信号处理系列课程的改革与探索
时间：2020-05-26 08:04:02 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：信号处理系列课程是电气信息类专业重要的技术基础课程，随着信息技术的发展，现有的课程体系和教学内容相对比较滞后，难以满足人才培养的要求。根据国内外高等教育的发展趋势和多年的教学研究，课程组在信号处理系列课程的教育理念、课程体系、教学内容、教学资源等方面进行较为系统的改革与探索，取得了显著成绩，得到国内同行的高度认可，起到了良好的示范与辐射作用。
关键词：信号处理系列课程；改革与探索；示范与辐射作用
信号处理系列课程涉及“信号与系统”、“数字信号处理”、“信号分析与处理实验”、“DSP系统课程设计”等相关课程，这些课程是电气信息类专业的主干技术基础课程。课程组依托国家电工电子教学基地和实验中心，整体优化课程体系，更新教学内容，建设立体化教材和教学资源。“信号与系统”课程2003年被评为首批国家精品课程、2007年被评为首批国家双语教学示范课程。
一、课程建设的思路与目标
面向国内外高等教育的发展，更新教育教学观念，探索与实践新的教育教学思想：跟踪学科发展，以信号处理课群为背景重构信号处理系列课程体系，及时引入高等工程教育的教研与科研成果，更新教学内容。构建良好的教学环境，建立可持续发展的良好机制。在教学和科研的实践中，造就教学名师，建设精品课程与精品教材，培养具有扎实的基础理论和先进的专业知识，能够综合应用所学知识解决实际问题，能够自主性学习和创造性工作的高素质人才。
二、课程体系的重构与优化
在课程体系的构建上，提出面向电气信息大类学科规划电工电子课群，依托电工电子课群确定系列课程，根据信号处理系列课程构建相关课程体系。电工电子课群涉及路、场、信息处理主要知识体系。这些课群由电路理论系列课程、电子系统系列课程、电磁场系列课程、信号处理系列课程和电工电子实验系列课程构成。信号处理系列课程包括信号与系统、数字信号处理、信号分析与处理实验、DSP系统课程设计等。该系列课程体系具有以下特点：
1、改变了传统的电路分析、信号与系统的课程体系，建立了信号与系统、数字信号处理的新课程体系。在“信号与系统”中，突出基本原理与概念；在“数字信号处理”中，突出数字化方法与技术；在“信号分析与处理实验”和“DSP系统课程设计”中，突出软硬件实现与实际应用。
2、实现了以信号分析为基础、系统分析为桥梁、数字技术为手段。在信号分析中，突出信号的表示；在系统分析中，突出系统的描述。融入仿真软件和科学计算，增加工程实际的例题和习题。
3、积极引入教研和科研成果，优化课程体系，更新教学内容。将数字信号处理课程中的某些基础内容(如DTFT，DFS等)向信号与系统课程中下移，在数字信号处理课程中增加现代信号处理的内容(如多速率信号处理、小波分析等)，实验内容面向工程实际。
根据信号处理系列课程的特点进行整体优化，重新规划理论与实验课程体系，如图1所示，其体现了原理、方法和应用的有机结合。
三、教学内容的整合与更新
根据新的课程体系，整合与更新信号处理系列课程内容。在课程内容的更新上，提出知识没有“有用”与“无用”之分，但有“有用”与“更加有用”之别。注重知识的呈现方式，努力实现在传授学生知识的同时，提高学生的认知能力和自主学习能力。
1、信号与系统课程
“信号与系统”涉及信号分析与系统分析，主要内容如图2所示。在信号与系统中，信号分析是基础，突出信号与系统的时域分析和变换域分析的物理概念和工程概念，而三大变化只是实现时域分析到变换域分析的数学工具。
在“信号与系统”教学内容中，就如下普遍关注的问题进行了较为深入的研究，并在新编教材中以全新的视野呈现这些知识的内涵。
问题一：如何介绍三大变换及其性质?从信号表示的角度阐述三大变换，其性质揭示了信号的时域与变换域之间的内在联系。
问题二：可否略去经典方法时域求解系统响应?经典的方法是纯数学方法，物理概念不够清晰，只适合于简单的微分方程。其作为与卷积方法相比较而存在，以突出基于信号表示与系统特性的卷积方法的优越性。
问题三：整体介绍四种信号的频谱有何利弊?连续周期信号、连续时间非周期信号、离散周期信号和离散非周期信号的频谱都是将信号表示为不同频率正弦信号的线性组合，只是构成这四种信号的正弦信号(虚指数信号)表示形式不同。整体介绍四种信号的频谱有利于比较四种信号的频谱特点，可以更好地展现信号Fourier表示的数学概念和物理概念。
问题四：抽样定理如何引入与论证?抽样定理体现了信号的时域与频域之间的对应关系，可从信号频域分析的应用角度而阐述，其核心内容是信号时域的离散化导致其频域的周期化。
2、数字信号处理课程
“数字信号处理”涉及数字信号分析和数字滤波器设计，主要内容如图3所示。DFT是实现信号数字化分析的核心技术，FFT是提高DFT运算效率的重要算法。信号分析是信号处理的基础，而数字滤波器设计则是信号处理的具体实现。
在“数字信号处理”教学内容中，就如下普遍关注的问题进行了较为深入的研究，并在新编教材中以全新的视野呈现这些知识的内涵。
问题一：可否与信号与系统的内容有适当重叠?离散信号与系统分析是信号分析和系统设计的理论基础，也是“信号与系统”和“数字信号处理”课程承上启下的内容。因此有必要在数字信号处理课程中，简要介绍离散时间信号时域和频域分析的基本理论、信号的时域抽样定理和频域抽样定理、离散时间系统Z域分析的基本理论和系统函数。
问题二：如何看待DFT的作用?信号的Fourier变换从理论上解决了如何从时域映射到频域。而DFT解决了利用数字化方法实现信号的频域分析。其根据时域抽样定理和频域抽样定理的基本原理，建立了信号的DFT与四种信号频谱之间的内在关系。
问题三：如何介绍FFT算法?重点介绍Fb-T算法的重要作用和基本思想。DFT解决了利用数字化方法实现信号的频谱分析，而FFT解决了DFT计算的有效性，为DFT的实际应用铺平了道路，
为学习其他快速算法奠定了基础。
问题四：如何引入某些新内容?从信号的Fourier变换、信号的短时Fourier变换的不足，引入信号的Wavelet变换。从信号表示的角度阐述信号时频分析的数学概念、物理概念、工程概念。从信号小波(wavelet)变换的应用展现信号时频分析的魅力。
3、信号分析与处理实验课程
信号分析与处理实验涉及内容如图4所示，其中第一篇至第三篇的实验为基于MATLAB的仿真实验，第
四篇为基于DSP系统的硬件实验。
在“信号分析与处理实验”教学内容中，就如下普遍关注的问题进行了较为深入的研究，编写了全国第一本较为系统的信号处理实验教材。
问题一：如何通过信号处理实验提高学生的综合素质?从实验内容设计上，每个实验包含实验教学目标、实验基本原理、实验要求和实验思考题，但没有实验步骤，其目的是为了体现自主性实验，实验思考题大多是实验内容的延伸和综合。从实验教学观念上，提出“三个转变”的实验教学思想，即转变实验辅导解答为实验引导启发，转变面向实验结果为面向实验过程，转变单一实验模式为多元实验模式。形成以学生为中心的实验教学模式，突出学生探索精神和创新意识的培养。
问题二：信号处理软、硬件实验如何定位?软件实验基于MATLAB环境仿真，主要侧重分析和解决问题的原理及方法：硬件实验基于DSP系统环境，主要侧重仿真分析基础上的硬件实现，实验内容面向工程实际。
问题三：实验内容突出信号处理的理论和技术的综合应用。如在信号滤波实验中，在语音信号中混有噪声，要求学生滤除该语音信号中的噪声。学生首先要进行信号谱分析、然后选择滤波器类型，再确定滤波器参数，最后进行滤波器设计与应用。而不是简单地给出滤波器类型和设计指标。
问题四：如何开展DSP系统实验?以实验内容为载体，通过实验内容循序渐进地展现DSP系统资源的开发及利用，淡化DSP芯片的底层细节，突出DSP的工作机理，实验内容面向工程实际，激发学习兴趣。如通过序列的卷积与相关实验介绍CCS的应用、信号发生器实验介绍D／A的开发利用、信号实时滤波实验介绍A／D、D／A、DMA、内部函数的综合利用等。
四、教学资源的建设与完善
教材是课程体系与教学内容的重要载体。在教材建设过程中，提出了“三个体现”的教材建设思想。即在教材观念上，体现教材不仅是人类知识的载体，更是人类认知过程和思维方式的载体；在教材体系上，体现课程内知识点之间的内在联系、以及课群之间相互关系；在教材内容上，体现经典与现代结合、基本理论与工程技术结合、解析方法与仿真方法结合。根据“三个体现”的指导思想，建设了纸质教材+电子教材、主教材+辅助教材、理论教材+实验教材的立体化教材和丰富的教学资源，取得了丰硕成果。已出版10多本信号处理系列教材，其中高等教育“十一五”国家规划教材5本，“十五”国家规划教材1本，北京市高等教育精品教材1本，铁道部优秀教材一等奖1本，教育部教学指导委员会立项教材1本，高等教育百门精品课程教材精品立项1项。《信号与系统》教材被中国书刊发行业协会评为“2006年度全行业优秀畅销品种”。
此外，建成了国家精品课程和国家双语教学示范课程“信号与系统”教学网站、校级精品课程“数字信号处理”教学网站，以及相应的实验教学网站。依托国家电工电子实验示范中心建设了信号处理实验教学平台，其包含MATLAB软件仿真和DSP系统的软硬件环境。
五、结束语
依托多个国家重点学科、国家电工电子教学基地、国家电工电子实验教学示范中心，信号处理课程建设在教育教学理念探索、课程体系与内容优化、教材与教学资源建设等方面取得了丰硕的建设成果，为国内同类课程建设发挥了积极的示范与辐射作用。
[责任编辑：陈立民]
