时间：2022-10-26 14:31:49
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全桥逆变器采用的是绝缘栅双极晶体管，控制方式为有限双极性控制[4]，如图2所示。全桥逆变器的工作原理为：接通任一桥臂的两个绝缘栅双极晶体管，如IGBT1和IGBT3，接通时间ton，其值为DTs/2，（D为占空比，Ts为交替接通周期）。另一桥臂的晶体管IGBT2和IGBT4依次接通Ts/2。除IGBT1与IGBT4同时接通或IGBT2与IGBT3同时接通外，高频变压器的一次电压和输出电压均为零。受负载电感的影响，负载处在一个交替接通周期内可以形成稳定的恒定电流。脉宽调制脉冲的宽度和负载的性质共同决定了负载电流的大小。在晶体管IGBT2和IGBT4的脉宽调制波形设置一个死区时间，以防所有开关管同时接通而产生短路。输出电流的调节通过IGBT1和IGBT3驱动信号的脉宽调节。
2数字脉宽调制
作为逆变电路的核心，输入信号经脉宽调制器与给定值比较后，转变为具有一定占空比的脉冲信号输出并驱动电路，进而对整个逆变电源的输出进行调整和控制。数字信号处理器中自带有脉宽调制模块，该模块中具有8个I/O引脚，组成编号为PWM1H/PWM1L、PWM2H/PWM2L、PWM3H/PWM3L、PWM4H/PWM4L的4个高/低端引脚对，并分别由4个占空比发生器控制。I/O引脚对低端与高端的状态在负载互补时恰好相反。脉宽调制模块具有4种工作模式，能够实现有限双极性控制。数字脉宽调制流程如图3所示，其工作模式由脉宽调制时基控制寄存器设定。引脚对PWM1H/PWM1L设置为递增/递减模式时，可以控制全桥逆变器中的晶体管IGBT2和IGBT4；引脚对PWM2H/PWM2L设置为双更新模式时，可以控制全桥逆变器中的晶体管IGBT1和IGBT3。无论何种工作模式，脉宽调制的定时周期均通过控制寄存器实现。IGBT2和IGBT4的占空比由占空比寄存器1设定，并在有限双极性控制模式下设置为1；IGBT1和IGBT3的占空比由占空比寄存器2设定，并在有限双极性控制模式下不断更新，其更新数据由PI控制模块根据反馈电流或电压计算得到。脉宽调制时基控制寄存器的值在实时控制过程中不断增加，并不断与占空比寄存器的值进行比较，直至两者相等时输出脉宽调制信号，并通过设置置位比较控制寄存器将输出信号分为低有效和高有效。通过设置脉宽调制模块自带死区时间发生器的控制位，可以为PWM1H/PWM1L的死区时间设置插入位置和大小。2.3PI调节对于对象为惯性环节或滞后环节的连续控制系统，理想的控制方法是比例+积分（PI）控制，以保证系统稳定后不会出现稳态误差。由于高频逆变电源的对象为二阶惯性环节，因此适于采用增量式PI控制[5]。在由数字信号处理器控制的逆变电路中，采用软件得到的高频方波信号具有精准的占空比和频率，如图4所示。图中Ig和If分别为基准电流和实测电流，e为两者的差值，即电流偏差，Ig为数字信号处理器产生的方波电流。PI调节的执行机构和控制对象分别为脉宽调制模块和全桥逆变电路。即将电流偏差e输入PI控制器，由脉宽调制模块输出脉冲信号，以调节逆变电路的交替接通，进而控制电流。
3实验研究
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。
1．1图解法图解法主要是在坐标系上，严格按照计算（1）式的四个步骤：翻转、移位、相乘和求和，得到线性卷积结果。采用图解法比较直观讲解线性卷积的计算过程，在数字信号处理教材中常采用图解法为例讲解线性卷积的计算［1，2］。
1．2多项式法多项式法是根据序列x（n）和h（n）构造多项式，序列x（n）和h（n）的元素作为多项式的系数，例如：根据序列x（n）＝｛1，3，2｝构造多项式x2＋3x＋2，根据序列h（n）＝｛10，20｝构造多项式10x＋20，把两个多项式相乘（x2＋3x＋2）＊（10x＋20）＝10x3＋50x2＋80x＋40，相乘所得的多项式的系数构成的序列｛10，50，80，40｝即为线性卷积的结果。
1．3竖式法竖式法是把序列x（n）和h（n）按照最后一位对齐，进行竖式乘法运算［4］，但各个元素相乘后不进位，例如序列x（n）＝｛1，3，2｝和h（n）＝｛10，20｝按照竖式法计算线性卷积如图1所示，则线性卷积结果为｛10，50，80，40｝。
1．4FFT快速算法当循环卷积的长度L大于或等于线性卷积的长度N＋M－1时，循环卷积的结果和线性卷积的结果相等，所以只要FFT快速算法的计算点数大于线性卷积的长度，就可以采用FFT快速算法计算出线性卷积，在MATLAB软件中提供了FFT快速算法的函数，通过调用fft函数和ifft函数完成线性卷积计算［5］。上述计算线性卷积的方法中，图解法适于讲解线性卷积的运算规律，多项式法和竖式法适合于快速计算出线性卷积的结果，FFT快速算法适合采用MATLAB软件编程实现。
2循环卷积的计算方法
2．1图解法图解法主要是在坐标系上，严格按照计算（4）式的六个步骤：补零、周期延拓、翻转、移位、相乘和求和，得到循环卷积结果［6］，采用图解法比较直观理解循环卷积的计算过程。
2．2矩阵相乘法由于循环卷积在对序列x（m）经过补零、周期延拓、翻转得到的序列x［（（－m））L］＝x（L－m）为循环倒相序列，循环右移序列x［（（n－m））L］为对循环倒相序列进行循环右移n位后得到的循环移位序列，然后把得到的循环移位序列与h（m）相乘并求和得到yc（n），由于相乘求和运算可由矩阵相乘代替，即由循环移位序列构成L点循环卷积矩阵，与由h（m）构成的L维列向量相乘，得到yc（n）。采用矩阵相乘法计算循环卷积简单明了，在数字信号处理教材中大多采用此方法为例讲解循环卷积的计算［1］。
2．3线性卷积法由于循环卷积和线性卷积满足的关系如（5）式所示［1］。当循环卷积的长度L大于或等于线性卷积的长度N＋M－1时，线性卷积yl（n）做周期延拓无重叠，此时循环卷积和线性卷积相等，此时线性卷积的结果为循环卷积的前N＋M－1项，循环卷积的后L－N－M＋1项为零。当循环卷积的长度L小于线性卷积的长度N＋M－1时，线性卷积yl（n）做周期延拓有重叠，循环卷积的结果有两部分组成，一部分是线性卷积不重叠的部分，n的取值区间为N＋M－1－L≤n≤L－1，此时循环卷积和线性卷积相等；另一部分为重叠部分，n的取值区间为0≤n≤N＋M－L－2，重叠部分的循环卷积计算如（6）式所示。上述计算循环卷积的方法中，图形法适于讲解循环卷积的运算规律，矩阵相乘法和线性卷积法适合于快速计算出循环卷积的结果。
3结论
教学中要注重教学方法和手段的推陈出新，充分调动学生的积极性和创造性，强调基本概念和原理的正确理解，教学中应特别注意以下几个方面。
(一)优化教学方法上好“绪论”课，以知识的应用提升学生学习兴趣。目前，有相当一部分学生“信号与系统”学得不好，主要原因是学习积极性不高，看到满篇的公式就害怕，由此对课程学习失去信心。针对这种情况，教师要在提高学生学习兴趣和主动性方面下功夫。教师需用启发式教学取代以教师、课堂、课本为中心的灌输式教学。可利用“绪论”课激发学生学习热情:利用多媒体着重介绍数字信号处理在通信、语音和图像处理等领域的应用实例，如，手机的DSP芯片、门禁系统、心电信号滤波、数字图像处理、视频监控、微信等，让学生明白该课程的重要性及其应用领域，提升学生对数字信号处理的兴趣与学习积极性。在教学过程中灵活设置教学情境，增加互动环节，多做一些设计性实验，拓展思维、增强信心。淡化公式推导，着重强调概念的物理意义和联系。由于教材中大部分定理和结论是通过推导得出的，一些学生过于注重公式推导或证明。其实，授课时只需详细推导典型公式，把一些重要的公式讲清楚，类似的内容可让学生课后自学。课堂上教师要尽可能淡化推导和解题技巧，强调所得出结论的物理意义和工程应用，将抽样、频谱分析、滤波等工程应用案例穿插于理论教学中，让工程应用成为“数字信号处理”教学中的主线，做到数学概念、物理意义、工程应用三者并重，［4］提高学生学习这门课程的兴趣，增强学习的目的性和主动性。突出重难点，灵活采用多种教学方法。教学过程中分清主次，重难点内容重点讲、详细讲，较简单的或应用不多的内容则少讲或让学生自学。教师根据教学内容灵活选取不同的教学方法，如案例法、比喻法、对比法等，［5］通过分析和归纳总结的方式优化教学方法，分解复杂问题。如，讲授线性卷积时，将待卷积的两个序列看作站成两排等待领导接见的群众，而卷积运算过程相当于领导和所接见群众依次握手的过程。教师要善于运用幽默形象的语言和高超的艺术，把抽象而枯燥无味的知识变得生动有趣。巧用对比法。对比法能潜移默化地引导学生将相近或相似的概念和方法进行小结、比较和分析，不仅能更好地理解不同内容之间的共性和个性，而且能够培养发散思维能力，提高学习效率，如图2，将ZT、DFS、DTFT、DFT几种变换通过图表来比较，清晰地展现常见变量间的关系，避免混淆。为了让学生对所学知识之间的联系、用途有清晰的认识，可利用“知识树”的形式把每个章节的重点层层分解，将所学知识点和应用联系起来，便于归纳和总结(如图2)。讲解IIR和FIR滤波器设计时，先向学生讲清为什么要设计数字滤波器、有哪些应用、设计数字滤波器需要用到哪些知识。这样，学生会自然而然地把所学知识点联系起来。关注师生交流和信息反馈，重视因材施教。教师要根据不同专业和学生基础等方面的差异，在讲课方式和侧重点上有所区别。教师要及时掌握学生的学习动态，调整教学内容和方法，帮扶“学困生”，提升“优等生”。
(二)改革课堂教学模式传统与现代教学手段并用。运用多媒体教学能使抽象难懂的教学内容形象化、直观化，提高教学效率。［6］但在实际的“数字信号处理”课程教学中，过多地采用多媒体教学，教学效果并不理想。课堂中灵活运用黑板板书、多媒体课件、Matlab或LabView软件演示，可增强师生互动。［7］难一点的公式推导和证明，仍然采用传统板书方式教学，尽量放慢讲课节奏，留给学生充裕的思考时间，达到深刻理解的目的。对于比较抽象的概念、原理或结论，如信号采样及恢复、频谱分析、循环卷积等，可借助多媒体技术将教学内容生动、形象、高效地展示在学生面前，让学生更清晰地理解其物理意义。建设网络或视频资源共享平台也可避免多媒体教学课堂容量大、教学内容难消化的问题。课后，让学生登陆网络课程，弥补大班教学人数过多造成的师生沟通不便、信息反馈通道不畅的问题;通过网络答疑、讨论和激励制度激发学生学习兴趣和主动参与性。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。［8］共同体成员在学习过程中经常沟通、交流，分享学习资源，共同完成特定学习任务，形成相互影响、相互促进的学习组织。在大班教学中建立学习共同体，在课堂教学中形成师生互教、互学的互动关系，教师在教学过程中给学生自主学习的空间，学生根据所接受的任务去发现、思考和解决问题，增进协作和互动，激发学习主动性，从而改善课堂教学效果，提高学习效率。
(三)强化实践教学，高度重视学生实践能力的培养应用型人才培养应始终坚持理论与实践并重的原则。理论教学只是学习该门课程的一部分，将所学理论知识应用于实践，才能达到学以致用的目的。为此，必须加强实践教学环节。运用仿真软件教学。仿真软件Matlab和Labview以其编程和调试简单、代码短、效率高等特点深受广大教学和科研人员的欢迎，［9］广泛应用于控制系统、系统仿真等领域。结合几年来“数字信号处理”课程的授课经验，在课程中引入Matlab和Labview软件，让学生动手完成系统设计和仿真，拓展实验教学的深度和广度，有助于增强学生学习成就感，培养学生的创新能力和设计能力。CCS是TI公司推出的DSP软件集成开发环境，它运用图形接口界面，提供工程管理和编辑工具。教师可以用2学时介绍DSP结构、开发环境、DSP系列及其应用实例。通过了解DSP仿真软件CCS，为后续的DSP课程设计教学奠定基础。优化实验教学内容和改革实验教学手段，加强教学内容和工程应用的融合。“数字信号处理”教学应坚持以实践性和应用性为教学目的，分层设计实验，优化实验内容，尽量减少验证性实验，增加综合性、设计性、创新性、开放性实验教学内容。革除填鸭式教学，开展“项目导向、任务驱动、案例教学”的教学模式，结合学生情况，创设情境，教师提出任务，学生边学边练，完成自主学习任务，充分培养学生的再学习和主动学习的能力。［10］针对每一章的具体内容，在讲授理论知识之前先给学生一个具体的工程应用例子，提出问题，引导学生积极开动脑筋，督促学生课后以小组为单位主动查找相关资料，提出解决问题的方法和思路。如，在讲授数字滤波器之前，教师可设计数字滤波器对心电信号进行去噪处理。同时，教师可以电子设计大赛等学科竞赛为契机，以毕业设计为导向，有意识地引导学生进行创新性课题的研究，深入掌握信号处理理论，增强工程应用能力和团队合作精神，做到学以致用。
二、考核方式的改革
1.1围绕问题开展教学PBL教学模式先提出问题，以问题为基础和起点，所有的学习均围绕问题展开。
1.2强调学生的团队协作性PBL教学模式以学生小组为单位进行，小组成员要积极配合，既有分工又有协作，通过调查和收集资料,疑难问题讨论和意见综合等协作学习,实现知识的共同建构。
1.3具有师生交互性PBL教学模式实施过程中，教师通过设计问题、并创造合适的学习环境，引导学生对问题开展学习活动，师生之间展开密切的交流、探讨，促进和指导学生有效地学习，寻求问题的解决。因此，对于以培养适应地方经济社会发展需要的应用型本科人才为目标的高校，为促进学生解决实际问题的实践能力和团队合作能力，非常适合在电子信息类实验教学中引进PBL教学模式。
2PBL模式在数字信号处理实验教学中的应用
2.1课程情况概述
笔者所在学院的电子信息工程专业所开设的《数字信号处理》课程，总课时为64学时，包含16学时的课内实验。传统的课内实验均为验证性实验，大部分学生只会简单地照搬实验讲义的详细步骤完成固定的实验内容，而对实验内容及结果所反映的原理并不理解。因此，结合教学改革要求，在新的课程实验设置中显著提高了综合性、设计性实验的比例，这些实验项目以问题为导向，教师主要给出实验的要求和技术指标，要求学生自主选择并综合利用学过的理论知识和实践技能去实现一个比较完整的数字信号处理系统，体现了典型的PBL教学法的应用优势。
2.2PBL模式实验教学的具体实施
2.2.1学生分组与基本培训在实验课之前，首先对学生进行PBL教学模式的基本培训，使学生明确PBL教学的目的、方法、要求及评价手段等。同时，在40人的班级中建立10个学习小组，每组4名学生。各组分别推选一名组织能力和责任心较强的同学担任组长，负责本小组成员的组织协调和分工。
2.2.2问题设置问题设置是PBL教学实施中的核心环节。在这一环节中，教师根据教学大纲和实验教学内容，对实验课题设置若干应用问题。围绕我校应用型人才培养的方针，所设置问题尽量贴近应用开发实际，以培养学生的工程应用开发能力为导向。具体来说，问题设置主要遵循的原则为：(1)问题具备真实的工程背景；(2)问题具备开放性和劣构性；(3)问题具有一定的层次性和复杂度。下面以本实验课程中的一个可选的综合设计性实验为例，介绍相关问题的设置。该实验的基本内容为，设计数字心电采集系统，实现含有噪声的心电信号的采集和滤波。实验前，由教师提供一个包含心电传感器和放大电路的实验板，以及一个包含单片机及A/D转换器的接口板。实验要求分为两个阶段：第一阶段为心电信号的采集，与学生正在同时学习的单片机课程相结合，要求学生通过单片机编程控制A/D转换器，将放大后的模拟心电信号转换为数字信号，并通过串口传送至pc机。在这一阶段，设置的主要问题包括：如何根据信号带宽确定合适的采样率等。通过这些问题，引导学生在实践中深入理解采样定理。第二阶段的工作，则是在PC机上通过Matlab对采集到的数据进行读取和滤波，去除工频干扰、高频肌电、基线漂移等。该阶段设置的主要问题包括：有效信号的主要频率范围、主要干扰源的频率范围、线性相位和非线性相位滤波对波形的影响、IIR和FIR滤波器的特点等。通过这些问题的设置，引导学生在实践中加深对IIR和FIR等滤波器各自特点的认识，并根据不同的工作目标选择合适的滤波器类型。
2.2.3分析问题与自主学习在实验项目相关的问题后，要求各学习小组的学生开展自主学习，认真阅读教材，复习已学过的相关知识，同时，利用图书馆、互联网等渠道查阅相关参考书籍和文献，并通过组内的不断交流和探讨以初步分析问题。
2.2.4集中讨论与问题解决在学生对实验所设置的问题进行初步分析的基础上，教师在实验课上组织学生开展问题的集中讨论，引导各学习小组进一步深入理解问题，研究问题的具体解决方法，并明确各人的任务分工。整个讨论过程以学生为主导,教师以共同讨论者的身份进行引导、启发。在自主学习和集中讨论的基础上，各小组最终形成具体的问题解决方案，并通过编程实现对问题的解决，进而完成相应的实验项目。
2.2.5总结与点评学习小组在编写程序实现问题解决的过程中，教师以实时巡视、检查进度、随机提问、验收成果等方式促进小组的工作。由于实验内容及对应问题的设置具有一定的开放性，学生解决问题的思路和方法也相应具有多样性，教师对各小组的问题解决方法进行归纳总结，并在下次实验课做出点评。
2.3PBL模式下的成绩评价
为了客观地评定学生的学习效果，需要采用多层次多角度的评价方法。最终成绩的评定并不仅仅由期末的实验考核所决定，而是突出过程表现，强调过程性评价。最终的实验成绩由以下几部分组成。
2.3.1自主学习表现该部分占总成绩的30%，主要衡量学生在PBL模式下的学习方法、学习态度和学习能力。具体评价点包括：学生是否阅读了相关教材、参考资料；能否有效利用所学的知识分析问题；在学习小组讨论中是否积极发言，发言内容是否与讨论的问题有关且具有一定的深度；小组成员间的互相评价。
2.3.2实验过程与实验报告该部分占总成绩的35%，主要衡量学生在实验中具体解决问题的能力和总结归纳水平。具体评价依据来自于教师巡视及提问的记录以及学生提交的实验报告。
2.3.3实验考试该部分占总成绩的35%。主要衡量经过一学期的PBL训练后学生个人的综合实验能力。具体评价依据来自于实验考试中对所给实验题的完成速度与质量。
3结语
1．1误码监测当前误码监测主要通过以下两种途径:(1)固定图形测试法。将测试信号发生器TSG422产生的一个固定图形测试信号送给被测数字电视通道的输入端，将该通道输出的数字信号接入WFM601波形监视器，波形监视器将显示出每一场有效图像面积数字信号的CRC循环冗余码数据检验字，第一场的CRC数值F1和第二场的CRC数值F2可以在监视器屏幕上显示出来。对于某一固定测试信号，CRC检验字的数值是恒定不变的，如果CRC数值发生变化，就表明产生了误码。利用泰克公司生产的数字分量视频波形监视器WFM601或VM700T的SDI选件都可以方便地进行误码的测试，只要将数字视频信号馈入测试仪器，即可进行误码的自动检测。(2)在线EDH误码检测处理。首先在串行数字电视信号源中插入EDH信号，该信号主要是利用EDH附件将每一串行视频信号进行计算，然后通过数字电视通道传送至测试接收机，接收机的EDH附件对图像反复进行相同的计算，并把计算结果与传送信号中的EDH信息的数据进行比较，如果与传送的数值不符，即判定发生了误码，屏幕上显示出节目的总时间和误码的个数。EDH信息是插入在串行数字电视信号中，所以能在系统工作期间进行测试，既可以测量有效图像的数据误码也可以测量全场信号的数据误码。含有EDH信息的场图像的CRC数据以及其他辅助数据同时插入到下一场场消隐的开始端处。2MPEG协议分析和监测MPEG系统故障主要分为两大类:第一类，由于编码器和解码器本身的错误，导致由传输系统传来的正确信息变成错误的。第二类，编码器和解码器状态良好，但是传输层破坏了数据。
2、1.TS流分析
MPEG传输码流有着极其复杂的结构，但是MPEG协议分析工具可以用逻辑方式解析结构，从而可以对实况传输码流进行实时分析，观察任何结构上的细节。节目专用信息插入的频率分析:用不同的方式给出各个子表格如PAT、PMT、NIT、SDT、BAT、EIT等的发送频率，复用传输码流的码率为20Mb/s。第一项(P．inbytes)是以字节为单位表示的子表格在传输流中出现的最大平均周期;第二项(P．insex．)是以秒为单位表示的子表格在传输流中出现的最大平均周期;第三项(Tablelength)是用字节为单位表示的子表格平均长度;第四项(Rate)表示子表格发送的码率。通过分析PCR节目时钟参考和时间标记数据来检查定时是否正常。来自复用器输出的PCR数据可能是精确的，在数据复用之后，对PCR抖动进行检测显得很重要。2．2PES分析T－STD缓冲器占有量分析:在MPEG中，一个给定的基本码流必须满足解码器的缓冲能力，MPEG编码器不能超出T－STD的缓冲能力而使数据上溢或下溢。传输流中包含有VBV(视频缓冲校验)的系数，该系数规定了一个基本数据流需要的缓冲量。T－STD分析以图形方式显示缓冲占有量，可以观察到各个缓冲器的占有率和占用字节的多少，这样可以很方便地从曲线图中观察到数据的上溢和下溢。
3、数字电视信号质量的监督和测量
针对数字电视信号的特点，在ETR101290标准中，按照错误对信号影响的因素，以此为标准把错误划分为第一优先级、第二优先级和第三优先级3个优先等级。第一优先等级错误通常会造成解码器无法正常解码的现象，会出现节目关联表错误、同步字节错误以及传输流同步丢失。第一优先级参数直接影响节目图像和伴音的内容。出现第二优先级错误时会损伤已解码图像，或者引起断续解码，这一优先级参数包括传输错误、节目时钟基准错误等内容。第二优先级参数直接影响传输的可靠性。第三优先级错误指示编码器、复用器的问题但不影响可解码性，对图像质量影响较小，包括网络信息错误、服务信息重复周期错误、业务描述表错误等参数。第三优先级参数影响显示结果。目前服务器是数字电视信号监测系统进行监测工作的主要平台，数字电视信号监测系统硬件基础为数字电视信号采集卡。检测主机除包含服务器及数字电视信号采集卡外还有相关软件包，数字电视信号通过DVBPSI接口或DVBASI接口连接到监测主机。监测工作的首要步骤是基带数字电视信号通过信道调节器解出，然后监测主机通过ASI接口对基带数字电视信号的数据流进行监测分析，按照监测规定，对数据流的监测结果通过数据报表、参数显示或报警等显示。
4、数字电视射频信号监测
一取样过程产生的信号损伤
在取样的过程中对信号造成的损伤主要有：孔阑效应、混叠效应、过冲和振铃。为了说明这些损伤所产生的原因，我们在以下叙述中给出分析结果。
取样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。根据奈奎斯特取样定理：对于最大频率为fm的信号f(t)，当取样频率fs不低于2fm时，由截止频率为fm矩形低通滤波器可以从取样信号中完全恢复原信号。但实际的物理过程与数字模型有不同的工程结果。
1.孔阑效应
在数学模型的理想化状态下理想的取样脉冲宽度为无穷窄，取样情况及其频域情况如图一所示，但在实际设备中取样脉冲只能是有限宽度的脉冲，它的取样情况及其频域情况如图一所示，很显然具有不等于零的实际的有限宽度的取样脉冲所引起的孔阑效应会产生高频衰落。
由于信号的高频部分反映的是视频图象的细节，因此高频衰落会导致视频画面的细节模糊。针对这种情况实际工程中一般采用在将数字信号恢复成模拟信号以后通过提升高频的办法对这种失真进行补偿和校正。一般来讲,由于取样信号的频率fs必须满足fs>2fm,而为了减少孔阑效应要求取样脉冲的宽度τ尽量小,因此要满足τ远远小于取样信号的周期T,即取样信号的脉冲宽度要满足1/τ>>2fm。
2．混叠效应
在实际应用中，为满足奈奎斯特定理在取样之前应使用截止频率为取样频率一半的滤波器对原信号进行滤波，滤除可能产生频谱混叠的高频成分，以保证新处理的信号是一个有限带宽的处理信号。理想低通滤波器特性如图二所示，但实际的低通滤波器性能如图三所示，因此为了尽量滤除大于1/2fc的频率成分，就要选择多阶滤波器。如果滤波器的阶数不足以达到滤除1/2fc以上的高频分量，会引起恢复的信号中频谱混叠效应。混叠效应在视频图象上表现为一种被称为morie的涟漪状的干扰。
3．过冲和振铃
在保证有效的消除混叠效应时，在上述情况已建议采用多阶滤波器以满足滤波器的带外特性，但是取样前的低通滤波器如果阶数太大，会引起过冲和振铃从而造成恢复的视频信号过渡的边沿不清晰。
针对以上两种信号损伤造成的矛盾，主观上选用阶数少的滤波器会有利一些，因为频谱混叠效应只有在图象有超过二分之一取样频率以上分量时，特别是有单频分量时才会明显感觉到，因此是偶发事件。但过冲和振铃效应却是只要有过渡边沿就回出现的经常性现象。因此就主观感觉来说，减少过冲和振铃留有一些混叠相对来讲更有利一些。一般工程上出于平衡考虑取样频率选为fc=(2.2---2.5)fm。
另外为克服这一矛盾的方法是采用过抽样方式，即在抽样时用两倍抽样频率抽样，这时频谱按两倍抽样频率周期重复，重复频谱中心频率之间的间隔比正常情况大一倍，如图四所示。这时抽样前的滤波相对简单，可以用阶数少、频率特性缓降的无振铃滤波器，然后在数字域用线形相位滤波器进行二分之一抽取滤波器恢复到原抽样频率样值。另外，在此过程中，取样频率增加了一倍，因此取样脉冲的宽度只有原来的一半，从而也起到了减少孔阑效应的作用。
二量化误差所带来的信号损伤
取样过程是把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，量化的过程则是进行幅度上的离散化处理。因此在时间轴的任意一点上量化后的信号电平与原模拟信号电平之间在大多数情况下总是存在有一定的误差，量化所引入的误差是不可避免的同时也是不可逆的，由于信号的随机性这种误差大小也是随机的，这种表现类似于随机噪声效果，具有相当宽度的频谱，因此我们又把量化误差称为量化噪声。但量化误差与噪声是有本质的区别的，因为任一时刻量化误差是可以从输入信号求出的，而噪声与信号之间则没有这种关系。
降低量化误差的方法最直接的就是增加量化级数减小最小量化间隔，但由此带来码率的增加从而要求更大的处理带宽，一般现在的视频信号均采用8比特、10比特，在信号质量要求较高的情况下采用12比特量化。此外，我们在设计一套系统的时候，可以考虑在系统的不同环节采用不同的比特量化，使得在系统的各个环节的量化级相互错开，从而避免量化噪声累积效果所产生的台阶效应，这种均衡的效果可以改善整个系统的量化失真。一般量化比特高的环节应该放在系统的前端，这样可以使系统的前端对信号造成的不可恢复损伤减小到最低限度。
为了减小量化误差我们还要正确的选择量化方式。量化有两种量化方式，一种是取整时只舍不入，此时产生的量化误差总是负的，最大量化误差等于两个相邻量化级的间隔d；另一种是取整时有舍有入，此时量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为1/2d。因此为了减少量化误差，应该采用有舍有入量化方式。
1．轮廓效应
如果信号两个相邻量化电平相差较大，若在图象面积较大的范围内，视频信号缓变区（如渐变的蓝天）能够看出不连续的跳变，即会在图象缓变区出现从一个量化电平到另一个量化电平之间的轮廓线，实际上就是图象的等量化电平线。这种轮廓线是原图象所没有的，所以又称为伪轮廓，即轮廓效应。
一种简单而有效的消除轮廓效应的方法是利用随机的高斯噪声信号发生器产生颤动信号，叠加到被量化的信号当中，当颤动信号的均方根值大于1/3d时人们便觉察不到轮廓效应的存在。在数字电视中使用最多的颤动信号是重复频率为取样脉冲的一半，峰-峰幅度为1/2d的方波，具体步骤如图五所示。
图五高频颤动的效果
由图五比较可以看出，叠加颤动信号的效果等效于将量化间隔由d减小到1/2d，或者说将量化级数提高了一倍（比特数由n提高到n+1），从而改善了轮廓效应。顺便指出，由于模/数转换中的取样、量化都属于非线形过程，难以避免会出现差拍干扰，采用叠加颤动信号的方法对于消除图象中的差拍干扰也同样有效。同时由于颤动信号的幅度小，频率高，并未对图象细节造成显而易见的损伤。
2．颗粒杂波
如果最小量化电平不够小，则图象较弱信号的缓变区可能会出现在邻近的两个量化电平之间产生由于四舍五入法则而造成的跳变，使得图象在这个区域内出现颗粒状的杂波，而人的视觉对图象弱信号缓变区的噪声则是非常敏感的。
为了克服均匀量化时这种大信号时信噪比有余，而小信号时信噪比不足的特点，我们可以采用小信号时量化级间宽度小而大信号时量化级间宽度大些的非均匀量化，又叫非线形量化。值得说明一点，数字摄象机信号处理大多数采用非均匀量化方式，这是由于摄象机中的光-电转换至电视机显象管中的电-光转换在内的整个电视信道必须保持线形，但是实际的电视系统在没有校正之前是非线形的，因此为了使最终显示出来的光像保持良好的线形关系，在摄象机单元必须对它进行校正，即γ校正。而γ校正类似于非线形量化特性，因此我们可以在量化过程中采用非均匀量化方式，在提高小信号信噪比的同时也满足了γ校正的要求。
另外，由于在实际的信号中，弱信号出现的概率是很大的，为了改善弱信号时的的量化信噪比，可以采用压缩扩张的编解码方法。在量化之前，先利用非线形器件将信号电平高的部分进行压缩，然后对压缩过的信号进行量化，解码后复原出的模拟信号再通过非线形器件对大幅度信号进行扩张恢复没压缩之前的比例关系，这种方法相对扩大了小信号的动态范围，等效于对小信号采用量化间隔小的细量化而大信号采用粗量化，从而改善了弱信号的量化信噪比。
三压缩编码所带来的信号损伤
数字电视信号数码率太高,数据量非常大。如果直接存储和传输不但开销很大，而且有时设备也承受不了如此大的负荷。压缩编码以压缩信源数码率为目的，尽量减少信源各符号的相关性，使信源的传输效率提高。当然，它是以牺牲图像质量为前提。必定会对信号造成一定的损伤。
下面针对几种常用的图像压缩方式，来看一下他具体会对信号带来什么样的损伤呢？
（一）差值脉冲编码（DPCM）
电视图像基本上是由面积较大的像块（如蓝天，大地，服装）组成。虽然每个像块的幅值各不相同，但像块内各样值的幅度是相近或相同的。换句话说，相邻象素之间有很强的相关性。我们就可以利用这些相关性对当前的像素进行预测。再利用预测值得到差值。这样在很大的程度上降低了信源的冗余度。这种压缩方法对视频信号会产生以下问题：
1由于在当前差值中包括当前的量化误差，而输出的前一样值又包括前一样值的量化误差，这就造成了量化误差的积累。而误差会传播，这就使信号抗通道误码能力减弱。
2边缘清晰度临界。根据DPCM编码思想，当被预测值处于图象突变边缘时，往往会导致错误预测或产生较大的预测误差。致使边缘清晰度临界。如：边缘为黑白突变，被预测值为x，x1x2x3x4x5为已知值，由DPCM编码可得
进行水平一维预测x=x1=0产生错误预测
进行二维预测x=x1+(x4-x5)/2=1/2产生较大的预测误差
（二）变换编码
变换编码首先对图象数据进行某种形式的正交变换，并对变换后的数据进行编码，从而达到数据压缩的目的。正交变换的种类很多，比如人们熟知的傅立叶变换，沃尔什哈达码变换，哈尔变换，斜变换，余弦变换，正弦变换，K--L变换。
变换编码中较常用的是离散余弦变换DCT，它首先将输入图象分成若干NXN的图象块，对每一小图象块进行正交变换，从空间域变换到频域。为了达到压缩的目的，对DCT系数需作量化处理。低频分量采用较小的量化间隔，量化误差小，精度高。频率越高，量化间隔愈大，精度越低。这是因为高频分量只影响图象的细节，对整块图象来讲，没有低频分量重要。读取时采用之字型。这样的处理给信号带来的损伤主要表现在：
由于高频信息的丢失，恢复图象中相邻块在边界上产生较为规则的误差分布，由于人眼对水平和垂直方向的规则误差分布具有特殊的敏感性，使得在主观感觉上认为具有规则误差分布的图象的质量明显降低，从而产生"块效应"。在拍摄一幅绿草如茵的草地中，充斥画面的草坪随风摇摆时，一种细块状的闪烁效应是这一失真的直观表现。
（三）运动补偿预测
运动补偿预测是一个有力的工具，以便减少帧间的时间冗余度，并作为用于DPCM编码的预测技术。运动补偿概念是以对视频帧间运动的估计为基础的。也就是说，若视频镜头中所有物体均在空间上有一位移，那么用有限的运动参数来对帧间的运动加以描述。为了做到这一点，画面一般划分成一些不连续的象素块，对每个这样的象素块，只对一个运动矢量进行估算、编码和传送。
在MPEG压缩算法中，运动补偿预测技术用来减少帧间的时间冗余度，只对预测误差画面（原始画面与运动补偿预测画面之间的差别）加以编码。运动补偿去除时间方向的冗余度，最多只能利用前后两帧图象间的相关性，效率不高。而实际上，尤其是在运动缓慢的图象序列中，在连续多帧图象间都存在着很强的时间相关性。正是由于它固有的缺陷，使得在图象活动剧烈或低码率通讯时，编码器只能通过迭用粗量化，降低帧频或舍去更多的DCT变换系数来降低码率，因而对信号损伤较大，丢失了许多有用的信息。在恢复图象中将出现明显的块效应和运动物体边缘的蚊音效应。
（四）混合编码
以两种或两种以上的方法对图象进行编码称为混合编码。我们熟悉的JPEG和MPEG都属于该种类型。
1JPEG
JPEG是处理彩色或单色静止图象的压缩标准。利用它可以获得较高的压缩比，并保持较好的信噪比，从而大大节省图象存储空间，降低通讯带宽。但是编码过程会使物体在背景中的位置略有移动（即发生几何畸变）。另外，高压缩比场合，JPEG的重建图象在水平和垂直方向可能有晕圈、幻影，产生"方块"效应。
这不难理解.在JPEG系统中,首先把原始图像划分成大小相等的像素块，然后对图像块进行离散余弦变换DCT（图像块的能量集中到少量的系数），再利用基于人眼特性的矩阵对变换后得到的系数矩阵进行量化，从而大幅度地压缩了矩阵系数，同时也造成了损失。最后对量化得到的矩阵系数进行无损熵编码。图像的重建过程是编码过程的逆过程。在高压缩比场合，JPEG的重建图像在水平和垂直方向出现晕圈、幻影，产生"方块"效应，就是因为对原始图像进行了分块的DCT变换和量化。如果不分块或分块很大而进行DCT变换与量化，那么图像块中像素能量集中到少量的系数效果将变的不明显，即不利于对数据进行量化压缩，同时还得使计算复杂度增加。这样一种现象实际上是离散余弦变换DCT本身的特性所造成的（采用离散正弦变换DST或离散傅立叶变换DFT结果类似）。
2MPEG
MPEG压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于16X16子块的运动补偿技术，用来减少帧序列的时域冗余；另一种是基于DCT的压缩，用来减少帧序列的空间冗余。
较为成熟的MPEG技术是MPEG1和MPEG2。MPEG1是为适应在数字存储媒体（如CD-ROM）上有效地存取电视图像而制定的标准（最高速率达1.5Mb/s）。它的压缩技术基础为：宏模块结构、运动补偿及宏模块的有条件再补给。MPEG2是MPEG1算法的扩展。是为MPEG1最初没有包括在内或未想到的应用提供的一种视频编码方法。特别是对MPEG2提出的一个要求，即它所提供的视频质量，不能低于NTSC/PAL，最高应可达到CCIR601质量。MPEG2编码算法的基础为通用的混合DCT/DPCM编码方案。
随着MPEG1和MPEG2的广泛应用，其缺陷也日渐显露，主要表现在：
（1）现已制定的标准所采用的技术，当码率很低时（低于64Kb/s）会产生严重的"方块"效应、"蚊音噪声"以及"动作失真"。而低码率要求是移动通讯信道所必须的。
（2）编码采用了预测编码技术。例如采用基于块的运动补偿来去除时间相关性。但信号的纠错能力主要依赖其相关性，特别在条件较差的信道中传播时，干扰造成的错误会迅速沿视频序列扩散。
在DTMB标准中，系统数据帧结构是一种4层结构，日帧由1440个分帧构成，分帧包含480个超帧，超帧则定义为一组信号帧，而信号帧是系统帧结构的基本单元，由帧头和帧体两部分组成。信息数据码流依次经过扰码随机化、前向纠错编码后进行从比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本数据块。基本数据块与系统信息组合后形成帧体，而帧体与相应的帧头（PN序列）复接为信号帧，经过基带后处理转换为基带输出信号，该信号经正交上变频转换为射频信号。帧头部分由PN序列构成，采用I路和Q路相同的4QAM调制。帧体部分包含36个符号的系统信息和3744个符号的数据，共3780个符号，其中，系统信息符号用4QAM映射为36个复符号，数据长度为3744个nQAM符号。CMMB标准中，来自上层的输入数据流经过前向纠错编码、交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行OFDM调制，调制后的信号插入帧头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射。物理层信号每1s为1帧，划分为40个时隙，每个时隙的长度为25ms，包括1个信标和53个OFDM符号。信标包括发射机标识信号（TxID）以及两个相同的同步信号。OFDM符号由循环前缀（CP）和OFDM数据体构成。OFDM数据体长度（TU）为409.6μs，循环前缀长度（TCP）为51.2μs，OFDM符号长度（TS）为460.8μs。发射机标识信号、同步信号和相邻OFDM符号之间，通过保护间隔（GI）相互交叠，保护间隔的长度（TGI）为2.4μs。
而关于DVB-T，是指利用开路地面传输媒介进行MPEG-2数字电视传输的标准，使用COFDM码分正交频分复用的信道调制技术，同时伴随着强大的纠错码，达到频谱利用效率与传输可靠性的平衡。COFDM信道调制编码技术提供两种子载波数量(2k和8k模式)、3种调制方式、4种保护间隔。DVB-T系统的信号以68个OFDM字符为一帧，每四帧构成一个超帧。每一个OFDM字符在8k模式下有6817个载波，在2k模式下有1705个载波，定义传输时间为TS，它由两部分构成，一部分为有用传输时间TU，另一部分为保护间隔Δ，每一帧中的字符由0〜67按序排列，每一帧中发送有用数字电视数据、导频（离散导频和连续导频）和传输参数信令（TPS）。表1列出了几种制式的OFDM符号的外部射频特征。
2基于OFDM符号特征的数字电视制式识别
在几种地面无线数字电视标准的帧结构中，OFDM符号作为最基本的单元承载着可以区别的一些外部特征。正交多载波调制技术把高速的数据流通过串/并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，分别调制一路独立的数据信息,调制之后将若干个子载波的信号相加同时发送。每个OFDM符号是多个经过相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)的子载波信号之和。根据表1列出的几种制式的外部特征，明显地在导频部分区别最大。对不同的数字电视制式，连续导频在OFDM符号中的子载波具有不同的位置，而离散导频则具有不同的子载波间隔特点。如DVB-T标准的OFDM符号中，离散导频等间隔为12，其功率为16/9,而传输数据的功率为1,而且离散导频数目很多,因此还可根据功率特性判断符号制式类型。与此类似，CMMB制式中离散导频间隔则为8等。
另外，由于CMMB标准中用于承载广播系统控制信息的控制逻辑信道采用BPSK进行调制，因此，若OFDM子载波中有BPSK信号，则可归类为CMMB标准。而DTMB标准和DVB-T标准可根据是否存在4QAM调制进行区分，因为在DTMB中信号帧的帧头采用的是4QAM调制，在DVB-T中不存在这种调制。OFDM复等效基带信号可以利用离散傅立叶逆变换（IDFT）的方法来实现。由于在数字调制信号中，星座图与调制类型有一一对应的关系，能同时反映PSK和QAM调制信号及其调制阶数的差别。得到OFDM子载波的调制信息后，可根据3种无线数字电视标准载波的调制特点，结合连续导频和离散导频的位置与幅度信息，对所测信号进行归类。基于OFDM符号的上述基本特征，我们在一个硬件实验平台上把相应的处理算法代码写入FPGA和DSP，成功地实现了对3种地面数字无线电视制式的识别。
3信号接收平台与分选识别实验
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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