ccna综合实验实训总结_物理 基于数字信号处理课程的演示分层工程一体化综合实验系统...

基于《数字信号处理》课程的演示-分层-工程一体化综合实验系统

作者：张瑞华 ¹，刘潇 ² (1. 江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056；2.空军预警学院，湖北 武汉 430019)  

摘    要

针对《数字信号处理》课程理论抽象难懂、工程实践性强、学生水平参差不齐的特点，以MATLAB的GUI为工具并结合FPGA，设计了一个分层式综合实验系统。该系统包含了验证型、综合型、工程实训型3个层次的实验。系统可满足不同层次学生的需求；将抽象的算法直观地演示出来，加深学生对理论的理解和掌握；通过完成FPGA工程性实验，提升学生的工程实践能力。实践结果表明，该系统有助于学生更好地理解课堂所学理论知识，形成硬件设计思路，取得了较好的教学效果。 

关键词

数字信号处理；综合性实验；一体化教学；FPGA

0 引言

     《数字信号处理》是一门研究数字信号处理算法及其实现方法的学科^［1］，由于其具有灵活、高速与高精度的特点，被广泛应用在音视频理、语音识别、图像识别、医学检测、工业检测、雷达声纳等领域^［2-3］。《数字信号处理》是电类专业重要的专业基础课，该课程有以下特点：一是涉及面广，信号处理的内容包括采集、滤波、检测、压缩与识别等一系列的加工处理；二是理论抽象难懂，各种算法由公式推导和表示；三是实践性强，课程中的各种算法和原理源于实践，又可应用并指导实践。 

课堂教学和实验教学是相互促进、互为补充的，实验教学是课堂教学的拓展和延伸。目前，受条件所限，少数高校在实验教学中采用软硬件结合方式，大部分院校仍采用MATLAB仿真软件^［4-6］来验证教材中的基本原理。这些基础实验没有考虑到学生的能力差异，因而不能满足不同水平学生的需求， 并且实验内容缺乏工程实践性，在培养学生完整的设计思路和应用分析能力方面有所欠缺。针对以上问题，本文提出了一个演示-分层-工程一体化的综合实验系统，该系统有助于学生更好地理解课堂所学理论知识，形成硬件设计思路，取得了较好的教学效果。

1 系统设计

1.1 设计原则

1.1.1 层次性 系统可按照时间节点、涉及内容、涉及范围等方面，由浅入深、由简单到综合、由学习到创新进行实验内容的设置和安排。除基础的“必做”实验外，学生可根据自身的兴趣、能力完成“选做”实验，更好地发挥学生的长处，激发学习兴趣。 

1.1.2 工程实践性 系统是一个涵盖《数字信号处理》课程关键知识点并具有实际应用价值的电子工程项目(电子产品)，通过信号的获取、预处理、谐分析，将数字信号处理中的变换、滤波、检测及快速算法有机结合在一起。这样，不但便于学生进一步理解、掌握和实际应用所学概念，而且提升了学生的硬件设计能力。 

1.1.3 便携性 该系统应具备可操作性、灵活性、可视性、便携性的特点，方便教学演示，具有一定硬件开发基础的学生即可操作，教师可将实验引入到课堂教学中，采用“边讲边演示”的教学方式，有助于课堂教学与实验教学的有机融合。 

1.2 实验设计 

根据上述3条设计原则，提出了一个演示-分层-工程一体化的综合实验系统。该系统包含3个层次实验：验证型(8个)、综合型(10个)、工程实训系统(1个)。学生通过验证型实验验证已学过的原理、概念或性质，实验内容较基础、易操作。综合型实验是基础知识和基本技能的综合应用，实验内容涉及多个知识点，侧重于知识点的关联性和系统性。工程实训系统采用学生最常见的音频信号为处理对象，通过信号预处理、信号采集、信号分析完成实验，这类实验主要针对动手能力强、具有一定硬件开发基础的学生。全部实验都能同步引入到课堂教学中，学生可根据自身的兴趣、能力完成不同实验。

2 系统实现

本文提出的综合实验系统包含3个层次实验，即验证型、综合型和工程实训模块。其中验证型和综合型实验是以MATLAB的GUI(graphicaluserinterfaces)为工具开发。GUI是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面^［7-8］，是一个方便的交互式演示工具。因此，本文采用GUI编程直观地反映实验现象，实现具体实验功能。工程实训模块为音频信号处理系统，该系统以Cyclone IV系列FPGA为核心^［9-10］。由于FPGA运算速度快、编程简易而且芯片内部集成了一些模块，因而简化了设计;此外，FPGA有丰富的IO资源，可以方便地用不同IO连接外设，进行多类音频信号处理；最后，利用Verilog语言实现多通道音频信号的获取、滤波、编码、谱分析、检测等功能。

2.1 软件结构设计 

本系统的验证型和综合型两个基本实验模块可根据实验名称划分为多个子模块，每个子模块按照功能又可以继续划分。系统主界面如图1所示，单击其中的基本实验模块，如“验证型实验”，便进入验证型实验分界面(见图2)，再单击其中某个实验项目，如“时域抽样”，实验界面如图3所示。在两类基本实验模块中，各选取一个实验演示。验证型实验选取时域抽样实验为例。时域抽样定理是数字信号处理中的一个基本定理，是连续信号和数字信号的桥梁。它指出从抽样序列中无失真恢复出原信号，抽样频率 f_s 与模拟信号最高频率 f_h 间的关系：f_s ≥2f_h 。为方便学生理解该定理，可将该实验引入到定理的讲解中。如图3所示，抽样方式分为理想抽样和自然抽样，抽样信号频谱是原信号频谱以Ω_s 为周期，进行周期延拓而形成的，只 有当 f_s ≥2f_h 时，基带谱和其他周期延拓形成的谱才不重叠，可以用理想低通滤波器从抽样信号中不失真地提取原模拟信号。通过该界面可以方便地选择不同抽样方式和抽样频率，研究其对抽样信号频谱的影响，从而加深学生对时域抽样定理的感性认识。

综合型实验选取地震信号中汽车干扰声排除实验为例。地震台观测到的数据中除了地震源激发地震波外，还包含了地脉动、海浪干扰、汽车干扰等数据，影响了地震波数据分析。本实验以某地地台受到距离台站300 m 处的汽车干扰的波形记录图为例，说明去除汽车干扰声的方法。由图4 可知：长周期地震信号中叠加了汽车干扰，干扰主要集中在10～15 Hz，因此可采用低通滤波器滤除干扰，设置滤波器的通带边界频率为4 Hz，波纹为1 dB，阻带起始频率为6 Hz，阻带衰减为25 dB，通过对比滤波前后的输入/输出信号，可见完全去除了汽车干扰。该实验涉及到FFT 运用、谱分析和IIR 滤波器设计等多个知识点，有利于培养学生的综合实验能力。

2.2 硬件结构设计

2.2.1 设计方案 综合实验系统中的工程实训模块为一个音频信号处理系统，该系统以Cyclone IV 系列FPGA为核心，硬件总体框图如图5所示。首先对音频信号进行预处理，主要是滤除高低频噪声以及将过于微弱的电信号放大，根据设计的音频信号带宽，可通过一个带通滤波器将信号频带限定在20 Hz ~ 20 kHz，再通过运算放大器将信号幅度放大至0 ~ 3. 3 V，接着通过A/D采样将数据送入存储器RAM 中，然后在控制器的控制下通过FIFO 送入FFT 单元进行谱分析，最后把结果图像化并显示在LCD 上。

对于音频信号而言，采样A/D的采样速度要求不高，常用AD7705可实现功能。存储器RAM及FFT单元可通过FPGA构成，主控制器可用STM32单片机或者直接用FPGA构成NIOSⅡ软核来实现。

传统的数字信号处理实验箱箱体庞大、功能复杂、操作繁琐，而本文提出的音频信号处理系统体积小巧、功能明晰、结构简洁，具有一定硬件开发基础的学生即可操作，特别是系统的便携性，方便教师引入到课堂教学中，有助于课堂教学和实验教学的有机融合。另外，系统包含了信号预处理、采集、谱分析3 大模块，它们正是数字信号处理的主要研究内容，作为验证型和综合型基本实验模块的有益补充，该系统有助于培养学生完整的硬件设计思路和应用分析能力。

2.2.2 实施方法 按信号预处理、采集、分析的流程，本文将实验题目进行分解，这样学生有更多的题目可选，避免了实验内容的大篇幅重复。另外，基于学生能力的差异性，不能要求每个学生都能单独完成一个课题，可采用小组合作方式完成，但成员间必须明确职责分工。

基于上述考虑，工程实训系统采用的题目可包含以下几种：

信号预处理：设计一个由低通滤波器串联高通滤波器而形成的带通滤波器，它能将信号频带限定在20 Hz ~ 20 kHz 范围内。指导学生根据给定的带通滤波器技术指标，从稳定可靠、使用方便、高性能价格比出发来选择方案，运用所学的各种电子器件和电子线路知识，设计出相应的功能电路。使学生了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则，进一步熟悉电子仪器的使用方法。

信号采集：系统采集的信号包含音乐(信号最高频率f ≤ 20 kHz)和语音(信号最高频率f ≤ 4 kHz)，通过设置多种采样频率，学生可观察到采样前后信号时域和频域特性发生的变化，从而总结出信号信息不丢失的条件，验证采样定理。

信号分析：对采集到的信号进行FFT谱分析，信号包含正常信号和叠加噪声信号两类，通过设置不同的采样频率f_s 和采样点数N ，指导学生通过LCD观察频谱图像的变化，分析信号最高频率与采样频率、频率分辨率与采样点数间的关系，从而使学生掌握最小记录时间、最短采样间隔和最少采样点数等技术指标的选取方法，以便在实际应用中正确使用FFT。

2.2.3 实验结果 分析如图6 所示，首先通过MATLAB 产生仿真输入数据，并用MATLAB 文件操作命令将仿真输入数据输出到一个数据文件，然后用VerilogHDL 文件操作系统任务读入数据文件，作为电路仿真的激励信号，而后采用ModelSim 进行仿真，并将电路的仿真输出结果输出到一个数据文件中，接着使用MATLAB对仿真输出文件进行读取并求模，最后与最初MATLAB产生的数据所得到的频谱进行对比以达到验证目的。

由MATLAB 产生一个幅值为16的实双频正弦信号，其实部采样率为33. 3 Hz、频率为2 Hz与4 Hz，虚部为0：

图7 对比了完成仿真后的输出数据频谱和MATLAB 数据产生频谱，由图7 可知，信号功率分布于k₁₁ =3、k₁₂ =31、k₂₁ =5、k₂₂ =29四个频率点，且两者的幅值误差在1%以内，能够达到高性能FFT的运算要求。

3 结语

《数字信号处理》是电类专业的重要专业基础课程，但由于学生水平参差不齐、学时有限、实验内容缺乏工程实践性，传统的教学模式已不能满足教学要求。因此，笔者以MATLAB 的GUI 为工具并结合FPGA 设计了一个演示-分层-工程一体化的综合实验系统。该系统包含了验证型、综合型、工程实训型3个层次的实验，具有可操作性、灵活性、可视性和便携性的特点。该系统可同步引入到课堂教学中，增强学生对原理的感性认识；可满足不同层次的学生需求，做到因材施教；将理论与工程实践相结合，提升学生的硬件设计能力。该系统在2016～2018 三个学年用于江汉大学物理与信息工程学院的电信和通信两个专业的教学中。实践结果表明，该系统有助于学生更好地理解课堂所学理论知识，以班级为单位的考试平均成绩2018年较2015年提高了近8%；一些在课内未完成实验的学生主动要求在课余时间补做实验，学习积极性有所提高；近三年来，参加过《数字信号处理》课程的学生获电子设计大赛国家级奖项2项，省级一等奖3项、二等奖3项、三等奖4项，取得了较好的教学效果。

参考文献略

基金项目：湖北省教育厅教研项目(2016281)；武汉市教育局教研项目(2017086)

文献来源：张瑞华，刘潇. 基于《数字信号处理》课程的演示-分层-工程一体化综合实验系统[J]. 江汉大学学报(自然科学版), 2019, 47(4): 321-326.

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2019.04.005