項(xiàng)目教學(xué)法在“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)中的應(yīng)用

潘小紅

摘 要：針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程具有理論性較強(qiáng)、難學(xué)的特點(diǎn)，文章提出了項(xiàng)目教學(xué)法，以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行的一個(gè)綜合項(xiàng)目“基于水下語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字傳輸設(shè)計(jì)與Matlab仿真”為例，介紹數(shù)字信號(hào)處理課程的項(xiàng)目教學(xué)法。通過(guò)學(xué)生反饋，該方法可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐動(dòng)手能力，效果較好。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目教學(xué)法；數(shù)字信號(hào)處理；電信專業(yè)

“數(shù)字信號(hào)處理”課程是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，學(xué)生往往感覺(jué)枯燥無(wú)味，學(xué)習(xí)興趣也不高，他們也不清楚學(xué)習(xí)這門(mén)課的意義[1-3]。目前，很多高校老師開(kāi)展了教研教改工作[4-9]，并在課堂教學(xué)上對(duì)每個(gè)單一的理論知識(shí)點(diǎn)引入了Matlab仿真，可以幫助學(xué)生們對(duì)理論知識(shí)的理解，但同學(xué)們對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是無(wú)從下手。采用項(xiàng)目教學(xué)法，通過(guò)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以將數(shù)字信號(hào)處理課程中的所有知識(shí)點(diǎn)融合，便于學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，大大提高學(xué)習(xí)效率。

1 項(xiàng)目教學(xué)法設(shè)計(jì)

“數(shù)字信號(hào)處理”是電子信息工程專業(yè)的核心課程，教學(xué)內(nèi)容包括離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的變換域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供了綜合性項(xiàng)目題目進(jìn)行訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[10]。本文以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行的一個(gè)綜合項(xiàng)目“基于水下語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字傳輸設(shè)計(jì)與Matlab仿真”為例，介紹數(shù)字信號(hào)處理的項(xiàng)目教學(xué)法。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生作為主體，教師引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

2 項(xiàng)目的實(shí)施

水下語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字傳輸系統(tǒng)主要包括發(fā)送端部分、接收端兩部分。發(fā)送端部分由水下語(yǔ)音信號(hào)輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成，并由發(fā)射機(jī)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)后再與噪聲信號(hào)共同在水聲信道中傳輸送達(dá)到接收機(jī)。接收機(jī)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。接收端由濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和譯碼模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和水下語(yǔ)音信號(hào)輸出模塊組成。要求同學(xué)們根據(jù)工作原理畫(huà)出如圖1所示的系統(tǒng)框圖。

2.1 水下語(yǔ)音信號(hào)采集處理模塊

讓同學(xué)們錄制一段自己的聲音信號(hào)，再通過(guò)采樣、量化和編碼可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。由于音頻信號(hào)的頻率是300 Hz～3.4 kHz，引導(dǎo)同學(xué)們分析對(duì)水下語(yǔ)音信號(hào)的采樣頻率為什么是8 kHz呢？從而引出采樣定理。接著讓同學(xué)們查閱水下語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)后，再來(lái)理解采用13折線A律的非均勻量化。編碼采用PCM，如圖2所示。

2.2 數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊

對(duì)同學(xué)們進(jìn)行提問(wèn)水下語(yǔ)音通信是否存在環(huán)境干擾呢？為了提高通信質(zhì)量，提出對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的思想。設(shè)調(diào)制信號(hào)的最高頻率是fm，在信道擁擠的水聲通信環(huán)境中，設(shè)計(jì)采用數(shù)字維弗法單邊帶調(diào)制，如圖3所示。第一次正弦載波調(diào)制采用頻率為的正弦信號(hào)sin（πfmt）和余弦信號(hào)cos（πfmt）進(jìn)行調(diào)制，可以得到信號(hào)y11（t）和y21（t），再經(jīng)過(guò)上限截止頻率為的低通濾波器后輸出信號(hào)y12（t）和y22（t），第二次正弦載波調(diào)制采用頻率為的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后輸出信號(hào)y13（t）和y23（t），最后經(jīng)過(guò)加減輸出單邊帶信號(hào)ySSB（t）。解調(diào)過(guò)程與調(diào)制過(guò)程相反。下面以調(diào)制過(guò)程作介紹。由于音頻信號(hào)的頻率是300 Hz～3.4 kHz，所以第一次調(diào)制用的正交載波頻率為1.7 kHz。通過(guò)Matlab仿真結(jié)果如圖4所示。這讓同學(xué)們很直觀地對(duì)調(diào)制的原理進(jìn)行理解。

2.3 IIR濾波器

數(shù)字濾波器有無(wú)限沖激響應(yīng)FIR和有限沖激響應(yīng)IIR兩種類型，讓同學(xué)們?cè)跀?shù)字維弗法單邊帶調(diào)制設(shè)計(jì)中先用低采樣率IIR濾波器進(jìn)行濾波后再用高采樣率FIR濾波器進(jìn)行濾波。首先讓同學(xué)們查閱IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法，并分組討論雙線性法設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器和數(shù)字切比雪夫設(shè)計(jì)濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)。為了濾掉第一次正交調(diào)制后的信號(hào)中的上邊帶，要求同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)中采用截止頻率為1.7 kHz的低通濾波器。其中，低通濾波器的階數(shù)為11階。濾波后的仿真結(jié)果如圖5所示。同學(xué)們對(duì)IIR濾波的效果有了一定的感性認(rèn)識(shí)。

2.4 FIR濾波器

讓同學(xué)們查閱FIR濾波器的資料，F(xiàn)IR濾波器是有限長(zhǎng)單位脈沖序列，F(xiàn)IR濾波器偏差不大，沒(méi)有極限環(huán)振蕩，且對(duì)性能參數(shù)沒(méi)有明確的規(guī)定，且濾波后噪聲較小。接著讓同學(xué)們根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)：截止頻率3.4 kHz；采樣頻率96 kHz。

引導(dǎo)同學(xué)們通過(guò)12倍內(nèi)插法可以將采樣頻率提高到96 kHz，如圖6所示，濾波后的仿真結(jié)果如圖7所示。同學(xué)們通過(guò)播放濾波前和濾波后的音頻信號(hào)對(duì)FIR濾波的效果也有了一定的感性認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程難學(xué)，提出了項(xiàng)目教學(xué)法，讓學(xué)生主動(dòng)參與進(jìn)來(lái)學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)生的反饋，該方法的確可以提高學(xué)生的積極性，并能讓他們將所學(xué)的理論知識(shí)用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，這也與長(zhǎng)江大學(xué)一直提倡的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)一致。

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