將DSP技術(shù)引入“數(shù)字信號處理”實驗教學的策略分析

1、將DSP技術(shù)引入“數(shù)字信號處理”實驗教學的策略分析0 引言數(shù)字信號處理課程是高校電子信息類專業(yè)的主干課程，其主要教學目的是使學生理解數(shù)字信號處理的基本理論和分析算法、掌握其基本算法和設計方法【1】。本科階段數(shù)字信號處理課程主要涉及離散時間信號與系統(tǒng)基本概念、傅里葉變換算法、數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)與設計等方面。由于本課概念較抽象，內(nèi)容牽涉到較多數(shù)字公式，給學生在深刻理解課堂內(nèi)容方面造成一定的障礙。很多高校設置課程時，均給予該課一定數(shù)量的實驗課時，通過實驗以幫助學生更好地理解數(shù)字信號處理理論知識。目前，數(shù)字信號處理課程的實驗方法主要是基于MATLAB軟件為主，即在MATLAB中編程并運行觀察有關(guān)信號處理效

2、果【2】【3】。運用MATLAB軟件作為實驗平臺，確實能提供便捷的分析方法【4】。然而，基于MATLAB的數(shù)字信號處理課程實驗過程中，大量調(diào)用了MATLAB已有的函數(shù)，學生只需修改這些函數(shù)的參數(shù)即可。這種模式不能有效訓練學生將理論知識用于工程實踐的能力。針對以上問題，本文研究了在數(shù)字信號處理課程現(xiàn)有的MATLAB實驗基礎上，引入數(shù)字信號處理芯片DSP（Digital Signal Processor）及其軟件，通過實驗過程針對DSP芯片實現(xiàn)常用數(shù)字信號處理算法。1 實驗設計數(shù)字信號處理課程共64課時，其中實驗課時8課時。本文以系數(shù)對稱有限沖激響應濾波器（Infinite Impulse Res

3、ponse，IIR）為例來分析在MATLAB實驗的基礎上，引入DSP實驗的方法與實驗過程，該實驗課時為4課時，要求學生有基本的DSP編程知識。1.1 實驗內(nèi)容 實驗包括了MATLAB實驗和DSP實驗兩個環(huán)節(jié)。其中，MATLAB實驗部分的主要任務是產(chǎn)生實驗原始數(shù)據(jù)、設計濾波器系數(shù)、調(diào)用濾波器函數(shù)驗證濾波器濾波效果。DSP實驗部分是用C語言或匯編語言編程實現(xiàn)FIR濾波器并觀察濾波效果。1.2 實驗過程 實驗過程可以分7步進行，分別為：MATLAB設計數(shù)字濾波器，獲得系數(shù)；MATLAB給出仿真原始待濾波數(shù)據(jù)；MATLAB調(diào)用數(shù)字濾波器函數(shù)驗證濾波效果；觀察是否符合濾波要求，若不符合要求則重新設計數(shù)字

4、濾波器；如果符合要求則將系數(shù)、原始數(shù)據(jù)歸一取整后送往CCS；CCS使用獲得的系數(shù)與數(shù)據(jù)，基于DSP編程調(diào)試；觀察DSP是否符合濾波要求，若不符合修改程序。2 實驗設計2.1 MATLAB實驗部分 MATLAB實驗部分首要任務是根據(jù)實驗要求設計所需數(shù)字濾波器。這個環(huán)節(jié)既可以調(diào)用MATLAB函數(shù)進行設計，也可以直接使用MATLAB提供的數(shù)字濾波器工具FDATOOL進行設計。無論哪種方法，都需要確定濾波器類型、階數(shù)等參數(shù)，最后由MATLAB幫助獲得濾波器系數(shù)。本文給出的實例為采樣頻率為12KHz，通帶截止頻率為1200Hz，阻帶起始頻率為2400 Hz，阻帶衰減不小于-40dB的FIR直接型低通濾波

5、器。若以窗函數(shù)法進行設計，則要求學生在實驗過程中，多次實驗觀察不同窗函數(shù)對濾波器濾波效果的影響。本文采用Bartlett窗為例進行設計，設計所得數(shù)字濾波器為23階。獲得數(shù)字濾波器系數(shù)后，由MATLAB產(chǎn)生待濾波信號，待濾波指信號可以是白噪聲，也可以是由程序指定的幾個不同頻率信號的疊加。本文所舉實例為便于說明，設置了頻率分別為800Hz、3KHz、4KHz的三種信號混合作為待濾波信號。濾波前后的信號頻譜如圖1所示。從圖1可以看出該濾波器確實能夠?qū)崿F(xiàn)低通濾波。此后，實驗進入DSP實驗環(huán)節(jié)，要求基于DSP編程，并將得到的實驗結(jié)果與MATLAB實驗結(jié)果作對比，以確保基于DSP實現(xiàn)了數(shù)字濾波器要求。2.

6、2 DSP實驗部分 DSP實驗為訓練工程實現(xiàn)能力，必須要求學生考慮各方面的細節(jié)，包括存儲器的安排。本實驗中，安排了三個存儲器區(qū)域，分別存放數(shù)字濾波器系數(shù)、等待濾波的原始數(shù)據(jù)以及濾波后的數(shù)據(jù)。其次，由于本實驗的編程目標是TI公司C5000系列的定點芯片，必須考慮定標問題，本實驗中建議學生定標為Q15。濾波器系數(shù)與待濾波的原始數(shù)據(jù)在導入DSP系統(tǒng)的存儲器之前，要求先歸一化后取整。本文以TI公司的C54xx系列DSP芯片的匯編語言系統(tǒng)為例來編程實現(xiàn)FIR低通數(shù)字濾波器。一個L-1階的FIR數(shù)字濾波器的I/O方程可以表示為：y（n）=bx（n-i） （1）MATLAB實驗調(diào)用filter函數(shù)實現(xiàn)（1）

7、式濾波器。學生雖然知道濾波器的各項參數(shù)含義，但缺乏如何將FIR差分方程用具體的編程語言實現(xiàn)的概念，為此，本實驗要求學生使用C語言或匯編語言編程實現(xiàn)FIR濾波器。程序的部分源代碼如下所示：LD *DATA_IN+， A ；取得待濾波數(shù)據(jù)FIR： STL A， *FIR_DATA+% ；將待濾數(shù)據(jù)存入指定緩存區(qū)RPTZA， （ORDER-1）；重復執(zhí)行系數(shù)與數(shù)據(jù)相乘并累加實現(xiàn)濾波MAC*FIR_DATA+0%， *FIR_COEF+0%， A；STH A， *DATA_OUT+ ；將濾波后數(shù)據(jù)存入指定緩存區(qū)以上程序中，F(xiàn)IR_DATA是指向存放待濾數(shù)據(jù)的寄存器，F(xiàn)IR_COEF是指向存放濾波器系數(shù)

8、的存儲器單元的寄存器。DATA_IN、DATA_OUT是指向存放濾波前后數(shù)據(jù)的存儲器單元的寄存器，MAC指令執(zhí)行乘累加操作。本文所舉實例中DSP實驗部分的運行結(jié)果分別如圖2所示。圖2表明，基于DSP編程設計的數(shù)字濾波器，實現(xiàn)了低通濾波的效果。與MATLAB的運行結(jié)果對比，二者一致。3 結(jié)語在現(xiàn)有使用MATLAB開展數(shù)字信號處理實驗的基礎上，引入DSP技術(shù)，基于DSP設計數(shù)字濾波器，在實際操作過程中，數(shù)字濾波器的類型、各項參數(shù)、以及原始待濾信號如何產(chǎn)生，都在教師演示后，由學生舉一反三進行修改。整個實驗過程綜合了數(shù)字信號處理基本理論知識、MATLAB函數(shù)、DSP基本原理及其編程等方面的知識，對學生的知識綜合運行提供良好的平臺。由于本文研究的實驗方法兼顧了理論性與工程性，使學生體會了理論知識在工程實踐中的運用過程，極大了調(diào)動了學生的積極性、提高了學生將理論用于實踐的信心。參考文獻：【1】程佩青.數(shù)字信號處理教程.清華大學出版社，2007，2.【2】袁小平.基于Matlab的數(shù)字信號處理課程的實驗教學.實驗室研究與探索，2002，2.【3】郭琳，王子旭，沈小豐.基