_数字信号处理_与_DSP技术_课程的关系

第30卷　第6期2008年12月
电气电子教学学报
J OU RNAL OF EEE
Vol.30　No.6Dec.2008
“数字信号处理”与“DSP 技术”课程的关系
管　庆,蔡竟业,朱学勇,杨　錬,向　超
(电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都610054)
收稿日期:2008206223;修回日期:2008209208 教改项目:高等理工教育教学改革与实践项目(编号414)第一作者:管　庆(19682),男,硕士,副教授,主要从事实时信号的研究与教学工作,E 2mail :qguan @
摘　要:本文从数字信号处理内容中的数字化、FF T 的实现及数字滤波器的设计与实现三个知识点入手分析了理论与工程实现之间的区别与联系,从而明确了“数字信号处理”与“DSP 技术”两门同一内容体系下的课程在教学内容上各自的侧重点。

探讨了在有限的教学课时情况下,如何加强系列课程的综合改革以取得更好的教学效果的问题。

关键词:数字信号处理;DSP 技术;数字滤波器中图分类号:TN911;G64
文献标识码:A 文章编号:100820686(2008)0620086203
R elations Bet w een Digital Signal Processing and DSP T echnology Course
GUAN Q ing ,CAI Jing 2ye ,ZHU Xue 2yong ,YANG Lian ,XIANG Chao
(Universit y of Elect ronic Science and Technolog y ,S chool of Communication and I nf ormation Engineering ,Cheng du 610054,China )
Abstract :The relation between t he principle and implement of digital signal p rocessing is analyzed f rom t hree aspect s :digitalization of signal ,implement of FF T and design of digital filter.So t he emp hasis of t he two courses which are under t he same system of Digital Signal Processing and DSP Technology are explained respectively.The issues on how to enhance t he reform of t he series courses and how to make t he reform become more effective based o n limit teaching periods are also discussed.K eyw ords :digital signal p rocessing ;DSP technology ;digital filter
“数字信号处理”课程已成为电类专业的必修
课程。

为了加深学生对数字信号处理理论的理解和认识,提高学生的工程实践能力,很多学校还开设了“DSP 技术”和“DSP 原理与应用”等DSP 器件应用的课程和相应实验课,取得了较好的教学效果[1]。

本校开设的“数字信号处理”课程在2003年被评为国家精品课程,其后续课程“DSP 技术”在2002年获得国家教学成果二等奖。

本文以这两门课为背景,通过对多年教学过程的认真总结,讨论了它们之间的关联与侧重点,以期在有限的教学课时情况下取得更好的教学效果。

1　相关课程背景
我校开设的“数字信号处理”课程主要包括数字信号处理理论基础和数字滤波器设计理论两个部分,而“DSP 技术”课程重点偏重数字信号处理的实现。

“数字信号处理”课程教材选用文献[2]作为教材。

主要学习离散时间信号及系统、D TF T 、DF T 、快速傅氏变换(FF T )、Z 变换、奈奎斯特采样定理、IIR 和FIR 两大数字滤波器的设计及数字滤波器结
构等内容。

而“DSP 技术”课程选用文献[3]作为教材。

主要内容包括数字信号处理芯片结构和特点,并以美国TI 公司的TMS320C5000为代表,详细介
绍DSP 芯片的硬、软件系统和开发工具、应用实例
以及常用数字信号处理算法的工程实现[4]。

2　“数字信号处理”与“DSP 技术”两
课程的关系
这两门课程有着各自的侧重点,怎样在教学内容上既注意它们的关联,又把握好它们的区别呢?本文将从以下几个知识点入手,探讨两者的关系[5]。

(1)模拟信号的数字化问题
模拟信号的数字化过程中需要对连续时间信号的离散化处理(即采样)和信号幅度的量化处理。

“数字信号处理”课程中,关注更多的是信号的时间离散化和连续化处理。

一般认为量化是无失真的,由采样再到内插恢复,得到奈奎斯特采样定理。

其重点放在数字化后的处理算法研究上。

而“DSP 技术”课程将重点讨论如何利用模2数转换(ADC )和数2模转换(DAC )器件来实现信号的数字化,包括ADC 或DAC 器件的重要技术指标,如线性度、有效
比特数、动态范围及信噪比等。

在电路的具体设计和实现过程中,除了ADC 和DAC 的位数和采样频率外,还必须考虑ADC 或DAC 与DSP 芯片数据的接口方式、转换器件的性能价格比等综合因素。

这正是“DSP 技术”这类工程实现课程的重点。

因此,在“DSP 技术”课程中,其重点在于如何使用具体的器件去实现电源管理、数据存储、DSP 系统、输出/输出和信号调理(如放大器和滤波器等)各个模块(图1)。

图1　数字信号处理的一般系统结构
(2)关于DF T 与FF T
傅氏变换F T 是“数字信号处理”课程的重要内
容之一。

在课程中详细讨论了离散时间傅氏变换D TF T 和离散傅氏变换DF T 的定义、性质、应用,以及连续时间的F T 、D TF T 和DF T 三者的关系。

同时还推导了DF T 的快速计算方法,即快速傅氏变换FF T 的原理。

而在“DSP 技术”课程中,则重点讨论
如何利用FP GA 或DSP 芯片所提供的资源,如寻址
方式、并行结构以及特殊指令等实现FF T 。

由于大
多数的DSP 器件都是采用定点数计算,因此,还必须考虑使用定点数器件实现FF T 时,如何避免溢出和计算误差。

为了不失一般性,使用基2的按时间抽取FF T ,以美国德州仪器的TMS320C5402这款DSP
器件为例。

从“数字信号处理”理论课中可知FF T 的计算步骤分为输入数据的位倒序处理和蝶型结的循环叠代运算两个步骤,通常是不具体讨论这个位倒序运算是如何高效实现的。

但在“DSP 技术”课程中,必须考虑这个问题。

(3)数字滤波器的结构与实现问题数字滤波器的设计与结构也是“数字信号处理”理论课程另外一个重要内容。

在课程中,重点介绍了有限冲击响应FIR 和无限冲击响应IIR 数字滤波器的一些设计方法,如窗函数法及冲激响应不变法等。

同时还讨论了滤波器结构的等效变化,介绍一些IIR 和FIR 滤波器的常用实现结构,如直接型、格型滤波器等。

几乎所有的数字信号处理教科书都有有限字长效应的讨论。

从数字滤波器的设计理论上讲,所有的等效结构其对应的系统传递函数是相同的。

但当滤波器系数存在量化误差时,情况就不同了。

这时不同的滤波器实现结构对系数量化语差的敏感度是有差别的。

因此,在具体实现滤波器时必须考虑一个适当的等效结构,而用DSP 芯片去具体实现一个设计好的数字滤波器,是“DSP 技术”课程的重点。

现以一个FIR 滤波器的具体实现加以说明。

“数字信号处理”理论课上解决了要实现的FIR 滤波器的参数(滤波器设计),并分析了系数量化误差所带来的影响。

同时结合所使用的数字信号处理器件(DSP 芯片或FP GA 芯片)以及“DSP 技术”课程的相关知识,选择一个合适的FIR 滤波器的实现结构。

通过这个结构可以了解到这个FIR 滤波器需要多少乘法、加法以及存储单元。

这个阶段以“数字信号处理”理论课的知识为主。

而如何实现数据乘、累加操作是“DSP 技术”课程的重点。

因为DSP 器件可提供MAC 单元(乘累加单元,可以在一个时钟周期里完成一次乘法和一次累加操作)、零开销循环、循环寻址及防止累加器溢出的保护位等资源,因此可以高效地实现这个FIR 滤波器。

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8第6期管　庆,蔡竟业等:“数字信号处理”与“DSP 技术”课程的关系
3　结语
DSP具有两个含义:一个是数字信号处理,另一个是数字信号处理器。

“数字信号处理”课程主要是学习DSP的基础理论和算法。

“DSP技术”等工程实践类课程,主要介绍利用数字信号处理器实现处理的方法。

从上面的分析和例子来看,理论课程与工程实现课程有紧密的联系,它们相互依存,但有各自的侧重点。

目前在本科教学体系中,类似于本文提到的这两门理论课与实现课程之间关系的,还有一些其他课程,如“信号与系统”与“数字信号处理”及“数字电路”与“微机原理”等等。

它们之间都有重叠的内容,但各自的侧重点又不同[6]。

从学生的角度来看,工程实现是最终的目标,但理论指导是基础,所以如何正确引导学生,将理论课与工程实现课程紧密结合起来,成为课程综合改革的重要内容。

只有让学生真正理解基础理论,同时掌握工程实现的基本技能,才能在未来的实际工作中发挥出最大的潜力。

参考文献:
[1]　朱学勇,杨练.浅谈“数字信号处理”课程的改革[J].南京:电气
电子教学学报,2005,27(4)
[2]　Sanjit K.Mitra.Digital Signal Processing2A Computer Based
Approach(3nd.Edition)[M].Tsinghua University Press, Mc Graw Hill,2006
[3]　彭启琮,李玉柏,管庆.DSP技术的发展与应用(第二版)
[M].北京:高等教育出版社,2007
[4]　管庆,胡全.“DSP技术”课程及其实验[J].南京:电气电子教
学学报,2004,26(1)
[5]　刘洪盛,朱学勇,彭启琮.《数字信号处理》、《信号与系统》两课
重叠内容处理方法的探讨[J].南京:电气电子教学学报, 2004,26(6)
[6]　彭启琮.数字信号处理课程双语教学实践[J].南京:电子电气
教学学报,2003,25(4)
(上接第48页孙雨耕等文)
当学生在实验中发现该问题后,指导教师引导学生重新回到U2I特性曲线上分析,启发他们意识到该测量难点是由于曲线的非线性造成在某一电压U处电路电流将可能在不同的电流I间跳变。

若改变思路;调节电流I而分段测量电压U,是否就能够绘制出完整的U2I特性曲线?如果改变电源端电压可使用调压变压器,这是实验常规测量仪器,而如何在实际电路中改变电源端电流,则需要学生们进一步思考,可见这具有拓展性。

在完成实验环节后,通过教师引导,学生针对以下问题进行拓展性思考:
①运用电路中的对偶知识,是否存在与电压铁磁谐振相应的电流铁磁谐振?如何用实验来实现?
②若考虑铁心的损耗,可将铁心线圈视为非线性电阻和非线性电感相串联,则RL C串并联电路为一个二阶的非线性非自治微分方程,在某一特定的条件下,是否可能产生“混沌现象”?
③当掌握铁磁谐振本质后,思考在实际电力系统运行中,如何避免和消除铁磁谐振?
3　结语
开设“电力系统铁磁谐振现象观测和研究”研究型实验的目的是,对实际电力系统运行中的铁磁谐振现象进行分析,掌握铁磁谐振本质,能在实验室范围内观测研究铁磁谐振现象。

通过实验,使得学生不仅掌握了在电力系统中危害巨大的铁磁谐振的本质,而且学习了如何分析实际工程问题和解决问题的技能。

并且为学生的后续课程学习作好铺垫,使其更深刻地理解专业基础课程与专业课程的承接关系,以及了解学好专业基础课程的重要意义。

参考文献:
[1]　孙雨耕.铁磁谐振现象分析(天津大学电路创新课讲义),2006
[2]　张明新,王大川.电压互感器铁心饱和引起铁磁谐振的防治措
施[J].哈尔滨:黑龙江电力,2007,29(3)
[3]　李云阁,施围.应用解析法分析中性点接地系统中的工频铁磁
谐振一谐振判据和消谐措施[J].北京:中国电机工程学报, 2003,23(9)
[4]　甄长松.铁磁谐振产生的原因及消除方法分析[J].马鞍山:冶
金动力,2006,6
[5]　毛秋生.铁磁谐振及抑制措施[J].贵阳:贵州电力技术,2006,
83(5)
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