數(shù)字信號處理教學(xué)實(shí)踐改革的研究

卜朝暉++郭心悅

【摘要】針對目前數(shù)字信號處理教學(xué)中存在的實(shí)踐環(huán)節(jié)較抽象，不利于學(xué)生深入理解的問題，進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐方法的探索和改革。在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中引入全新的數(shù)字信號處理開發(fā)工具DSP Builder，可以將Matlab中編寫的數(shù)字信號處理算法，直接在FPGA器件中得以實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時在線觀測，使得學(xué)生對所學(xué)數(shù)字信號處理的理論知識能有更生動的體會和更深刻的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理 ?DSP Builder ?教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)

【基金項目】論文由“上海理工大學(xué)‘精品本科系列研究項目”專項資助。

【中圖分類號】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）35-0231-01

數(shù)字信號處理是一門的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，由于理論性很強(qiáng)、比較抽象，對于聽課的學(xué)生和授課的教師均是一個難點(diǎn)。為了能讓學(xué)生深入的體會和學(xué)好數(shù)字信號處理的理論知識，教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)是必不可少的。

1.數(shù)字信號處理教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀

目前在數(shù)字信號處理課程的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，較為普遍的是采用MathWorks公司的數(shù)學(xué)分析軟件Matlab，學(xué)生通過Matlab軟件編程對數(shù)字信號處理的理論知識進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，這種通過純粹軟件編程進(jìn)行仿真驗(yàn)證的實(shí)踐方法仍然是比較抽象的，不利于學(xué)生對所學(xué)知識的深入理解，也不利于理論聯(lián)系實(shí)踐。

國內(nèi)一些高校開始采用Matlab編程與可編程邏輯器件相結(jié)合的方法來進(jìn)行該課程的實(shí)踐教學(xué)，這種將軟、硬件平臺相結(jié)合的方法是一個很好的嘗試，但它需要學(xué)生在熟悉可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上，熟練進(jìn)行硬件描述語言（HDL，hardware description language）的編程，這樣就容易使學(xué)生在掌握軟件使用和熟悉硬件平臺等方面花費(fèi)過多的時間，從而忽視了對數(shù)字信號處理課程本身一些重要理論和概念的理解與掌握，達(dá)不到教學(xué)實(shí)踐目的。因此，需要對本課程教學(xué)實(shí)踐的方法進(jìn)行探索和改革。

2.教學(xué)實(shí)踐方法的改革

2.1教學(xué)實(shí)踐方法的思路探索

需要找到一種簡單易行的方法，使得數(shù)字信號處理的理論算法可以在硬件上得以實(shí)現(xiàn)，并且可以通過嵌入式測量軟件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）對信號的處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時在線觀測，那么學(xué)生必然會對所學(xué)的理論知識能有更生動的體會和更深刻的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。

鑒于學(xué)生在前期課程中已學(xué)習(xí)過可編程邏輯器件FPGA的相關(guān)知識，而FPGA是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的通用硬件器件，如果能夠通過一種簡單的操作將數(shù)字信號處理的理論算法在FPGA器件中得以直接實(shí)現(xiàn)，那么就能起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

2.2 DSP Builder工具軟件的特點(diǎn)

在數(shù)字信號處理中Matlab是用作算法開發(fā)和仿真的軟件，而DSP Builder通過Matlab中的Simulink模塊將Matlab的算法開發(fā)和仿真與硬件描述語言（HDL）的綜合、仿真和Altera開發(fā)工具整合在一起，實(shí)現(xiàn)了這些工具軟件的集成，從而使學(xué)生在進(jìn)行系統(tǒng)級設(shè)計、算法設(shè)計和硬件設(shè)計時共享同一個開發(fā)平臺，并且不需要過多關(guān)注硬件設(shè)計方面的知識和硬件描述語言的編程，同時，DSP Builder是作為Matlab中Simulink模塊的一個工具箱出現(xiàn)[1]，使得學(xué)生可以通過Simulink圖形界面調(diào)用DSP Builder工具箱中的提供Altera知識產(chǎn)權(quán)核（IP core， intellectual propert core）MegaCore進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計，因此學(xué)生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花過多的精力熟悉DSP Builder的使用。

2.3 DSP Builder應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐

應(yīng)用DSP Builder在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開發(fā)，整個設(shè)計流程是基于Matlab的Simulink模塊，DSP Builder和QuartusII的，包括從系統(tǒng)描述到硬件實(shí)現(xiàn)都可以在一個完整的設(shè)計環(huán)境中完成，構(gòu)成了一個自頂向下的設(shè)計流程。它主要分為以下幾步[2， 3]：

（1）利用Simulink模塊、DSP Builder模塊以及IP核模塊Matlab的Simulink模塊中對DSP系統(tǒng)進(jìn)行建模，只需雙擊系統(tǒng)中的模塊就可以對該模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時可以基于Simulink平臺仿真驗(yàn)證所搭建DSP系統(tǒng)的功能。

（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模塊，將Simulink模塊文件（.mdl）轉(zhuǎn)換成RTL級的VHDL硬件描述語言代碼描述以及用于綜合、仿真、編譯的TCL腳本。

（3）在得到VHDL文件后，設(shè)計者仍然可以通過Signal Com？鄄piler自動調(diào)用綜合工具和編譯工具。目前DSP Builder自動流程中支持的綜合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。綜合后產(chǎn)生的網(wǎng)表文件送到QuartusII中進(jìn)行編譯優(yōu)化，最后生成編程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件對目標(biāo)器件進(jìn)行編程配置和硬件實(shí)現(xiàn)，同時生成可分別用于QuartusII的門級仿真文件和Modelsim的VHDL時序仿真文件以及配套的VHDL仿真激勵文件，可用于實(shí)時測試DSP系統(tǒng)的工作性能。另外，設(shè)計者也可以在Simulink外手動調(diào)用其他綜合工具和編譯工具。

（4）針對第二步中生成的VHDL，利用自動生成的Modelsim的TCL腳本和仿真激勵文件所做的仿真為功能仿真，而當(dāng)由QuartusII編譯后生成的VHDL仿真激勵文件和Modelsim的TCL腳本進(jìn)行的仿真為時序仿真。

（5）最后將QuartusII生成的配置文件下載到目標(biāo)器件中，形成DSP硬件系統(tǒng)。

2.4教學(xué)實(shí)踐的實(shí)施步驟

（1）教授學(xué)生使用DSP Builder進(jìn)行基于FPGA的DSP系統(tǒng)開發(fā)的過程。

（2）設(shè)計出利用DSP Builder進(jìn)行數(shù)字信號處理教學(xué)實(shí)踐的典型題目。

（3）讓學(xué)生將Matlab中編寫的數(shù)字信號處理算法，直接在FPGA器件中得以實(shí)現(xiàn)。

（4）對信號的處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時測試，解決數(shù)字信號處理中的實(shí)際問題，切實(shí)做到理論聯(lián)系實(shí)踐。

3.教學(xué)實(shí)踐的效果

在數(shù)字信號處理的教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)用DSP Builder在FPGA器件上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法，使學(xué)生在設(shè)計過程中擺脫了繁瑣的具體硬件設(shè)計，將更多的精力關(guān)注在數(shù)字信號處理算法設(shè)計的實(shí)現(xiàn)上，對所學(xué)數(shù)字信號處理的理論知識能有一個更生動的體會和更深刻的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊守良. Matlab/simulink在FPGA設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 微計算機(jī)信息，2005（8）：[98].

[2]王前，李韜. 基于DSP Builder實(shí)《現(xiàn)數(shù)字信號處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005（9）：[75].

[3]Altera， Corp. ?Dsp Builder User Guided[S].