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数字信号处理论文范文1
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
[1] 张洪涛，万红，杨述斌.数字信号处理[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.
[2] 吴镇扬.数字信号处理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
[3] 程佩青.数字信号处理教程（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2013.2.
数字信号处理论文范文2
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.
数字信号处理论文范文3
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]。
数字信号处理论文范文4
【关键字】 数字信号 DSP FPGA 实时处理
一、前言
早期的信号处理主要采用模拟的处理方法，包括运算放大电路、声表面波（SAW）器件以及电荷耦合器件（CCD）。运算放大电路通过不同的电阻组配可以实现算数运算，通过电阻、电容的组配可以实现滤波处理等等。模拟处理最大的问题是不灵活、不稳定。解决以上问题的最好办法就是采用数字信号处理技术。数字信号处理主要通过软件实现，可以很方便的修改参数，具有很大灵活性。并且数字电路采用逻辑值进行处理，也相当可靠。当今数字信号处理的理论和方法已经得到长足的发展，成为数字化时代的重要支撑，已经渗透到我们生活和工作的各个方面。[1]高速实时信号处理是信号处理中的一个特殊分支。它的主要特点是高速处理和实时处理，被广泛应用在工业和军事的关键领域，如对雷达信号的处理、对通信基站信号的处理等。高速实时信号处理技术除了核心的高速DSP技术外，还包括很多技术，如ADC、DAC等器件技术、系统总线技术等。
二、高速数字信号处理硬件体系设计
DSP（数字信号处理器）是专门为了数字信号处理应用而设计的高速芯片，由用户通过编程实现处理算法，其编程语言多为C语言。DSP具有开发周期短、处理速度快、实时处理能力强的特点，目前，已经成为了数字信号处理系统中最为重要的处理器件之一。 FPGA（现场可编程门阵列）近年来发展迅速，因为它的灵活性、可重构性、广泛的适应性，在一些信息量较大的场合，如雷达信号处理、海洋气候数据、农业生产信息处理等应用领域，现场可编程门阵列（FPGA）可以跟DSP等芯片配合使用，增加系统的可用性和效率，是嵌入式系统中不可或缺的芯片[2]。本文设计的数字信号处理系统主要以DSP为核心，FPGA为协处理器，再搭配ADC和DAC及接口电路，为可重构电路，是目前比较常用的并行处理系统解决方案，主要完成数字信号的检测、处理和传输。该系统最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率，同时其开发周期短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。[3]
2.1 DSP和FPGA器件的选型
DSP芯片选择了TI公司的TMS320C6416，其最高工作频率可以达到1GHz，器件本身拥有1MB的内部存储空间，1280MB的外部存储空间，可以通过HPI、PCI、EMIF等接口与其它器件连接，能够胜任数据的高速处理要求。[4]
FPGA芯片选择了Xilinx公司的XC5VSX95T，其拥有14720个Slices、1520KbRAM、640个DSP48E Slices和640个User I/O。可以依靠片内的大量RAM资源和乘法器完成各种逻辑运算和处理算法。
2.2系统功能与总体结构设计
本系统对前端输出的模拟信号进行ADC采样，然后经过滤波、变频、抽取和处理，得到处理数据，再通过接口送往显控设备显示，同时，可以通过DAC输出基带信号，系统的总体设计结构如图1所示。
其中，FPGA主要实现ADC和DAC控制，ADC采样信号的滤波、变频、解调等预处理，系统接口电路的逻辑控制，离散的信号控制和状态监测，以及和DSP的接口逻辑等；DSP属于信号处理硬件的核心部分，实现数据处理的核心算法等功能，处理得到的数据通过UART口送往显控设备；FPGA和DSP之间通过EMIF口连接，并使用DSP的外部中断作为读取数据的触发；具体的电路结构如图2所示。
三、系统性能优化
3.1 FPGA与DSP的接口优化
本信号处理硬件中FPGA作为数据输入/输出的控制及预处理芯片，必须要与核心处理器DSP交换数据，因此，FPGA和DSP之间需要建立高速数据接口。
FPGA作为一个外设，挂在DSP的EMIFA口，因为EMIF口工作时钟可能和FPGA内部工作时钟不一致，为了控制FPGA内部电路的时序，在FPGA内部，设计了两个FIFO，来实现EMIF口对FPGA的数据访问。当DSP响应其外部中断信号时，从FIFO_R中读取FPGA预处理的数据，当要给FPGA下发工作参数时，将数据写入FIFO_W。
3.2接口驱动优化
为了实现信号的高质量传输，需要在DSP的EMIF口和外部存储器之间增加双电源三态缓冲器，这里选择的是性能稳定的SN74LVC16T245。本设计中，在FPGA与DSP的EMIF之间使用该芯片构成数据缓冲。
3.3 软件优化
随着电子技术和大数据时代的激发，多个领域对更大的数字信号数据量的存储和处理需求提出了更高的诉求。特别是雷达、高清视频实时转播等系统采用的高采样率设备，数据率可以达到Gbps，这就需要除了对硬件采集信号的质量加以控制之外，还要对软件算法不断加以优化[5]。尤其是在FPGA程序设计中，需要特别注意信号采集和发送的时序，不仅要在原理图设计初期根据厂家的芯片Datasheet进行合理的配置，也要在编写程序时合理处理多时钟域问题。在一个设计中，一般应该只有一个全局时钟网络可以驱动全部触发器，这样可以极大的简化时序分析，去除掉大量与多时钟域相关的问题，但是在实际的设计时，由于FPGA对外接口较多，每个接口的约束条件都不同，只利用一个时钟是不可能的，这时候就要处理多个时钟问题。可以通过以下几个技巧进行处理。
1）使用全局时钟buffer。对于全局时钟信号，尽量使用全局时钟buffer（BUFGP）驱动，FPGA内部需要低时钟偏差的信号，也尽量使用二级全局buffer（BUFGS）驱动。
2）分频信号的处理。对于设计中需要采用“分频信号”作为时钟的电路，在不要求占空比时，可以将分频信号设计成和主时钟一样宽度的信号，然后在实际处理中，仍然以主时钟为触发条件，把分频信号作为控制信号处理。如图3所示，假设主时钟为100MHz，产生一个10MHz的分频信号。
3）合理选择语法。在VHDL中，if语句指定了一个具有优先级的编码逻辑，而case语句则是并行逻辑，不具有优先级。通常，if-else结构速度较慢，但需要的电路面积较少；case结构执行速度较快，但占用电路面积较大。在具体编程时，要综合考虑速度和面积的关系，如果对速度有特殊要求，而对资源没有较高要求，则应使用case结构。在必须使用if-else结构时，不正确的嵌套使用if语句会增加延时，因此，对于延时要求苛刻的路径，应该放在较高的优先级。[6]
四、结术语
本文主要研究了高速数字信号处理中使用FPGA+DSP的方案结构，分析了其中重要的接口设计和软件优化，基本解决了通用高速数字信号的采集和处理问题。但是目前看来，提出的基于FPGA+DSP的数据采集和处理的硬件实现，对多路信号的并行计算速度还不够。下一步的目标将是，通过对FPGA中的算法模块和控制逻辑模块、接口协议的调整优化以满足更高的要求。[7]
参 考 文 献
[1]石星. 高速数字信号处理设计评述[A]. 中国电子学会.中国电子学会第七届学术年会论文集[C].中国电子学会：，2001：6.
[2]郑文明. 基于FPGA的数字信号处理算法研究与高效实现[D].哈尔滨工程大学，2009.
[3]孙进平，王俊，李伟，张有光等.DSP/FPGA嵌入式实时处理技术及应用[M].北京航空航天大学出版社.2011.
[4]卞红雨，纪祥春 等.TMS320C6000系列DSP的CPU与外设[M].清华大学出版社.2007.
[5]贾凯宾. 高速数字PCB互连设计信号完整性研究[D].南京理工大学，2008.
数字信号处理论文范文5
关键字：DSP；开放式教学模式；开放式理论教学；开放式实验教学；创新
中图分类号：G642 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)14-3386-02
The Exploration of Opening Education on Thoery and Application of DSP
HOU Hai-liang, CHENG Yun, CHEN Jie
(Department of Communications & Control Engineering, Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China)
Abstract: This paper introduced character of DSP and the diffculties in DSP teaching. then analyzed how to effectively carry out opening education and explored the scheme to put in practice. The result showed that t his mode can enhance the student abilities in the practice and innovation effectively.
Key words: digital signal processor; opening education model; opening theory education; opening experimental education; innovation
1 概述
DSP是针对各种数字信号处理算法而设计的一种可编程的微处理器，是现代电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物。采用DSP来实现对数字信号实时、快速处理成了当前的发展趋势，其在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪器仪表、信息家电等高科技领域获得了越来越广泛的应用。随着社会对DSP人才需求的增加，学生对掌握DSP技术有着越来越浓厚的兴趣，这也使得很多高校在电气信息类专业及相关专业中都开设了《DSP原理及应用》课程。然而，DSP 课程有其自身的特点[1]：
1）综合性强：《DSP原理与应用》课程的知识综合性强首先体现在它需要数字电路、模拟电路和数字信号处理等方面的知识基础。其次，学习DSP需要计算机原理的相关知识。学习DSP不仅要掌握它的硬件结构，还要学习软件编程。因此DSP是门综合性很强的课程。
2）偏重应用：《DSP 原理与应用》课程的目标是培养学生的对DSP的实际应用能力，这也决定了课程本身更强调实践环节。因此，实验平台建设和实验内容的合理规划是教学研究的关键。
3）内容多：《DSP 原理与应用》课程的内容较多，包括DSP 的硬件结构、指令系统、汇编程序设计、高级语言编程、开发工具以及硬件设备的搭建等。
4）芯片种类多，更新换代快：DSP厂商众多，不同厂商开发的DSP 芯片在软硬件上的差异很大。即使是同一个DSP厂商，其生产的DSP 芯片型号也多种多样，不同型号的DSP 芯片无论从硬件和软件上也都有很大差别。随着科技发展速度加快，DSP 产品的更新换代速度也越来越快，《DSP 原理与应用》课程的内容也需及时更新。
本文主要针对DSP课程的特点，为了培养的学生能够更好的满足社会需求，提出了一种开发式教学模式，它包括开放式理论教学和开放式实验教学，经实践证明该方法可行性高，学生反响良好。
2 开放式教学模式的定义
开放式教学模式是一种以知识教学为载体，以学生的发展为核心的教学模式，把关注人的发展作为首要目标，通过创造一个有利于学生生动活泼、自主的教学环境，提供给学生充分发展的空间，从而促使学生在积极主动的探索过程中，各方面素质得到全面发展。DSP开放式教学模式包括开放式理论教学模式和实验教学模式。
2.1 开放式理论教学模式
开放式理论教学是指在教学过程中对教学内容的选择来源于书本而又不拘泥于书本，对不同DSP芯片共性的东西进行讲解，同时要求对常用DSP芯片的个性进行讲解，使学生通过学习了解各种DSP芯片的特征和基本的使用方法，增强社会对人才的满足度和认可度。
一要合理选择教学内容。DSP芯片的种类多，型号多，且不同种类的芯片的硬件结构和软件编程的方法各不相同。因此，《DSP 原理与应用》课程的教学内容的选择余地大。我们针对通信工程专业、电子信息工程专业特点，选择市场占有率高，具有很高性价比的TI 公司的TMS320C55x 系列DSP 芯片作为教学的目标芯片。在具体教学内容上突出DSP 芯片的高速的数据处理能力和数据I/O 性能，以及为实现这些性能所具有的硬件结构（包括运算单元、总线结构、流水线、DMA 控制器和相关外设等）和软件系统（包括指令、寻址方式等）。选用当前流行的DSP集成开发环境CCS（Code Composer Studio）作为开发平台，方便学生对DSP 程序的仿真调试。
二要打破一书一课的传统教学方式。DSP课程的开设是为了让学生能够掌握数字信号处理系统的设计方法和基本调试手段，虽然在教学内容会侧重于TMS320C55x芯片，但还是应该对DSP系统做一个总体的描述，并且将各个公司DSP芯片的主要特点进行一定的讲解。这样，学生在以后的工作中才能对具体的DSP芯片很快的上手使用。
2.2 开放式实验教学模式
开放式实验教学模式是介于常规实验教学形式和开放实验室之间的一种实验教学方式，是学生自己选择实验内容、实验时间，实验人员在一定范围内可以由学生自由组合的一种实验教学模式。它吸取了常规实验教学形式和开放实验室两者的优点[2]。
一要加强开放实验室的使用，建立开放实验室的完善的规章制度，让同学在课余时间能够更多地投入DSP 学习和开发中去。开放实验室包括实验时间的开放、实验设备的开放和实验项目的开放。通过开放实验室可选择性给了学生自由发展的空间，加强了学生对实验问题、实验理论的思考和学习，为学生的创造性思维打下了基础。
二要打破实验指导书式实验，采用为学生设置实验任务、要求和提供指导性解决方案进行实验。目前很多高校的DSP实验室都是基于试验箱的实验，学生直接在指导书的一步一步指导下进行实验，不能有效的培养学生创新性思维和实际解决问题的能力。开设设计性实验，为学生设置任务要求或提出解决问题的方案，要求学生设计一个完整的DSP 系统的设计（包括硬件系统的设计、驱动程序开发、应用程序开发等），从而具有DSP系统的初步开发能力。
2.3 开放式理论教学和实验模式的结合
“把课堂搬到实验室去”，这是我们针对教学与实验分离提出的改进办法。DSP技术的内容大都比较抽象，软件开发环境功能多，操作比较复杂。通常我们在课堂上先讲解，然后学生再到实验室通过实验去理解、验证，尤其是软件操作，等学生进入实验室可能把老师讲授的相关内容忘了近一半。在实验室讲课，可以让学生一边学习一边操作，观察实验现象，这样可以收到事半功倍的效果。另外，实验内容应该和理论教学有效的统一起来，实验为理论教学服务，让学生在实验过程中领悟理论学习的重要性。
3 DSP开放式教学模式应用初探
我校《DSP原理及应用》开设时间在大四第一学期，共开设54课时，其中理论课时42，实验课时12。开设该门功课时学生学习了“信号与系统”、“数字电路”、“微机原理”、“数字信号处理”和“单片机原理及应用”等课程。本课程在讲授时注意和“数字信号处理”课程的结合，教学重点放在用DSP实现数字信号处理算法[3]。
3.1 理论教学模式的设计
课时分6个部分:
1）DSP概述和TMS320C55x的硬件结构。详细介绍了TMS320C55x的体系结构与原理，内容包括总线结构、中央处理器、存储器结构、片内外设电路和系统控制等。同时介绍TMS320C54x、TMS320C6000系列系统结构。共10学时。
2）TMS320C55x的指令系统。介绍数据的七种寻址方式和指令系统。介绍T I 的C2000, C5000, C6000指令系统的异同，共6学时。
3）DSP 软件体系和集成开发环境CCS。重点介绍C55xx 的软件体系，包括寻址方式和基本指令以及CCS等，共8学时。
4）应用程序设计。介绍了数字信号处理和通信中最常见、最具有代表性的应用，如：FIR滤波器、IIR滤波器、FFT变换、正弦信号发生器等实现方法，共6学时。
5）TMS320C55x片内外设、接口及应用。从应用的角度介绍了主机接口、串行口、定时器和中断系统应用设计。共4学时。
6）TMS320C55x的硬件设计。主要介绍了基于TMS320C55x DSP系统的硬件设计方法。首先概述了系统的硬件设计过程；其次详细介绍了DSP系统的基本设计，包括电源电路、复位电路和时钟电路的设计；然后介绍了DSP电平转换电路的设计、DSP存储器和I/O的扩展、DSP与A/D和D/A转换器的接口设计；最后通过两个实例介绍DSP系统的硬件设计，共8学时。
在每部分的教学内容安排中，都会规划出1~2个课时讲解其他类型DSP芯片的相应知识，讲解过程力图把DSP 芯片和单片机、CPU 进行类比，帮助学生更好的理解DSP 的特点。另外，为了使学生更好的掌握所学的内容，力图边讲解边用实验验证。将一些难以理解的内容直接放到实验室进行。例如在讲授DSP的集成开发环境和DSP指令时，理论教学只需要占1/3，其余都用来给学生进行实际操作与摸索，这样才能让学生真正熟悉DSP的集成开发环境CCS与DSP指令。
3.2 实验教学模式的设计
实验教学时，除了要做好开放实验室，保证学生有足够的时间和方便的利用实验条件外，在实验内容的设计上也要作好规划。
DSP有很强的工程性、技术性和实践性，课程学习的目标是培养学生的对DSP的实际应用能力[5]，因此，在实验项目方面设置了验证性实验、综合实验和创新性实验三个层次的实验，每种实验都采用设置任务要求，任由学生自己设计解决方案。对于验证性实验，如DSP资源的初步教学、CCS环境的熟悉和DSP数据存取实验等，既要求学生验证实验结果，也会对实验中设置一些问题要求学生解决。综合实验主要锻炼学生应用DSP综合实验平台开展一些综合实验。如电机的控制与显示等，给学生充分的发挥的空间。创新性实验使学生可以根据自己的兴趣和研究需要（如：课题论文研究，竞赛设计专题）具体选择和设计实验内容，独立完成设计任务，包括软件和硬件设计，使学生对DSP的硬件和软件全面掌握，具有初步进行工程实践的能力。具体课时分配为验证性实验、综合实验和创新性实验分别为4、4、2。在整个实验教学中，教师应改变过去按部就班的教学模式，以启发式的方式指导实验，当学生在实验中出现问题时，教师从基本概念、解题思路及实现方法上引导学生，促使其积极思考，发现问题，解决问题，真正使他们成为实验课的主体。
4 实际教学效果
随着社会对人才要求的提高，原有的大学培养模式下培养出来的仅有理论而不能动手的学生已不适应社会需求。特别像DSP这类课程本来就强调解决工程中的实际问题，“以前的授课为主，实验为辅”、“教学与实验分离”的模式根本不适合DSP的教学，通过在2005级、2006级和2007级电子信息工程专业的《DSP原理及应用》课程教学中采用开放式教学模式，都取得了较好的效果。学生在“ 挑战杯”、电子设计大赛等一系列竞赛中取得奖项，表现出较强的动手能力和创新能力。同时，我们也应该看到，各种类型的高性能的DSP芯片不断出现，还会给高校的DSP教学带来新的挑战。
参考文献：
[1] 杨达亮.DSP课程教学改革研究[J].广西大学学报:哲学社会科学版,2006(10):93-94.
[2] 侯海良,成运,陈洁.DSP开放式实验教学的探索[J].才智,2009(12):194-195.
[3] 杨广琦.采用DSP的综合课程教学实践[J].电气电子教学学报,2007(12):57-59.
数字信号处理论文范文6
【关键词】FPGA；MATLAB；FIR；数字滤波器；ISE
数字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、射电天文信号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动信号、遥感遥测信号等。上述这些信号大部分是模拟信号，也有小部分是数字信号。数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。数字滤波器工作在数字域，它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。它的设计方法有很多，比较常用的有窗函数法、频率抽样法和最佳一直逼近法，但这些设计方法在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大，而利用MATLAB信号处理工具箱进行数字滤波器的设计工作，能够减少工作量，提高设计效率。文中使用MATLAB这一高效工具完成一种FIR滤波器的前期参数设计工作，随后给出了FPGA实现该FIR滤波器的设计方案，最后通过MATLAB和ISE的联合仿真，验证了该FIR滤波器满足设计要求。
1.FIR滤波器基本原理
根据冲激响应的时域特性，数字滤波器可分为无限长冲激响应滤波器（IIR）和有限长冲激响应滤波器（FIR）。相比于IIR滤波器，FIR的突出优点是：具有精确的线性相位；总是稳定的；硬件容易实现；滤波器的过渡过程具有有限区间。
FIR滤波器的基本结构可以理解为一个分节的延时线，把每一节的输出加权累加，可得到滤波器的输出。FIR滤波器的冲激响应h（n）是有限长的，数学上N阶FIR滤波器可以表示为：
2.FIR滤波器的结构形式
FIR数字滤波器的实现一般有直接型、转置型、线性相位型、级联和频率采样等。
（1）直接型FIR数字滤波器
直接型FIR数字滤波器也称卷积型或横截型FIR数字滤波器。因为差分方程是信号的卷积形式，所以称为卷积型FIR数字滤波器。因为FIR数字滤波器的输入是一条x（n）延时链的横向结构，所以称为横截型FIR数字滤波器。图1给出了一个N阶的直接型FIR数字滤波器的图解。
（2）转置型FIR数字滤波器
直接型FIR数字滤波器的一种变换可称之为转置型FIR数字滤波器，可以根据图1来构造：l）互换滤波器的输入和输出；2）颠倒信号流向的方向；3）用差分放大器代替加法器，反之亦可。转置型FIR数字滤波器，这种FIR数字滤波器有两个特点：一是所有的乘法器的被乘数都是相同的，二是无需额外寄存器来缓存采样的数据。
（3）线性相位的FIR数字滤波器
FIR数字滤波器系统的最主要特性就是它能够构成具有线性相位的数字滤波器。所谓的线性相位特性就是指数字滤波器对不同频率的输入信号所产生的相移与输入信号的频率是直线关系。因此，在FIR数字滤波器通带内的信号通过FIR数字滤波器后，除了由相频特性的斜率所造成的延迟之外，可以不失真的保留通带内的全部信号。线性相位的FIR数字滤波器的对称性还可以降低滤波器中所需的乘法器的个数。如图2所示，可以看到在“对称”的结构中，每一个滤波周期均提供了一个乘法器的预算资源，使得乘法器的数量是图1中（直接型FIR数字滤波器）的一半。
（4）级联FIR数字滤波
级联FIR数字滤波器在需要控制FIR数字滤波器的系统函数的零点时，可将式（3）分解成二阶的实系数因子的模式：
这样就可以得到二阶级联结构。这种结构中，每一节都控制着一对一的零点，因此在需要控制系统的传输零点时可采用。但相应的FIR数字滤波器系数会增加，乘法运算的次数会增加，而且需要乘法器的个数更多，因此还会需要更多的存储器，运算时间也会比直接型FIR数字滤波器增加。
（5）频率采样FIR数字滤波器
频率采样FIR数字滤波器结构，是用系数将FIR数字滤波器参数化的实现的结构。一个有限长的序列可以通过相同长度的频域采样值而唯一确定。
将系统函数在单位圆上N等分后取样，是单位取样响应h（n）的离散傅里叶变换H（k）。H（k）跟系统函数的关系可以用内插公式来表示：
频率采样FIR数字滤波器的优点在于其选频性好，适用于窄带滤波；不同的FIR数字滤波器，若其长度相同，则可通过改变系统的系数后，用同一个网络实现，复用性好。频率采样FIR数字滤波器不足之处在于在具体实现时难免存在误差，零、极点可能不能够正好抵消，造成系统的不稳定；结构非常复杂，所需存储器很多。
通过比较FIR滤波器实现方法，不管是从复杂度、稳定性还是消耗资源上考虑，还是用线性相位型结构的FIR滤波器比较好。
3.滤波器系数设计
FDATool（Filter Design&Analysis Too1）是Matlab信号处理工具箱专用的滤波器设计分析工具，操作简单、灵活，可以采用多种方法设计FIR滤波器。这种方法设计的数字滤波器，可以随时调整滤波器特性，而且滤波结果实时显示在图形区，减少了工作量，有利于滤波器设计的进一步优化。
根据给定的滤波器设计指标，FIR滤波器通带带宽为2MHz，截止频率为3MHz，主要完成滤除3MHz以上干扰信号的工作，滤波器阶数为32阶。在FDATool中选用FIR低通滤波器设计，其幅频响应和相频响应如图3和图4所示。
通过MATLAB可以得到32阶的FIR低通滤波器系数，系数为[-0.0032；-0.0096； -0.0116；-0.0057；0.0068；0.0196；0.0233；0.0115；-0.0138；-0.0402；
-0.0494；-0.0259；0.0341；0.1175；0.1984；0.2481；0.2481；0.1984；0.1175；0.0341；-0.0259；-0.0494；-0.0402； -0.0138；0.0115；0.0233；0.0196；0.0068； -0.0057；-0.0116；-0.0096；-0.0032]。
从幅频响应和相频响应可以看出实现低通滤波功能的同时得到了一个具有线性相位特性的滤波器系数。由于MATLAB计算得到的滤波器系数为浮点数，而FPGA只能处理定点数据，所以还需要通过MATLAB将浮点数通过量化取整后转化为定点数。
4.FPGA实现及仿真结果
通过MATLAB中Simulink建立FIR滤波器模型，FPGA采用Xilinx公司的Spartan3A的XA3S200A器件，经过ISE软件综合后的滤波器顶层图如图5所示。
对自动生成得测试代码进行时序仿真，其仿真时序图如（图6）所示。
对于已在Simulink中构建完成的模型，启动仿真，其滤波前后的频谱图和时域波形图如图7-1、7-2所示。
通过滤波前后频谱分析对比发现，滤波前信号幅值基本一样，而滤波后高频信号的幅值衰减很大，从波形图分析对比发现，滤波前信号波形较密集，包含有高频成分，滤波后信号波形较疏松，滤去了高频成分。由此可知该FIR低通滤波器达到了滤波的效果。
5.结束语
研究了在FPGA中实现线性相位FIR滤波器的理论原理及设计方法，并在Xilinx FPGA器件上实现，借助ISE及MATLAB软件分别对FPGA实现结果和理论算法结果进行了仿真验证，经过数据分析，测试结果证明该FIR滤波器完全能够满足设计要求。
参考文献
[1]程佩青.数字信号处理（第二版）[M].北京：清华大学出版，2007，02.
[2]王世一.数字信号处理[M].北京：北京理工大学出版社，2005，07.
[3]Xilinx.System Generator for User Guide[Z].
[4]MathWorks.Filter Design HDL Coder User’s Guide[Z].
[5]李雪.基于MATLAB的FIR数字滤波器的研究[J].科技信息，2009（21）：460-463.
[6]徐文波.Xilnx FPGA开发实用教程[M].北京：清华大学出版社，2008，11.
[7]刘春雅.基于MATLAB与FPGA的FIR滤波器设计与仿真[J].电子设计工程，2012，9，20（17）：119-121.
