将DSP技术引入“数字信号处理”实验教学的策略

　0 引言
　　《数字信号处理》课程是高校电子信息类专业的主干课程，其主要教学目的是使学生理解数字信号处理的基本理论和分析算法、掌握其基本算法和设计方法[1]。本科阶段数字信号处理课程主要涉及离散时间信号与系统基本概念、傅里叶变换算法、数字滤波器结构与设计等方面。由于本课概念较抽象，内容牵涉到较多数字公式，给学生在深刻理解课堂内容方面造成一定的障碍。很多高校设置课程时，均给予该课一定数量的实验课时，通过实验以帮助学生更好地理解数字信号处理理论知识。
　　目前，数字信号处理课程的实验方法主要是基于MATLAB软件为主，即在MATLAB中编程并运行观察有关信号处理效果[2][3]。运用MATLAB软件作为实验平台，确实能提供便捷的分析方法[4]。然而，基于MATLAB的数字信号处理课程实验过程中，大量调用了MATLAB已有的函数，学生只需修改这些函数的参数即可。这种模式不能有效训练学生将理论知识用于工程实践的能力。
　　针对以上问题，本文研究了在数字信号处理课程现有的MATLAB实验基础上，引入数字信号处理芯片DSP（Digital Signal Processor）及其软件，通过实验过程针对DSP芯片实现常用数字信号处理算法。
　　1 实验设计
　　数字信号处理课程共64课时，其中实验课时8课时。本文以系数对称有限冲激响应滤波器（Infinite Impulse Response，IIR）为例来分析在MATLAB实验的基础上，引入DSP实验的方法与实验过程，该实验课时为4课时，要求学生有基本的DSP编程知识。
　　1.1 实验内容 实验包括了MATLAB实验和DSP实验两个环节。其中，MATLAB实验部分的主要任务是产生实验原始数据、设计滤波器系数、调用滤波器函数验证滤波器滤波效果。DSP实验部分是用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器并观察滤波效果。
　　1.2 实验过程 实验过程可以分7步进行，分别为：①MATLAB设计数字滤波器，获得系数；②MATLAB给出仿真原始待滤波数据；③MATLAB调用数字滤波器函数验证滤波效果；④观察是否符合滤波要求，若不符合要求则重新设计数字滤波器；⑤如果符合要求则将系数、原始数据归一取整后送往CCS；⑥CCS使用获得的系数与数据，基于DSP编程调试；⑦观察DSP是否符合滤波要求，若不符合修改程序。
　　2 实验设计
　　2.1 MATLAB实验部分 MATLAB实验部分首要任务是根据实验要求设计所需数字滤波器。这个环节既可以调用MATLAB函数进行设计，也可以直接使用MATLAB提供的数字滤波器工具FDATOOL进行设计。无论哪种方法，都需要确定滤波器类型、阶数等参数，最后由MATLAB帮助获得滤波器系数。本文给出的实例为采样频率为12KHz，通带截止频率为1200Hz，阻带起始频率为2400 Hz，阻带衰减不小于-40dB的FIR直接型低通滤波器。
　　若以窗函数法进行设计，则要求学生在实验过程中，多次实验观察不同窗函数对滤波器滤波效果的影响。本文采用Bartlett窗为例进行设计，设计所得数字滤波器为23阶。
　　获得数字滤波器系数后，由MATLAB产生待滤波信号，待滤波指信号可以是白噪声，也可以是由程序指定的几个不同频率信号的叠加。本文所举实例为便于说明，设置了频率分别为800Hz、3KHz、4KHz的三种信号混合作为待滤波信号。
　　滤波前后的信号频谱如图1所示。从图1可以看出该滤波器确实能够实现低通滤波。此后，实验进入DSP实验环节，要求基于DSP编程，并将得到的实验结果与MATLAB实验结果作对比，以确保基于DSP实现了数字滤波器要求。
　　2.2 DSP实验部分 DSP实验为训练工程实现能力，必须要求学生考虑各方面的细节，包括存储器的安排。本实验中，安排了三个存储器区域，分别存放数字滤波器系数、等待滤波的原始数据以及滤波后的数据。其次，由于本实验的编程目标是TI公司C5000系列的定点芯片，必须考虑定标问题，本实验中建议学生定标为Q15。滤波器系数与待滤波的原始数据在导入DSP系统的存储器之前，要求先归一化后取整。
　　本文以TI公司的C54xx系列DSP芯片的汇编语言系统为例来编程实现FIR低通数字滤波器。
一个L-1阶的FIR数字滤波器的I/O方程可以表示为：y（n）=■b■x（n-i） （1）
　　MATLAB实验调用filter函数实现（1）式滤波器。学生虽然知道滤波器的各项参数含义，但缺乏如何将FIR差分方程用具体的编程语言实现的概念，为此，本实验要求学生使用C语言或汇编语言编程实现FIR滤波器。
　　程序的部分源代码如下所示：
　　LD *DATA_IN+， A ；取得待滤波数据
　　FIR： STL A， *FIR_DATA+% ；将待滤数据存入指定缓存区
　　RPTZ A， （ORDER-1）
　　；重复执行系数与数据相乘并累加实现滤波
　　MAC *FIR_DATA+0%， *FIR_COEF+0%， A ；
　　STH A， *DATA_OUT+ ；将滤波后数据存入指定缓存区
　　以上程序中，FIR_DATA是指向存放待滤数据的寄存器，FIR_COEF是指向存放滤波器系数的存储器单元的寄存器。DATA_IN、DATA_OUT是指向存放滤波前后数据的存储器单元的寄存器，MAC指令执行乘累加操作。
　　本文所举实例中DSP实验部分的运行结果分别如图2所示。
　　图2表明，基于DSP编程设计的数字滤波器，实现了低通滤波的效果。与MATLAB的运行结果对比，二者一致。
　　3 结语
　　在现有使用MATLAB开展数字信号处理实验的基础上，引入DSP技术，基于DSP设计数字滤波器，在实际操作过程中，数字滤波器的类型、各项参数、以及原始待滤信号如何产生，都在教师演示后，由学生举一反三进行修改。整个实验过程综合了数字信号处理基本理论知识、MATLAB函数、DSP基本原理及其编程等方面的知识，对学生的知识综合运行提供良好的平台。由于本文研究的实验方法兼顾了理论性与工程性，使学生体会了理论知识在工程实践中的运用过程，极大了调动了学生的积极性、提高了学生将理论用于实践的信心。
　　参考文献：
　　[1]程佩青.数字信号处理教程[M].清华大学出版社，2007，2.
　　[2]袁小平.基于Matlab的数字信号处理课程的实验教学[J].实验室研究与探索，2002，2.
　　[3]郭琳，王子旭，沈小丰.基于Matlab开展DSP教学的研究与实践[J].电气电子学报，2007，3.
　　[4]张晓光等.Matlab在“数字信号处理”课程教学中的应用[J]. 电气电子学报，2004，10.
　　[5]戴明桢，周建江.TMS320C54xxDSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.