提高教学理念和完善教学方式，加强课程的中英双语教学，建立MATLAB实践教学实验室，争取在精品课程验收前建立数字信号处理课程的网络教学的平台。我们在课程建设中总结出许多成功的经验，同时，也存在的一些不足。为确保课程建设顺利完成，我们逐步实现教学手段多样化，加强教研互动，增进师生交流，强化师资队伍等目标。
参考文献：
[1]陈建华，李海燕，张榆锋，施心陵.“随机过程”精品课程建设与教学改革探索[J].中国科技信息，2010，（18）：1.
典型的信号处理任务就是把信息从一种信号传递到另一种信号上，例如，可将一张照片加以扫描、抽样，并将毕业论文共存储在计算机的存储器中，在这种情况下，信息是从可变的银粒密度转换戌可见光束，再变成电的波形，最后变戍数字的序列，随后该数字序列用。磁盘上磁畴的排列来表示CAT扫描器是一个比较复杂，经过处理，最后显赤射线管(CRT)的荧光屏上或胶片上。数字处理能增加信息，但可以重新排列信息，使观察者能更方便地理解它.观察者不必观看多个不同测面的投影而可直接观察截面图。
人们感兴趣的是信号所包含的信息，而不管信号本身是什么形式。也许可以概括地说，信号处理涉及两个基本任务一一信息的重新排列和信息的压缩。
数字信号处理涉及到用数的序列表示的信号的处理，而多维数字信号处理则涉罚用多维阵列表示的信号的处理，例如对同时从几个传感器所接收的抽样图像和抽样的时间波形的处理。由于信号是因而它可以用数字硬件处理，同时可以将信号处理的运算规定为算法。
促使人们采用数字方法的是不言而喻的。数字方法既有效灵活。我们可以用数字系统使其有自适应性并易于重新组合。可以很方便地把数字算法由一个厂商的设备上转换到另一个厂商的设备上去，或者把专用数字硬件来实现。同样，数字算法也可用来处理作为时间函数或空间信号，数字算法自然地和逻辑算符如模式分类相联系。数字信号能够长时间无差错地存储。对很多种应用而言，数字方法Ⅸ其它方法更为简单，对另外一些应用，则可能根本不存在其他方法。多维信号处理是不同于一维信号处理，想在多维序列上实现的多运算，例如抽样、滤波和交换等，用于一维序列，然而，严格芯说，我们不得不说多终信号处理与一维信弓有很大差别的。
论文摘要：信号是传递信息的媒介，信号处理涉及信息的提取。
随着集成电路的运算速度更快，集成度更高，就有可能耐复杂目益增加均一些多维数字信号处理。所它在最近才开始出现的一个新领域。尽管如此，多维信号处埋仍然对以下一些间提了解决的办法，这些问题是：计算机辅动断层成术(CAT)，即综合来自不同方向的X射线的投影，以重建人体某一部分的三维图，源声纳阵列的设计及通过人造卫星地球资源。多维数字信号处理除具有许多引人注目和浅显易行的应用之外，它还具有坚卖的数学基础.，这不仅使我们能了解它的实现情况，而且当新问题出现时，也当及时解决。
典型的信号处理任务就是把信息从一种信号传递到另一种信号上，例如，可将一张照片加以扫描、抽样，并将共存储在计算机的存储器中，在这种情况下，信息是从可变的银粒密度转换戌可见光束，再变成电的波形，最后变戍数字的序列，随后该数字序列用。磁盘上磁畴的排列来表示CAT扫描器是一个比较复杂，经过处理，最后显赤射线管(CRT)的荧光屏上或胶片上。数字处理能增加信息，但可以重新排列信息，使观察者能更方便地理解它.观察者不必观看多个不同测面的投影而可直接观察截面图。、
人们感兴趣的是信号所包含的信息，而不管信号本身是什么形式。也许可以概括地说，信号处理涉及两个基本任务一一信息的重新排列和信息的压缩。
数字信号处理涉及到用数的序列表示的信号的处理，而多维数字信号处理则涉罚用多维阵列表示的信号的处理，例如对同时从几个传感器所接收的抽样图像和抽样的时间波形的处理。由于信号是因而它可以用数字硬件处理，同时可以将信号处理的运算规定为算法。
促使人们采用数字方法的是不言而喻的。数字方法既有效灵活。我们可以用数字系统使其有自适应性并易于重新组合。可以很方便地把数字算法由一个厂商的设备上转换到另一个厂商的设备上去，或者把专用数字硬件来实现。同样，数字算法也可用来处理作为时间函数或空间信号，数字算法自然地和逻辑算符如模式分类相联系。数字信号能够长时间无差错地存储。对很多种应用而言，数字方法Ⅸ其它方法更为简单，对另外一些应用，则可能根本不存在其他方法。多维信号处理是不同于一维信号处理，想在多维序列上实现的多运算，例如抽样、滤波和交换等，用于一维序列，然而，严格芯说，我们不得不说多终信号处理与一维信弓有很大差别的。
信号处理与一维信号处理还是有很大差别的，这是由三个因素造成的;(l)二维通常比一维问题包含的数据量大得多;(2)处理多维系统在数些上不如处理一维系统那样完备；(3)多维信号处理有更多的自由度，这给系统设计音以一维情况中无法比拟的灵活性。虽然所有递归数字滤波器都是用差分方程实现的，一维情况下差分方程是全有序的，而在多维情况下差分方程仅是部分有序的，冈而就存在着灵活性，在一维情况小，离散传里旰变换CDET)可以用快速傅里叶变换CEPT)算法来计算，而在多维情况下，有多且每一个OFT又可用多种AFT算法来计算。在一维情况下，我们可以调整速率。而且也可以调整抽排列。从另一方面来说，多维多项式不能进行因式分解，而一维多项式是可以进行因式分解的。因而在多维情况下，我们不能论及孤立的极，气、孤立的零点及孤立的根。所以，多维信号处理与一维信号处理有相当大的差别。在20世纪60年代初期，用数字系统来模仿模拟系统的想法，使得一维数字信号处毫的各种方法得到了发展。这样，仿照模拟系统理论，创立了许多离散系统理论.随后，当数字系统可以很好地模仿模拟系统时，人们认识到数字系统同时也可以完成更多的功能。由丁这种认识及数字硬件工艺的有力推动，数字信号处理得到了发展，而且现今很多通用的方法，已成为数字方法所特有的，没有与其等效的模拟方法，在发展多维数字信号处理时，可观察到同一发展趋向。因为没有连续时间的(或模拟的)二维系统理论可以仿效，因而最初的二维系统是以一维系统为基础的，80年代后期，多数二维信号处理都是用可分的二维系统。可分的二维系统与用于二维数据的一维系统几乎没有差别。随后，发展了独特的多维算法，该算法相当于一维算法的逻辑推理。这是一段失败的时期，由干许多二维应用要求数据量很大，且iT缺少二淮多项式太分解理论，很多一维方法不能很好地推广到二维上来。我们现在正处于认识的萌芽时代。计算机工业以其部件的小型化和价格日趋低廉而有助于我们解决数据量问题。尽管我们总是受限于数学问题，但仍然认识到，多维系统也给了我们新的自由度。以上这些，使得该领域既富于挑战性又无穷乐趣，电子信息技术的结合之软件结台，传统产业中可用电产信息技术的地方，仍然可以在生产或很低的条件下使用人力或传统机械。电予信息技术应到限制，在不同领域和不同水平有各种原因，但烂有一个共大原因是缺乏认识。没有认识，便没有应层。
事实上，在一维和二维信号处理理论之间有实质性的差别，而在二维和更高维之间，除了计算上的复杂世方耐差异之外，似乎差别较小。
参考文献
[1] 吴云韬，廖桂生，田孝华. 一种波达方向、频率联合估计快速算法[J]电波科学学报， 2003，(04) .
[2] 吕铁军，王河，肖先赐. 利用改进遗传算法的DOA估计[J]电波科学学报， 2000，(04)
[3] 刘全，雍玲，魏急波. 二维虚拟ESPRIT算法的改进[J]国防科技大学学报， 2002，(03) .
[4] 吕泽均，肖先赐. 一种冲击噪声环境中的二维DOA估计新方法[J]电子与信息学报， 2004，(03) .
[5] 金梁，殷勤业，李盈. 时频子空间拟合波达方向估计[J]电子学报， 2001，(01) .
[6] 金梁，殷勤业. 时空DOA矩阵方法的分析与推广[J]电子学报， 2001，(03) .
Wan Guofeng
（School of Electrical Engineering Northwest University for Nationality Lanzhou， 730030 ，China）
Abstract： According to digital signal processing course has the features of the deduction of many formula was very difficult and it was not easy to control. We fasten on Fourier Transform which is the main line of this course， integrated teaching material，optimized curriculum system. We also highlight the physical meaning and application of the concept ，still further pay attention on developing students’hands on ability and problem solving capability.The teaching reform turns out to achieve good results in practice.
Keywords： digital signal processing； teaching reform； main line
0引言
数字信号处理是高校电子信息类专业的一门重要课程。该课程在理论上涉及微积分、高等数学、随机过程、线性代数、复变函数等先修课程，具有概念多、难度大、灵活度高、在有限的教学时间内不容易被学生熟练掌握等特点[1]，客观上造成了学生对此课程的畏惧心理，甚至有些学生因此还产生了厌学情绪。那么如何做到让学生有兴趣学习，并且能学好这门课，就是老师需要解决的首要问题。笔者经过多年的教学经验，进行了一些尝试，收到了良好的效果。现在归纳如下，以飨读者。
1 紧抓主线
数字信号处理课程的一条线主线就是Z变换-离散傅里叶变换（对于连续信号，则是S变换-傅里叶变换），Z变换的公式是
X（z）=∑n∞=-∞x（n） z-n （1）
其收敛域是Rx-
再看看周期信号的傅里叶变换为什么不存在。因为z变换存在的条件是
|X（z）|=|∑n∞=-∞x（n） z-n
显然周期信号是不满足式（2）的，学生自然就知道了周期信号的傅里叶变换只能用傅里叶级数表示了。
而对于用模拟滤波器间接设计数字滤波器，更是应用了这条主线。Z变换与s变换的关系是[2]：z=esT，设s=σ+jΩ，z=rejω，则
σ=0，r=1σ1 （3）
由式（3）看出，单位圆上的z变换对应的是虚轴上的s变换，单位圆内的z变换对应的是左半平面的s变换，单位圆外的z变换对应的是右半平面的s变换。一目了然，简单明了。
因此，只要一开始给学生说明，整本书就是讲一个公式，则学生就会以比较轻松的心态去学习了。
2优化授课内容，减少数学推导
首先，选择难度适中的教材，难度过大的教材一开始就降低了学生学习的积极性。所以在教材和教学内容上要做到优选内容、侧重兼顾，本教学团队选择的是由高西全和丁玉美编著，西安电子科技大学出版社出版的《数字信号处理》，本书内容难度相对较小，但不失系统性，由连续信号经过采样得到离散信号及离散系统，从而讲清楚了采样定理，在此基础上讲授离散傅里叶变换及z变换，以及二者的关系，通过z变换的收敛域讲清楚了只有当单位圆上的z变换存在时，其离散傅里叶变换才存在，从而让学生知道了周期信号的傅里叶变换不存在的道理。
其次，要注意前后教学内容的衔接和优化。将信号与系统的基础概念、连续与离散系统的时域分析与频域分析（傅里叶分析、拉氏分析、z变换分析等），以及系统的状态变量分析等内容在“信号与系统”课程讲。而将数据采集、量化、A/D、D/A转换、离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、IIR和FIR数字滤波器的设计及有限字长效应等内容作为“数字信号处理”课程的主要内容。这样，就不至于出现重复讲授，既节约了时间，又不至于使得学生生厌。
“数字信号处理”是建立在数学基础上的学科[2]，课程的特点是理论性强、抽象概念多、起点高、难度大、数学推导严密[3]。但大量的数学推导会让学生感到枯燥乏味，产生畏惧心理甚至厌学情绪。因此，在教学过程中教师应强调基础理论知识，减少数学推导，更加注重强调应用背景和实际意义，尽量将学生的注意力放在概念意义的理解和技术应用，从而加深学生理解。例如在讲解离散傅立叶变换时，假如单单讲解离散傅立叶变换的定义和特性再进行数学推导，学生会很难理解，而且会感到枯燥乏味。但是通过对离散傅立叶变换和反变换在语音信号处理、生态系统处理以及数值分析等各个领域应用的讲解，可以使学生深刻的理解和掌握其概念。
还要对课程重点内容通过深入详细地分析其特性及与其他知识点之间的相互关系，使学生能够真正理解其实质，从而达到触类旁通的效果[1]。
关键词：大班教学；形象化教学；学习共同体；数字信号处理
作者简介：卢迪（1971-），女，天津人，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，教授；兰朝凤（1981-），女，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，讲师。（黑龙江 哈尔滨 150080）
基金项目：本文系黑龙江省新世纪高等教育教学改革工程项目（项目编号：66996）、哈尔滨理工大学教育教学研究项目（项目编号：C201200011）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0086-02
自大学扩招以来，各高校普遍存在学生多教师少现象，因此本科生的公共课、专业课的讲授常采用大班额配课制度，学生数在百名左右。大班教学带来的问题主要有两个方面：一方面是大班教学对学生学习积极性的影响。在大班教学中，师生之间的交流较小班教学减少，学生的个性差异和独特性被忽视，学生往往学习动机较低、学习积极性较差、学习被动、注意力不集中，师生之间和生生之间互不认识、互动很少。[1-3]另一方面，从教师的角度来说，由于大班教学导致学生发言、表达自己的意见机会大大减少，课堂气氛比较沉闷，教师往往采用“一言堂”的教授模式，教学方法单一，而且由于课堂教学时间有限、学生数多，教师很难从学生那里得到有效反馈，不能全面了解学生对课程内容的接受、理解程度。
针对这些问题，越来越多的高校教师关注于大班教学方法的研究，从中国知网的统计来看，2010年发表的相关研究论文有123篇，2011年有203篇，2012年有155篇。这些论文中，80%左右的研究集中于大学英语等公共课程，而对专业课程的大班教学方法研究较少，因此本文针对“数字信号处理”这门专业课的大班教学方法进行了一些探讨。“数字信号处理”课程是通信工程、电子信息工程、信息工程、自动控制、测控仪器等专业的重要专业基础课。该课程理论性强、数学知识应用较多、物理意义不明显，公式推导多，是学生普遍认为较难学懂、理解的课程之一。本文针对大班教学环境特点，从激发学生学习主动性，构建学习共同体方面出发，通过改善课堂效果，提高课堂上的学习效率，达到提升“数字信号处理”课程大班教学质量的目的。
一、建立“学习共同体”教学模式
“学习共同体”是指由学习者及助学者（包括教师、专家、辅导员等）共同构成的团体。团体成员在学习过程中经常进行沟通、交流，并分享各种学习资源，共同完成一定学习任务，形成相互影响、相互促进的人际联系。学习是学习者主动构建内部心理表征的过程，学习过程需要与物和教材对话、与他人对话、与自己对话。为此，教师要在教学过程中给学生“自主学习的空间”，使学生针对任务或问题去思考、分析、理解、探究，和学生构建“学习共同体”，增进师生之间、学生之间的协作和互动，[4]将学习的主动权归还给学习者，激发学生内在学习动力，将传统课堂教学活动中教师负责“教”、学生负责“学”的单向活动回归到师生互教、互学的双向活动，师生关系不再是“管理者—被管理者”的关系，而是“民主平等”的关系。课堂上，教师不再是知识的主讲者，而应像主持人一样，是知识的介绍者和串联者，学生应作为知识的“主讲者”阐述其对知识的理解。只有理解“知识”，而不是死记硬背“知识”，才能应用“知识”。譬如在讲授傅里叶变换时，教师在课堂上可以先从周期信号的分解历史开始介绍，从18世纪Euler、Lagrange等科学家对弦振动的分析（此内容物理中有相应实验），19世纪Fourier给出了周期信号级数的展开和积分、Parseval关于时域和变域的能量守恒原理、Dirichlet给出的级数和积分条件、Gibbs阐述的吉布斯现象，到20世纪无线电的产生、Nyquist采样定理、Wiener功率谱、Cooley&Tukey给出的FFT算法等。通过对傅里叶变换演变历史的介绍，学生很容易接受将任意信号分解为三角函数或指数函数形式的必然性，进而理解傅里叶变换的重要意义，掌握信号从时域到频域的转换过程。鼓励学生利用强大的网络资源，对教师介绍的有关历史进行深一步的挖掘。在这个过程中，学生会对相关知识进行初步学习，当课堂上教师讲解到相关知识点时，学生可以进一步补充自己了解的内容和对该知识点的理解。
大学工科专业课所讲内容本质上是数学、物理、化学等基础知识在工程实践中的应用，如何将这些基础知识与工程实践相结合是工程类本科学生必须掌握的技能，而只有理解这些基础知识才能很好地应用它们。英国著名哲学家和物理学家波兰尼将人类的知识分为显性知识和默会知识，其中默会知识本质就是理解力，是一种领会进而把握经验、重组经验，从而达到对它的理解和控制能力。相同的教师给同一批学生授课，但是每个学生的理解程度不一样，这就是默会知识掌握程度不同。默会知识的获得是与特定的问题或任务情景联系在一起的，由于每个学生的理解方式都受其独特的生活和文化环境影响，因此对相同问题的理解也是不一样的。掌握默会知识的最好方法就是让学生置身于知识所在的日常实践情景和科学实践情景中，通过参与专家、同伴的思考和行动过程而获得那些不能明确表达的规范、准则等。
为加强“数字信号处理”这门课的实践性，尝试将学生分为Flash课件制作组、MATLAB课件制作组，DSP程序编写组等，让学生将比较抽象的数字信号理论知识用自己的方式形象化表达出来，以判断其对默会知识的掌握。通过小组合作，学生可以充分阐述自己的学术观点，在观点的碰撞中，触发灵感，加强批判性思维，提升对所学知识的理解程度。
二、课堂效果的掌控
“学习共同体”的建立是要激发学生内在的学习动力，调动学习主动性，而课堂学习效率的提高可以达到事半功倍的效果。首先要建立统一、规范的课堂秩序，如上课不迟到、不早退，上课时不准许使用手机、笔记本电脑等电子设备，不能无故大声喧哗，发言前要举手示意教师等基本行为准则。没有规矩不成方圆，在确保课堂教学秩序的前提下，才能保证教学效果，要使学生清楚了解、理解这些行为规范，并自觉遵守执行。其次，教师要利用语言表达能力和肢体语言吸引学生的注意力。教师的语言要简洁、准确、生动、富有逻辑性，可以通过声调的变化强调所讲知识点的重要性。由于采用多媒体教学，教师不用一直站在讲台上，可以到学生座位附近边走边讲，这样，不仅可以缩短师生之间的空间距离，还可以缩短师生之间的心理距离。当教师走到学生身边时，学生必定会将注意力转移到教师身上，提高了其听课的专注度。教师在教室内的走动，还有利于随时维护课堂秩序，并随时得到课堂信息的反馈。
课堂秩序的规范不是要求学生沉默地听，而是要保证正常的教学秩序，学生如果想要发表自己的见解，可以随时举手示意教师。教师鼓励学生之间进行讨论，而教师则处于一种裁判的地位，负责给出结论和维持课堂秩序。这样，在课堂教学中，教师不再始终处于主讲地位，而是将学习的主动权交给学生，激发学生主动学习的能力。
三、“数字信号处理”课程的形象化教学
在文献[5]、[6]中都提到了“数字信号处理”课程形象化教学方法，目的是更好地帮助学生建立起数学描述与物理概念、物理过程之间的联系。因此在课堂上，教师要鼓励学生将数学描述用图形的方式表达出来。譬如在学完DFT的定义后，可以启发学生将拉氏变换，连续时间信号傅里叶变换（FT）、序列傅里叶变换（DTFT）与离散傅里叶变换（DFT）在s平面、z平面上画出来。虽然教材上有相关图形，但是可以让学生将这几个图形及模拟滤波器的频率响应、数字滤波器的频率响应绘制在一张纸上，如图1所示。在图1（a）中，虚轴上的拉氏变换对应连续时间非周期信号的FT；当时间信号为非周期序列时，进行DTFT变换，那么z平面上（如图1（b）所示）的单位圆对应的是序列的FT，此时学生可以清晰地看出数字频率仍然是连续的，但是具有了周期性质，这种频率连续的信号仍然不能用数字处理芯片进行处理，因此要在单位圆上进一步将连续的进行离散，如图1（c）所示，将单位圆N等分，即，可清楚表明DFT的概念。在解释图1（d）（e）时，重点强调模拟滤波器的角频率范围是，而数字滤波器的数字角频率是周期性的，只研究这一个周期就可以。
在课堂讲授中，多媒体教学能将抽象、生涩的知识形象化、直观化，改变了传统教学中粉笔加黑板的单一、呆板的表现形式。在多媒体教学上，可以将PPT、flash和MATLAB综合在一起应用。例如，在讲解卷积、圆周卷积等概念时，由PPT给出相应概念与公式，用flash展现2个序列做卷积、圆周卷积的过程。将圆周卷积中的移动序列做成一条贪吃蛇的形状，学生们看了之后，对圆周卷积有了一种直观的认识，对其原理的理解也更透彻。此外，多媒体教学信息量大，可以提高课堂的教学效率。但是，对于“数字信号处理”这类理论较强的课程，单纯使用多媒体教学，效果往往不佳，譬如在推导一些定理、公式时，推导过程直接呈现在PPT上，学生一眼扫过，导致思路跟不上（或也不愿意思考），理解不透彻，此时还是传统的板书效果更佳。在授课中，将知识的重点、难点及重要公式的推导由板书的形式呈现出来，方便学生记笔记，有利于学生日后对资料的整理和复习工作。
四、小结
“数字信号处理”是一门理论强、公式多、难理解的课程，在大班教学环境学下，如果学生不积极参与到教学活动中，则教学效果不佳。通过推行“学习共同体”思想，激发学生学习的内在主动性，通过形象化教学，提高学生学习的外在兴趣点，以达到学好、学透“数字信号处理”这门课的目的。
参考文献：
[1]陈艳莲.高校大班教学存在的问题及教学方法的优化[J].教育与职业，2011，（12）：164-165.
[2]刘晓利.“特朗普制”教学模式与大班课堂教学的控制[J].计算机教育，2011，（12）：59-61.
[3]于化新，刘慧慧，谢鑫.大班教学问题与策略的探讨[J].当代教育论坛，2011，（6）.
[4]薛焕玉.对学习共同体理论与实践的初探[J].中国地质大学学报（社会科学版），2007，（1）.
