数字信号论文范文

导语：如何才能写好一篇数字信号论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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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

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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

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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。

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论文摘要：文章介绍了数字通信系统的技术特点，并与传统的模拟信号对比阐述了数字信号的优势，然后对数字通信系统的应用方法进行浅析。

一、数字通信系统

数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后在传输的通信方式。它的主要技术设备包括发射器、接收器以及传输介质。数字通信系统的通信模式主要包括数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统以及模拟信号数字化传输通信系统三种。

数字信号与传统的模拟信号不同，它是一种无论在时间上还是幅度上都属于离散的负载数据信息的信号。与传统的模拟通信相比其具以下优势：首先是数字信号有极强的抗干扰能力，由于在信号传输的过程中不可避免的会受到系统外部以及系统内部的噪声干扰，而且噪声会跟随信号的传输而进行放大，这无疑会干扰到通信质量。但是数字通信系统传输的是离散性的数字信号，虽然在整个过程中也会受到的噪声干扰，但只要噪声绝对值在一定的范围内就可以消除噪声干扰。其次是在进行远距离的信号传输时，通信质量依然能够得到有效保证。因为在数字通信系统当中利用再生中继方式，能够消除长距离传输噪音对数字信号的影响，而且再生的数字信号和原来的数字信号一样，可以继续进行传输，这样一来数字通信的质量就不是因为距离的增加而产生强烈的影响，所以它也比传统的模拟信号更适合进行高质量的远距离通信。此外数字信号要比模拟信号具有更强的保密性，而且与现代技术相结合的形式非常简便，目前的终端接口都采用数字信号，同时数字通信系统还能够适应各种类型的业务要求，例如电话、电报、图像以及数据传输等等，它的普及应用也方便实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现信息传输的保密处理，便于实现计算机通信网的管理等优点。

要进行数字通信就必须进行模数变换，也就是把由信号发射器发出的模拟信号转换为数字信号。基本的方法包括：首先把连续形的模拟信号用相等的时间间隔抽取出模拟信号的样值。然后将这些抽取出来的模拟信号样值转变成最接近的数字值。因为这些抽取出的样值虽然在时间进行了离散化处理，但是在幅度上仍然保持着连续性，而量化过程就是将这些样值在幅度上也进行离散化处理。最后是把量化过后的模拟信号样值转化为一组二进制数字代码，并最终实现模拟信号数字化地转变，然后将数字信号送入通信网进行传输。而在接收端则是一个还原过程，也就是把收到的数字信号变为模拟信号，通过数据模变换再现声音以及图像。如果信号发射器发出的信号本来就是数字信号，则不用在进行数据模变换的过程，可以直接进入数字网进行传输。

二、数字通信系统的应用

数字通信系统的关键性技术包括编码、调制、解调、解码以及过滤等。其中数字信号的调制以及解调是整个系统的核心也是最基本、最重要的技术。

数字调制是通过对信号源的编码进行调制，将其转换成为能够进行信道传输的频带信号，即把基带信号（调制信号）转变为一个高频率的带通信号（已调信号），而且由于在传输过程中为了避免信息失真、传输损耗以及确保带内特性等因素，在进行信号进行长途传输以及大规模通信活动时必须对数字信号进行载波调制。现阶段的数字信号调制主要分为调幅、调相以及调频三种。调幅是根据信号的不同，通过调节正弦波的幅度进行信号调制，目前最常见的数字信号是幅度取值为0和1为代表的波形，即二进制信号；调相是由于载波的相位受到数字基带信号（调制信号）的控制，通常情况下载波相位和基带信号是保持一致的，例如二进制基带信号为0时，载波相位相应也为0；调频是利用数字信号进行载波频率的调制。解调就是讲载波信号提取出来并经过还原得到信息的过程，它是调制的逆过程也被称为反调制。目前解调的类型分为相干解调和非相干解调两大类。数字通信的质量通常用信息传输速率、符号传输速率以及消息传输速率这三个指标来衡量。对于数字通信系统的性能指标通常用信息传输速率、符号传输速率以及消息传输速率这三个指标来衡量。

通信系统向数字化时代的转变就是要从有线通信想无线通信，从公用移动网络到专用网络，从而实现全球化的数字通信理念。而且通过现有的综合业务数字网络为基础，通过一个多用途的用户网络接口就可以轻松实现信号发出端到接收端全程数字传输与交换的新型通信网。利用这种新型技术可以扩充通信业务的范围，而且还具有更加经济以及灵活的特点，能够与现有的计算机互联网、多媒体信息网、公共电话网以及分组交换数字网等进行任意转换。随着数字通信设备的发展和不断完善，利用微处理技术对数字通信系统的信号进行转变，还能够使设备更加灵活的应用到各种长途以及市话当中。由于长途通信线路的投资远大于终端设备，为了提高长距离传输的经济性，未来高度、大容量的数字通信系统也将成为主流趋势，而且随着数字集成电路技术的发展，数字通信系统的设备制造也越来越容易，成本更低、可靠性也更高。

三、结束语

数字通信系统是一种全新的利用数字信号进行消息传输的通信模式，伴随着社会的不断发展，数字通信的应用也已经越来越广泛，在我们日常生活中的电脑、手机上网、视频电话、网络会议以及数字电视等都是通过数字通信系统来进行信号传输的，而且由于社会的发展人们对各种通信业务的需求量也在逐渐增加，在光纤传输媒介还没有完全普及以前，数字通信系统主要是利用电缆、微波等有限的媒介进行传输，但目前光纤技术的发展无疑将会推动数字通信的发展。随着数字通信系统也正在向智能化化、高速度以及大容量的方向迅速发展，相信在未来数字通信系统将会取代传统的模拟通信系统而成为主导。

参考文献

[1]张英.微处理机实现的数字通信[J].电子技术应用，2005.

[2]张晓林.电视数字通信[J].图书馆杂志，2005.

[3]王金保.通信基本知识[J].华北电力技术，2005.

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关键词：数字信号；信号处理；DSP

1．数字信号处理的概念

数字信号处理是用数字计算机对离散信号或将模拟信号离散化后进行处理的现代信号处理技术，自身有其独特的计算方法和理论。数字信号处理是当前发展相当迅速的一种技术，无线通讯，多媒体技术，网络等都是基于数字信号处理算法的。

数字信号处理器(DSP)是为进行数字信号处理而设计的微处理器。数字信号处理器是同数字信号处理技术一同发展起来的。它针对数字信号处理的应用采用了专用的硬件设计结构。

微处理器的发展经历了单板计算机、单片计算机的历程，DSP则是一种高性能的片上微计算机系统。它除了利用大量的新技术、新结构来大幅度改善芯片性能外，还把内存、接口、外设、事件管理器等集成在一个芯片上，成为一个功能强大的片上系统（SOC）。DSP的产生和发展，得益于数字信号处理理论及计算机、电子技术的飞速进步。

2．数字信号处理器模拟的实现

计算机系统本身是一个非常复杂的系统，要使用软件来模拟每个晶体管或每个门电路各个方面的行为特征几乎是不可能的。人们简化系统复杂程度的常用办法是对系统按层次进行抽象，体系结构就是对计算机系统在结构层次上的简化。然而，体系结构层次上的计算机系统依然很复杂，开发其软件模拟器也因此而十分困难。通常的做法是，在已存在的模拟器基础上进行二次开发或改进，使其适应自己的要求。

在任何数字信号处理中，当涉及硬件实现时，都会遇到一个很普遍的问题：一般要处理的原始信号序列长度是非常长的，但受物理设备条件所限，每次(比如一个时钟周期内)输入给数字信号处理相关硬件(如DSP)的必定是有限长度的采样后的数字序列，也就是说要对原有长序列进行一次截断。显然，截断后的短序列相比于原有未截断的长序列的信号属性必然要发生变化。比如截取高斯白噪声的一段，其截断后的序列的均值和方差等统计特性相对于原有白噪声序列肯定会有变化。这种由于截断而引起的序列性能下降显然会导致后续的DSP等硬件设备中数字信号处理性能的下降。

3．DSP硬件结构分析

在当前信息化、数字化进程中，信号作为信息的传输和处理对象，逐渐由模拟信号变成数字信号。信息化的基础是数字化，而数字化的核心技术之一就是数字信号处理。数字信号处理技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP作为一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，凭借其独特的硬件结构和出色的数字信号处理能力，广泛应用于通讯、语言识别、图像处理、自动控制等领域。

3.1 DSP的主要特点及其硬件要求

数字信号处理是指将模拟信号通过采样进行数字化后的信号进行分析、处理、它侧重于理论、算法及软件实现。数字信号处理算法具有如下一些主要的特点：信号处理算法运算量大，要求速度快；信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运算；信号处理算法常具有某些特定模式；信号处理算法大部分处理时间花在执行相对小循环的操作上；信号处理要求专门的接口。

从一开始，DSP的结构就是针对DSP算法模型进行构造的，几乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，数字信号处理的上述特点要求DSP必须是专门设计的。

3.2多总线，多处理单元结构

DSP芯片采用了哈佛结构，它分别设置程序存储和数据存储空间，使用专用的程序总线和地址总线。CPU可以同时访问程序和数据，大大提高了处理速度。所谓的改进哈佛结构，体现在如下几点：

1）允许数据存放在程序存储器中，并可以被算术指令直接使用。但程序和数据不能同时读取，多数访问存储器的指令需要两个执行周期。

2）将指令存储在高速缓存中，无须从数据/程序存储器读取，可以节约一个指令周期。

3）改进存储器块结构，允许在一个周期内同时读取一条指令和两个操作数。

使用两类（程序总线、数据总线）六组总线。包括程序地址总线、程序读总线、数据写地址总线、数据读地址总线、数据写总线、数据读总线。配合哈佛机构，大大提高了系统速度。

DSP内部一般都包括多个处理单元，如ALU、乘法器、辅助算术单元等。它们都可在单独的一个指令周期内执行完计算和操作任务，而且往往同时完成。这种结构特别适合于滤波器的设计，如FIR和IIR。这种多处理单元结构还表现为在将一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻转寻址和流水FIR滤波算法的循环寻址等。而且大部分DSP具有零消耗循环控制的专门硬件，使得处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。

3.4 DSP结构改进

过去的DSP结构设计主要是面向计算密集型的应用，而对控制密集型支持得不够。而现实应用中很多场合需要信号处理和精确控制的有效结合，如数字蜂窝电话，它要有监控和语言音处理的工作。现代的DSP将采用DSP／MCU的混合结构，在保证计算能力优先的前提下，通过快速的现场切换、多执行部件并行执行等方式，加强控制类操作的处理能力。将MCU核集成到DSP核中，或者从整体上对DSP进行重新设计，使之兼有DSP和MCU的功能。

另外，为解决速度、功耗、可编程之间的矛盾，我们提出了一种新型的计算方式，它结合了现有微处理器和DSP的时间计算方式以及ASIC、FPGA解决方案的空间计算方式。这种可重构DSP处理器的关键是它能同时进行时间和空间计算。它由一个计算元件互相连接的二维阵列构成，每个阵列都有各自的逻辑单元和本地寄存器。连接这些计算元件的可编程连线借以对阵列的数据流架构动态重构，从而可根据运行的具体任务而对其进行优化。

参考文献：

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【关键词】混沌加密；光学通信；应用

二十世纪六十年代，人们发现了混沌理论。混沌理论即一个给出混乱、随机的分周期性结果的模型，却是由确定的非线性微分方程构成。混沌是一种形式非常复杂的运动，看似杂乱无章的随机运动轨迹，却是由一个确定方程模型得出。混沌对初始条件的敏感度非常高。密码技术是一种研究使用密码进行加密的技术，而随着信息技术的发展，窃取加密密码的方法越来越多，并且随着传统密码技术的不断使用和技术公开，传统密码技术的保密性已经降低，所以一些新的密码技术开始出现，其中包括混沌加密、量子密码以及零知识证明等。本文首先介绍混沌加密密码技术，然后介绍光学通信，最后重点探讨混沌加密在光学通信中的应用。

1.混沌加密

我们首先对混沌加密的相关内容做一下简单介绍，主要包括：混沌的特征、混沌加密的定义以及混沌加密的常用方法。混沌的特征主要有：混沌运动轨迹符合分数维理论，混沌轨迹是有序与无序的结合、并且是有界的伪随机轨迹，混沌运动具有遍历性，所有的混沌系统都具有几个相同的常数、并且符合利亚普诺夫指数特性，混沌运动的功率谱为连续谱线以及混沌系统具有正K熵等。混沌加密是一种新的密码技术，是将混沌技术与加密方法相结合的一种密码加密技术。混沌加密的方法有很多种，根据不同的通信模式，可以选择不同的加密方式与混沌技术结合，以实现信息的加密传输。混沌加密的常用方法主要包括：数字流混沌加密、数字信号混沌加密以及连续流混沌加密等。

2.光学通信

之所以将混沌加密应用在光学通信中，是因为光学中存在混沌现象，这种混沌现象既包括时间混沌现象也包括空间混沌现象。光学通信是一种利用光波载波进行通信的方式，其优点是信息容量大、适应性好、施工方便灵活、、保密性好、中继距离长以及原材料来源广等，光纤通信是光学通信中最重要的一种通信方式，已成为现代通信的重要支柱和发展趋势。光纤通信系统的组成主要包括：数据信号源、光数据传输端、光学通道以及光数据接收端等。数据信号源包括所有的数据信号，具体体现为图像、文字、语音以及其他数据等经过编码后所形成的的信号。光数据传输端主要包括调制解调器以及计算机等数据发送设备。光学通道主要包括光纤和中继放大器等。光数据接收端主要包括计算机等数据接收设备以及信号转换器等。

3.探讨混沌加密在光学通信中的应用

在光学通信中，应用混沌加密技术对明文进行加密处理，以保证明文传递过程中的安全性和保密性。本文重点对混沌加密在光学通信中的应用进行了探讨。其内容主要包括：混沌加密常用方法、光学通信中混沌加密通信常用方案以及光学通信中两级加密的混沌加密通信方案。其中混沌加密常用方法主要包括：数字流混沌加密、数字信号混沌加密以及连续流混沌加密等。光学通信中混沌加密通信常用方案主要包括：混沌掩盖加密方案、混沌键控加密方案、混沌参数加密方案以及混沌扩频加密方案等。

3.1混沌加密常用方法

连续流混沌加密方法：连续流混沌加密利用的加密处理方式是利用混沌信号来掩盖明文，即使用混沌信号对明文进行加密处理。连续流混沌加密方法常应用在混沌掩盖加密方案以及混沌参数加密方案中。其加密后的通信模式是模到模的形式。

数字流混沌加密方法：其加密后的通信模式是模到数再到模的形式。

数字信号混沌加密方法：其加密后的通信方式是数到数的形式。主要包括混沌时间序列调频加密技术以及混沌时间编码加密技术。主要是利用混沌数据信号对明文进行加密。

3.2光学通信中混沌加密通信常用方案

在光学通信中，利用混沌加密技术进行通信方案的步骤主要包括：先利用混沌加密方法对明文进行加密（可以使用加密系统进行这一过程），然后通过光钎进行传输，接收端接收后，按照一定解密步骤进行解密，恢复明文内容。

混沌掩盖加密方案：其掩盖的方式主要有三种：一种是明文乘以密钥，一种是明文加密钥，一种是明文与密钥进行加法与乘法的结合。

混沌键控加密方案：其利用的加密方法主要为FM-DCSK数字信号加密方法。该方案具有良好的抗噪音能力，并且能够不受系统参数不匹配的影响。

混沌参数加密方案：就是将明文与混沌系统参数进行混合传送的一种方案。这种方案增加了通信对参数的敏感程度。

混沌扩频加密方案：该方案中，扩频序列号一般是使用混沌时间序列，其加密方法是利用数字信号，该方案的抗噪音能力特别好。

3.3光学通信中两级加密的混沌加密通信方案

为了进一步保证传输信息的安全保密性，需要对明文进行二次加密。其步骤是：首先先对明文进行第一次加密（主要利用双反馈混沌驱动系统产生密钥1，然后将明文与密钥1组合起来形成密文1），第二步是通过加密超混沌系统产生的密钥2对密文1进行二次加密，形成密文2，第三步将密文2通过光纤进行传递，同时将加密超混沌系统一起传递到接收端。第四步，接收端接收到密文2以及加密超混沌系统后，对密文2进行解密，形成密文1，然后将密文1传送到双反馈混沌驱动系统产生密钥1，然后将密文1进行解密，通过滤波器破译出明文。此外，还可以对二级加密通信进行优化，即使用EDFA（双环掺饵光纤激光器）产生密钥进行加密。

4.结论

本文首先对混沌加密的相关内容做一下简单介绍，主要包括：混沌的特征、混沌加密的定义以及混沌加密的常用方法。然后我们简单介绍了一下光学通信以及光纤通信，并且介绍了光纤通信的组成结构。并且由于光学中存在混沌现象，所以我们在光学通信中应用混沌加密技术进行保密工作。最后本文重点探讨了混沌加密在光学通信中的应用，其内容主要包括：混沌加密常用方法、光学通信中混沌加密通信常用方案以及光学通信中两级加密的混沌加密通信方案。其中混沌加密常用方法主要包括：数字流混沌加密、数字信号混沌加密以及连续流混沌加密等。光学通信中混沌加密通信常用方案主要包括：混沌掩盖加密方案、混沌键控加密方案、混沌参数加密方案以及混沌扩频加密方案等。

【参考文献】

[1]马瑞敏，陈继红，朱燕琼.一种基于混沌加密的关系数据库水印算法[J].南通大学学报（自然科学版），2012，11（1）：13-27.

[2]徐宁，陈雪莲，杨庚.基于改进后多维数据加密系统的多图像光学加密算法的研究[J].物理学报，2013，62（8）：842021-842025.

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[关键字]提升系统 可移动无线双频监测监控技术

[中图分类号] X924.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-2-278-1

1提升系统

提升系统是矿山生产的关键环节，对安全生产起着决定性的作用，根据集团要求，井筒设施由原来的月检提升到每周例检一次。以往每次检测、检修都是检修人员站在罐笼上作业，由于井筒狭小，且存在淋水、上部落物、高空作业、井上下难以联系等安全隐患，作业过程安全系数低、劳动强度大、检测效率低，致使安全隐患排查不细，影响正常生产。

为解决检修过程中存在的安全隐患、降低检修劳动强度，提高工作效率，沂南金矿组织开发应用了可移动无线双频监测监控系统。该系统把现场情况用数字信号传输到地面电脑，实现对现场多方位检测，可疑检测点可局部放大，给检修人员提供准确信息，从而对可疑检测点有针对性的进行检修。该系统可提高检测速度，节省检修时间，确保检修人员安全，提高生产效率。

2可移动无线双频监测监控技术：

可移动无线双频监测监控系统是由音视频采集系统、信号转换系统、音视频接收系统三部分组成。

（1）音视频采集系统。声音由采集器输入音频放大器，经信号压缩放大输入发射模块；视频采集器由4台6毫米摄像头组成，形成多方位视频采集信号，输入发射模块；

（2）信号转换系统。信号转换系统采用2.4GHZ国际通用频率，使用RF CMOS集成IC，整合功率放大器（ PA ）和压控振荡器（ VCO ）集双声道音频视频于一体调制，后经功率放大器（采用德国西门子公司GaAs芯片）作功率放大，形成图像清晰、音频稳定的信号。在长距离传输中，通过中继器放大来保证数字信号的完整；

（3）音视频接收系统。音视频接收系统由信号接收模块和显示终端组成，信号接收模块接收到数字信号后输入电脑显示终端形成视频图像及声音。

全系统采用DC12V电源；保证使用安全。

3技术应用

方案确定后，经调试组装，在铜井分矿进行了试应用。经验证，该系统运行状态良好，安全性能可靠，较好地解决了生产难题，目前该系统在本矿进行了推广使用。

设备组成：音视频采集传输系统是由摄像头、拾音器、发射模块、音频放大器、平板放大器、防水机箱、DC12V电源组成。信号转换系统由RF CMOS集成IC，整合功率放大器（ PA ）和压控振荡器（ VCO ）、功率放大器（采用德国西门子公司GaAs芯片）组成。音视频接收系统是由DC12V电源、信号接收模块、电脑组成。

调制方式：FM /FSK 频率范围：CH 1= 2414MHZ；CH 2= 2432MHZ；CH 3= 2450MHZ；CH 4= 2468MHZ（可选一拖七套设备即七个发射配七个接收）。

技术参数视频输入（ 1 路 ）双声道伴音输入 （ 2 路 ）（ 6.0MHZ NTSC；6.5MHZ PAL ）

发射功率 ：34dBM最大消耗电流：700mA；输入电压：12V接收机频率：CH 1=2414MHZ；CH 2=2432MHZ；CH 3=2450MHZ；CH 4=2468MHZ

接收灵敏度：-90dBm；接收机最大消耗电流：160mA；输入电压：12V，视频输出 （ 1 路 ）；双声道伴音输出（ 2 路 ）（6.0MHZ NTSC；6.5MHZ PAL ）发射接收模块工作温度：-10-120度，根据矿井的深度采用平板接受放大模块，增加接收数字信号数据的强度。

使用方法：把音视频采集传输系统固定在罐笼上面，根据井筒设施调整安装摄像头采集信号，卷扬机以每秒0.5米的速度运行，检修人员在井口接收终端检测竖井井筒内各种设施安全隐患。

可移动无线双频监测监控系统方案示意图（图1）：

可移动无线双频监测监控系统音视频采集器外观图（图2）：

通过使用可移动无线双频监测监控系统彻底改变了以往检测井筒需要多人站在罐笼上作业的弊端，实现了全程音频和视频的监控，降低了安全事故的发生，有力的保证了提升系统的安全运行。

参考文献

[1]刘鹏.基于无线网络的视频监控系统设计与实现[D].浙江大学硕士论文，2006年.

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【关键词】数字信号处理 教学改革 学习兴趣 探索性实验

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）06-0023-02

“数字信号处理”课程是电子类学科和专业的一门重要专业基础课，涉及知识面广泛，如信号与系统、信号处理、通信等，课程内容抽象，理论性强，概念多，学习难度较大，加上先修课程的学习的好坏也影响到本课程的学习。这些因素导致学生难以在有限的教学时间内掌握好本门课程的内容，学习的畏难情绪增加，学习效果随之下降，导致逐渐丧失学习信心和学习热情[2]。如何培养并保持学生的学习兴趣，充分发挥学生的学习主动性是数字信号处理课程教学中需要面对的一个重要问题。因此对传统的教学方法进行改进，采用多种教学方式激发学生的学习兴趣，取得了较好的教学效果。

一、多种教学手段结合激发学习兴趣

传统的课堂教学方式采用黑板板书方式，其优点是师生互动直接，可以自由控制时间，学生在老师板书的过程中有足够的时间理解和思考，跟进老师思路的压力较小，适合公式推导、例题讲解等内容的教学。但是板书方式形式单调，不适合对抽象的概念和复杂的过程的讲解，而且，数字信号处理课程本来每堂课内容多，全采用板书讲授方式将很难完成教学任务，加快速度则有些重要难以讲到，久之影响教学效果。同时，本课程涉及信号流图（如FFT流程图等）、滤波器设计内容中的频谱图及设计的结果，如果板书出来将占用珍贵的课堂时间。因此仅用黑板板书的方式显然并不合适。投影教学方式的优点是形象生动，尤其是有的复杂过程可采用动画形式展现，学生容易理解，且传递的信息量丰富。但长久的盯着亮的屏幕容易造成视觉疲劳，快速的翻页也会造成部分学生跟不上进度，一堂课下来感觉很累。因此，在课堂教学中，宜采用板书、多媒体教学相结合的授课方式，充分发挥各自教学方式的优点。公式推导、例题讲解等可采用板书方式，抽象的概念和理论、复杂的处理过程等则采用MATLAB仿真进行演示或采用动画形式展现。多媒体课件宜做得精炼，防止出现大幅的内容叙述。由于抽象概念的形象解释有助于学生的理解，学习兴趣也随之提高。比如在讲解长信号的线性卷积时，牵涉到重叠相加法、重叠保留法两种方法，可采用板书和投影教学相结合的方式进行讲解。先提出问题：两个长度相当的信号的线性卷积可以利用FFT进行快速卷积，但若一个信号很长甚至是无限长时如何实现快速卷积？让学生进行讨论。再使用板书方式推导出长信号的分段卷积式，对分段卷积结果如何处理则采用MATLAB仿真来演示和验证这一过程。通过MATLAB仿真，长信号的快速卷积就形象的展现出来，学生易于理解了，枯燥的定义和概念也变得生动起来，原本复杂的过程变得简单而容易接受，有利于知识的理解和掌握，也激发了学生的学习兴趣。

二、改进教学方法，激发学生学习兴趣

“数字信号处理”理论知识多，学习起来枯燥。但是，如果学生认识到所学的知识有用会激发他们的学习兴趣。因此，应加大应用性内容的教学，让学生参与到相关的实践活动中有助于提高学生的学习热情。

1.课程设计提升学习兴趣

课程设计是综合性实践教学环节，完成课程设计需要综合应用所学知识，包括查阅资料、方案设计、方案实施、结果分析、方案改进等。实施计划过程中遇到的困难和障碍构成了学生渴望以挑战的问题，正是这些问题激励学生积极思考并寻找解决问题的办法，在此过程中学习的积极性得以充分发挥。一般而言，学生在接到课程设计的任务后，需要对设计课题进行分析，确定完成此设计需要用到的知识，这些知识可能是已经学习过的，也有未学习过的。学生通过查阅相关资料后，综合所学的知识、技能，明确需解决的问题和达到的目标，并形成解决问题的技术方法。

比如在FFT的教学中，给定课程设计要求“语音信号的频谱分析”，要求综合运用数字信号处理的理论知识对语音信号进行频谱分析并对语音信号进行处理。在此课程设计中，要求学生掌握Windows 环境下语音信号采集方法，掌握用 MATLAB对信号进行分析和处理的编程方法，设计算法和应用程序，对结果进行分析，撰写总结和报告等。学生通过理论推导得出相应结论，利用MATLAB作为编程工具实现语音信号的谱分析和滤波。在设计的完成过程中互相交流学习心得，共同探讨出现的新问题，培养获取知识与解决问题的能力。与此同时，学习过程中获得的成就感激发了他们的学习热情，并培养了勇于探索开拓进取的学习精神。

在教学中，课程设计的题目可以由教师指定，由学生选择，如语音信号卷积的实现、图像信号的滤波等；也可以在教师指导下学生自己选择。学生通过参与数字信号处理的课程设计，加深了对“数字信号处理”理论的理解，提高了学习的热情，巩固了学生数字信号处理的基础知识，增强了学习兴趣。

2.探索性实验激发学习兴趣

探索性实验是指人们从事开创性的研究工作时，为探寻未知事物或现象的性质以及规律所进行的实践活动。它对培养学生的观察能力、思维能力、探索精神以及良好的学习方法具有重要意义。

目前数字信号处理课程配备的实验大多是验证性实验，旨在对所学知识进行验证，如快速傅里叶变换（FFT）、RIR滤波器设计、IIR滤波器设计等，学生只是使用MATLAB 对教材或实验指导书上的实验进行验证，对实验结论也是验证与所学的知识是否一致，遇到不一致的往往知其然不知其所以然，难以结合教材内容进行深入分析。实验过程中遇到的问题也很难独立思考和解决。因此，实验设计仅让学生懂得实验的基本过程及仅仅验证教材上的内容是不够的，更重要的是培养学生的分析和思考问题能力。探索性实验将使得学生在实验过程中通过自己的观察、思考得出结论，不仅能启迪思维，培养科学精神和创新能力，更能激发学习兴趣。探索性实验内容可由教师提出，学生依据实验课题内容查阅资料，设计实验方案，最终完成实验并撰写实验报告。如卷积在信号去噪处理中的应用，就可以采用高斯模板对被污染的图像进行卷积以去除噪声（二维卷积），或对一段被噪声污染的歌曲进行卷积运算去除噪声（一维卷积）。通过探索性实验的开展，改变了传统实验的单调性，调动了学生的主动性，提高学生的学习热情。将验证性实验与探索性相结合，不仅有助于知识的掌握和能力的培养，还培养了学生科学素养，对激发学生的学习兴趣具有积极意义。

3.建立有利于激发学习热情的考核方法

作为一门重要的专业基础课，学生很在乎自己学习成绩，设计一套好的评价考核方法能最大限度的激发学生的学习热情，变被动学习为主动学习。为全面考查学生课堂学习、课外学习、课程设计及探索性实验效果，需设计闭卷考试、实验考核、课程设计考核及平时综合考核的全面考核方式。闭卷考试主要考核基本概念、基本原理等理论知识，实验考核主要考查学生的实验技能及分析和解决问题的能力；课程设计考核主要考察获取知识与解决问题的能力，同时鼓励学生依据学习内容撰写小论文，并建立相应的加分制度。

三、结语

“数字信号处理”的特点是理论性强，公式多，比较枯燥难学，学生容易提不起兴趣。兴趣是最好的老师，是构成学习心理的最活跃的因素。为了达到较好的教学效果，教学实践中，我们改进传统的教学方法，在课堂教学中采用多种教学手段结合激发学习兴趣，并从课程设计、探索性实验及建立有利于激发学生学习热情的考核方法几个方面着手， 激发学习热情，促进学生以研究的态度进行学习，在学习中获得的成就感激发了学生求知欲和学习兴趣，这些措施的实施取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]任淑萍，王欣峰.“数字信号处理”的优化教学研究[J].电力学报，2008，23（3）：255-257.

[3]刘永红，王娜，刘琚.“数字信号处理”课程学习兴趣的培养[J].电气电子教学学报，2014，36（2）：9-11.

[4]马永奎，高玉龙，张佳岩，张中兆.“数字信号处理”课程设计导向型教学初探[J].电气电子教学学报，2012，34（4）：96-97.

[5]郭建涛.“数字信号处理”课程的Matlab教学研究[J].电气电子教学学报，2010，32（3）：117-119.

[6]胡居荣，曹宁.基于MATLAB的数字信号处理研究型教学的探索[J].中国电力教育，2008（121）：67-69.

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关键词：数字信号处理—DSP；DSP；教学内容；CCS；嵌入式

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）30-6862-02

1 概述

DSP往往有两方面的含义，一方面指Digital Signal Processing，即数字信号处理，另一方面则指Digital Signal Processor，即数字信号处理器。《数字信号处理—DSP》课程主要讲授的是DSP处理器的知识，涉及到的DSP就是指数字信号处理器。在当今的数字化时代背景下，DSP技术的地位尤为突显。因为数字化的基础就是数字信号处理，而数字信号处理的任务，特别是实时处理的任务，主要是由通用的或专用的DSP处理器来完成的[1]。目前，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。甚至有业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。

2 《数字信号处理—DSP》课程的开设目的及教学现状

2.1 开设目的

《数字信号处理—DSP》课程是作为我院计算机科学与技术专业嵌入式方向学生三年级第二学期的专业方向选修课来开设的。目前，嵌入式系统方向的发展是非常迅速的，我国也缺少大量的这方面的专业人才。为了紧密联系市场需求，丰富学生的选择，我院设置了嵌入式方向供学生选择。在传统的嵌入式应用中，分别采用通用微处理器（或微控制器）和DSP内核来执行通用功能与信号处理算法。因此，开设《数字信号处理—DSP》课程可以帮助计算机科学与技术专业的学生填补DSP处理器方面知识的空白，也为今后从事嵌入式系统方向的工作奠定宽阔的基础。

2.2教学现状

从2009级学生开始，我们已经完成了两次《数字信号处理—DSP》课程的教学。由于我们的学生大都不太喜欢计算机硬件方面的学习和钻研，而本课程又偏重对DSP芯片的原理讲解和应用，因此，选修的人数并不多，所需的先修课程基础知识的积累也相对薄弱。此外，这个时间恰逢一部分学生准备考研、一部分学生实训就业的敏感时期，因此学生学习兴趣不高，缺勤现象严重，即使坐在教室里也不一定是在听课。所以DSP技术这门课程，要想激起学生的学习兴趣，在短暂的时间内，使学生掌握它的精髓，就需要不断的进行研究探索，找出一种最适合这门课程的教学方法。

3 《数字信号处理—DSP》课程的教学内容

3.1 理论授课内容

本课程初次授课时选用了电子科技大学彭启琮老师主编的《DSP技术的发展与应用》作为教材，系统地介绍数字信号处理的基本思想和优越性，对目前国内外最为流行的德州仪器C2000，C5000，C6000系列处理器硬件结构与软件结构做了详细描述。讨论了DSP的集成开发环境与工具。在算法方面，涉及了常用的数字信号处理算法。工程实现方面讨论了DSP系统中最常见的硬件基本电路以及软件设计调试等工程问题。但由于所授内容主要围绕TMS320C54X系列芯片展开，和我们的实验环境及设备存在一定的差距，因此后期重新调整了教学内容。主要以TI公司的TMS320F2812系列芯片为描述对象，以应用系统设计为主线，系统地介绍了DSP技术的基础知识；典型的DSP芯片，TMS320F2812的体系结构、原理和指令系统；其次介绍了汇编语言开发工具、汇编程序设计和应用程序开发实例；然后从应用的角度介绍了DSP芯片的片内外设应用和DSP系统的硬件设计，并通过几个应用系统设计实例介绍了DSP芯片的开发过程。

3.2 实验内容

为了更好地将理论和实践相结合，使学生在短期内熟悉DSP处理器的结构和应用。在实验环节我们也设计了不同的实验项目：

1）CCS开发工具的使用。TI公司的DSP处理器在市场上占据主导地位，而CCS则是TI公司提供的DSP开发工具，因此，要学好和用好TI公司的DSP处理器就必须先掌握CCS的基本使用。所以在这个实验项目中我们要求学生掌握CCS的基本操作方法以及一些高级工具的使用。

2）基于DSP处理器的实验。例如DSP芯片存储器（包括片内和片外） 配置及验证实验。

3）基于DSP系统的实验。包括中断处理、定时器使用、A/D和D/A转换实验。

4）DSP片内外设实验。包括GPIO管脚使用、McBSP串口实验等。

5）DSP算法实验。包括FIR和IIR滤波器实验，FFT实验等。

6）DSP综合应用实验。包括电机控制、交通灯控制等实验。

上述实验根据学生的能力，要求完成最基本的部分，其余可以作为学生自由选择的项目。此外，通过实验室开放的环节，帮助那些对研究DSP处理器应用开发感兴趣的同学进一步掌握相关知识，完成更高难度的设计。

4 《数字信号处理—DSP》课程教学中存在的问题和改进的措施

4.1 存在的问题

《数字信号处理—DSP》课程的综合性和实践性都比较强，而传统的教学往往存在重理论轻实践的现象，加之学院本身缺乏工科背景的支持，在教学中难免存在这样那样的问题。集中起来包括两方面。

1）课程内容丰富，对教师和学生的要求都比较高。一方面教师要在有限的学时内讲授大量对学生来讲完全陌生的内容，在教学内容安排和学时分配以及教学方法的选择上都对教师提出了挑战。另一方面，学生学习DSP不仅要掌握它的硬件结构，还要学习汇编软件编程，要求学生基础知识扎实。这样一来，学生普遍存在畏难情绪，影响了学习的效果。

2）缺乏真正的实践场所和机会。我们目前的实验教学还是停留在实验室环境下，无法给学生提供更广阔的平台去练习，将相关课程的知识糅合到一起，这样一来知识的学习就显得系统性不强。

4.2 改进的措施

1）合理选择教学内容和方法，大胆进行改革和探索。在教学内容上，根据学生的特点和教学目标及给定的课时数，对教学内容本身的深度、广度进行适当裁剪，以学生能顺利接受新知识为准。在教学方法上，加强案例教学法等新方法的应用。

2）以电子设计大赛为契机，以毕业设计为导向，有意识的引导学生进行创新性实验和综合性实验的练习。此外，积极为学生联系相应的实践实训基地，帮助他们进一步明确所学知识的用处，培养学生对课程的兴趣。

5 结论

随着数字信号处理技术的不断发展，DSP处理器的应用将会更加的普及。《数字信号处理—DSP》作为一门综合性强、内容多、实践性强的专业方向选修课程，它的作用也会越来越重要。因此，这门课程“教什么，怎么教，学什么，如何学，如何用”都将是今后相当长的时期内我们反复探索和研究的问题，相信通过不懈的努力，我们一定能够让这门课程取得满意的教学效果。

参考文献：

[1] 彭启琮，李玉柏，管庆.DSP 技术的发展与应用[M].北京：高等教育出版社，2002.

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关键词：工程教育；数字信号处理；多元化教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）22-0212-02

字信号处理是一门基础性很强的课程，信号与系统是它的先修课程，通信原理是它的拓展课程，该课程集数学、计算机和电子学为一体，是一门交叉学科。在数字信号处理课程中，既涉及基础理论和算法，还涉及硬件电路，覆盖面很广。对该课程的讲授也不能仅仅采用理论教学的方法，尤其是在工程教育的背景下，对学生的要求越来越高。基于工程教育背景，本论文以创新人才培养为目标，探索数字信号处理有效的教学方法和教学手段，培养学生分析问题和解决问题的能力。通过对教学方法的改革，将教学的指导思想变为以学生为主，改变学生传统的学习方式，充分调动学生学习的积极性，激发学生的学习兴趣，提高工程设计能力，为数字信号处理及其相关课程的改革提供参考和借鉴。

1.调整课程教学目标，强调工程素养及创新精神和实践能力的培养。根据学校本科生培目标的要求，在教学中要以加强基础、重视实践、增强能力、提高素质为目标，课程体系要分层次、多模块，即涉及基本技能培养有包含创新能力的培养。

2.调整教学理念。数字信号处理课程的教学理念应该是针对不同的教学内容，采用多种教学方式相结合，通过启发的方式，调动学生学习的积极性和主动性，激发学生学习的兴趣和能力，逐步提高学生独立分析、解决问题的能力，为今后的学习和工作打下基础。

3.改革教学方法。多种教学手段相融合，构建多元化、立体化教学模式。因为数字信号处理课程内容很抽象，理论性很强，传统的教学方式是教师的讲授式教学，学生往往处于被动接受的地位，这样就抑制了学生的学习主动性。为了改变这一现状，需要针对不同的教学内容，采用多种教学方式相结合的多元式教学模式，引导学生参与教学活动，变学生的被动学习为主动学习。①讲授式教学，对于课程中那些基础性较强，理论性较强的内容，学生难以理解，需要老师进行透彻的分析和细致的讲解。在教学过程中，教师要注意启发和引导学生，而不是全盘灌输，要注意教学的生动性，用生动的案例来吸引学生。②研讨式教学，采用研讨式教学方法，教师需要针对不同的教学内容和教学目标要求，精心思考，提出难度适中符合逻辑的问题，使学生能和同伴之间通过积极的讨论交流，达到自主学习的目的。研讨的内容以教材为主，辅以周围的生活实际，教学环境轻松自由，充分调动学生的学习积极性，鼓励他们自由表达，提出问题，对问题进行探讨，让学生通过这种研讨式的方式将所学的知识应用于解决实际的问题。③启发式教学，在教师主持下，为学生创设一个良好的学习氛围，调动其学习知识的积极性、主动性和创造性，引导学生对学习能够举一反三，激励学生的学习兴趣，促进学生的自学能力、分析和解决问题的能力、创新和组织能力的发展。④网络环境下的自主学习与协作学习，充分利用网络的信息开放性，构建多媒体化的协作、自主学习情境。数字信号处理课程网站主要有下面几个特点：一是较为丰富的教学资源，选编和收集国内外与课程内容有关的多媒体素材等，向学习者提供丰富的学习资源。二是相对灵活的网络交流，网站不仅实现了本课程的各个方面资源的表达共享，还通过服务器端程序的编制，实现一个的交流平台BBS。通过在线交流，学生老师实现远程交互，反馈信息。三是灵活的信息呈现，网站综合运用图片、多格式文本FTP系统等各种技术，把课程的资料以丰富多彩的形式呈现给学生。

4.完善教学文件。在教材建设方面，密切联系本学科和交叉学科的国内外最新发展动态，在参考国内外优秀教材的基础上编写适合本专业培养方案的《数字信号处理》教材，辅之以MIT大学等一些在数字信号处理教学中有重要影响的高校教材，并在现代信号处理、MATLAB辅助信号处理、DSP原理与应用等方面配合指定了大量教学参考书，使学生学习目的和发展方向明确化。同时提供相应的CAI课件、网络课程，以逐步形成立体化多媒体化的教材体系。

5.教学手段改革。教学手段上改变传统的粉笔式教学，逐步辅以图片、幻灯、录像、投影、CAI课件等多媒体信息，让抽象的原理能够以形象实用的方式高效地展现。

6.考试改革。启发式、探究式、讨论式、参与式等多元化教学的同时，也要改革考试方式。考试方法从某种意义上来说，是引导学生学习的指挥棒，这根指挥棒的运用是否得当，对学生学习能力的培养将产生很大的影响。在考核方式上，可以采用开卷、闭卷等多种形式。注重学生的日常知识积累、检测学生的综合设计能力。在考核内容上，注重学生的分析和综合能力，在强调考核知识的综合应用、基本概念以及基本内容的同时加大分析与综合型试题的比重，并有10%的拓展、创新题。这样，可以在保证试卷适用于大部分学生的同时，也拉开了成绩的分布，能够较为客观地考核学生的学习状况。评价形式多元化，既有分数，也有评语；既有课内，也有课外。可以让学生参与课程考核的评价方案，让他们及时了解自己在自我构建知识体系的过程中取得的成绩和进展，使考核评价成为一个继续学习的过程，充分体现学生在自主学习中的主题地位。

7.提高教师素质，打造教学和科研团队。多元化教学方法的改革需要教师有充足的知识储备，以应对学生可能提出的很多问题，所以教师要加强理论知识学习，增加理论知识储备与应用能力，不断完善自己的知识结构与智力结构。需要建立一支在素质上具备良好的职业道德和高尚的思想境界、具备现代教育理念、掌握现代教育技术、具备较强创新精神的教学科研能力的教师队伍。

通过工程教育背景下实施数字信号处理多元化教学方法的改革与实践，构建了新的课程体系，从整体上对“数字信号处理”课程内容进行了整合和优化，初步建立信号处理多元化教学新模式，将多种教学手段和方式相结合，取得良好的教学效果。

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