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1、饶春芳，胡红辉，钟 华，薛 琴（江西师范大学物理与通信电子学院， 江西 南昌 330022）【摘要】为解决“信号与系统”与“数字信号处理”教学中出现的数学运算较多，学生难以掌握其实质的难题，应用DASYlab软件，开展研究性学习。使学生从实际课题出发，在查阅资料、方案设计与实施的过程中，发现问题、思考问题， 促使学生综合运用所学知识，提高学生信息选择和整合能力，使学生在研究性学习过程中获得亲身参与研究探索的体验。【关键词】“信号与系统”与“数字信号处理”；DASYlab软件；研究性学习研究性学习是目前国际教育界非常活跃的教学改革方法，其目标在于提高学生应用知识、解决问题的能力，促使学生进行更深
2、层次的思考并形成“自我引导”的学习模式。在我国各高校正积极将这种先进的教学理念运用到实际教学中。“信号与系统”和“数字信号处理”是两门通信专业基础课，随着现代计算机信息技术的不断发展，这门课程愈来愈显示出其重要的理论地位及应用价值。但这两门课有相当部分以讲解算法、推导和证明算法为主，所涉及的有关概念也比较抽象，因此，它们被称为“电工数学”。传统的教学模式是接受的教学，学生在大量的公式推导中往往体会不到其最重要的本质，在学习过程中会感到学习目的不明确，这样，阻碍了学习兴趣的培养和能力的提高。因此研究性学习作为个体以研究的方式来掌握新知识的一种教学理论，应用到这两门课的教学中，结合适当的软件技术，
3、首先绕开复杂的数学推导，通过科学地设计实际的课题，使学生在实际问题的解决中，主动地引出各定义、算法、设计等知识点，进而能更深层次地理解其物理本质，以达到引起学习兴趣，提到与课题实施相关的参考数据。同时，由于DASYlab还没有 在国内大面积使用，因此，需要学生在没有很多中文参考资 料的情况下，准备计算机的软、硬件，并学习他们的使用方 法。在这过程中有利于提高学生的查找资料、提高信息选择 和整合的能力。2、制定项目实施计划及初步解决方案这一步需要学生根据所学理论知识，制定出项目实施计划，下面以图1所示设计方案为例。这一过程有利于学生培养全面统筹工作，促使学生对知识进行综合利用，进一步提高对信息的
4、整合能力。语音信 号输入时域显 示傅里叶 分析频谱 显示模示识别傅里叶参考语音 信号输入频谱时域 显示存为参 考频谱分析显示图1 项目实施方案举例3、项目的实施（1）以下以学生在实施过程中的几个问题为例进行说高学生解决实际问题能力的目的。由NI公司爱尔兰资源有限公司在全球范围内发行的DASYlab软件，可以对信号处理系统进行图形化编程，并把明信号处理与算法、编程语言之间的障碍除去，从而可以把注例1：噪声的去除意力放在信号处理本身。同时这一软件的学习版本（study version）不需要付费，它易于操作，并且涵盖开发修改在通过图2所示模块进行参考频谱的输入时，发现在信号未加入时，显示的时域波形
5、如图3所示：优化重新设计系统等功能，相对于其他信号处理软件（如MATLAB），DASYlab最大的亮点在于可以通过声卡直接输入音频信号，并且可以利用已保留的声音文件。因此，我们选择这一软件作为我们进行研究性学习使用的工具软件，既省去了信号处理测试设备昂贵的费用，又避免了对这些设备进行调试、编程需耗大量的时间。一、“信号与系统”与“数字信号处理”研究性学习设我们在开展“信号与系统”与“数字信号处理”研究性图2 参考信号输入初步模块计学习的过程中进行了全面、严谨的设计。首先，我们根据我校这两门课的教学安排，确定通信工程专业本科二年级学生为对象，根据教学大纲的要求确定开展研究性学习所需涉及的知识点、
6、应培养的学习能力的目标，并对各知识点进行全面的分析。然后，结合完成研究性课题所需的背景知识，合理地选定研究性学习的命题。在进行过程中，适时对学生提供指导。最后，对研究性学习所能覆盖到的知识点及学生认知能力提高两个方面进行分析，以达到不断提高研究性学习的效率的目的，使研究性学习的展开更具科学性。图3 没有信号输入时的时域波形，含有背景噪声二、基于DASYlab展开的研究性学习实例及教学探索下面应用DASYlab软件，以“货运叉车的语音控制”为例，对开展研究性教学进行讨论。1、准备工作（1）理论知识准备由于课题涉及的主题是对语音的控制，所以首先需要学生对语音学、发音语音学进行学习，以了解语音信号的
7、一些重要特性的知识。这是贯穿整个语音处理的基础。其次，学生应对信号的运算，信号的时、频域分析及滤波器的设计等知识点先期进行了学习。（2）计算机的软、硬件准备首先要准备适合于DASYlab运行的安装了Windows98以上版本的PC一台，至少256MB内存，配备全双工声卡和实时语音 信 号 输 入 的 麦 克 风 。 然 后 ， 查 阅 相 关 资 料 ， 学 习DASYlab软件的使用方法。（3）研究性学习教学的探索由于开展研究性学习的对象是本科二年级学生，目前尚未接触语音信号处理，因此，需要学生自行进行资料的查阅。在有关语音信号的众多相关知识中，需要学生去切实找图4 改进后的参考信号输入模块
8、从图3中可知，即使没有加语音输入信号，也有一定的背景噪声，因此需要对模块进行改进，如使用“触发和继电”模块，如图4所示。这样处理后，语音输入前的时域波 形图如图5所示。由图中可知，改进后较好地消除了背景噪 声的影响。图5 改进后，在没有语音信号输入时，没有噪声波形在这一例中，自然引出了触发器和继电器的功能的问题，这比在课堂教学中空洞在讲解其功能更具形象性，通过实际的应用，学生对这两个功能设备有了较直观的认识。例2：系统模式识别模块的建立及其改进首先按图6所示建立起系统模式识别模块。作。问题6：做了一系列处理后，以相关系数为依据进行模式识别的系统其分辩能力仍不高。问题分析及解决：语音信号中容易被
9、识别的是元音信号，利用不确定性原理，将数据只保留元音段，时间的不确定性降低，则提高了频率的不确定性，配合高通滤波器和低通滤波器，并使用合适的窗函数。则能使系统最后碰上元音的机率就很高。经改进后的系统模块如图7所示。图6 系统模式识别模块运行中出现了众多问题，针对各模块结果，进一步进行分析并改进。问题1：如何保证输入的模拟信号在进行数字处理时不失真。问题分析及解决：根据抽样定理，信号不失真的条件是取样频率必须大于信号的最高频率的2倍，据查阅资料，语音信号的最高频率在3400Hz，因此，模数转换模块的取样频 率应大于7000Hz。问题2：在进行FFT运算中，总是报出“输入数据块尺寸不正确”的提示。
10、问题分析及解决：考查FFT的原理，其输入模块须是2的幂次，因此，在输入模块必须使数据块的大小设在满足这一条件的数字上。问题3：在进行FFT运算时，出现“傅里叶分析”、“功率谱”、“信号谱”、“相位谱”等选项，如何选择才更有利于信号的识别。问题分析及解决：由于语音可分为元音和辅音，而元音为准周期信号，因此其频谱为典型的谱线，如果将谱线进行平方的话，即使用功率谱的话，则特征谱线会被加强，而不重要的谱线则会被减少。因此选取功率谱。问题4：设计方案中采用将实时输入信号的频谱与参考频谱之间设定相关性的方法，但即使是输入信号时采用了触发器和继电器，也不能完全隔离噪声信号。而噪声信号随环境变化随时随地在变，
11、这样可能造成系统的识别能力的降低。问题分析及解决：触发器和继电器的采用，是在时域范围内隔离噪声，由于系统采用的是计算频域相关性的方法，因此，对频率的分析很准确，从而使得很小的声调变化所对应的频率变化都可能对相关系统产生较大的影响。如果在信号输入后加上适当的滤波器，将进一步隔离噪声。问题5：如何正确理解相关性计算的数字及如何具体控制叉车的活动。图7 改进后识别模块图改进后求得数据分辩能力很高，可以保证后续触发器的需要。（2）研究性学习教学的探索在研究课题的实施过程中，学生从实际问题出发，在解决问题的过程中涉及了“信号与系统”和“数字信号处理”两门课的诸多知识点：如在噪声的去除方面，有信号基本运算
12、，滤波器设计；信号的模数转换时，用到了抽样定理的内容；在进行FFT计算时，学生需对信号的频域分析有较深的认识；在进行模式识别时，用到了自适应及相关性的计算。从内容上分析，这一研究性课题基本覆盖了两门课的主要知识点，在不断碰到障碍时，又能使学生在发现问题中，综合使用所学知识，对所得信息进行有效地选择和筛除，进而达到提高整合知识的目的。而所有这些都可以给学生提供获得亲自参与研究探索的积极体验。三、总结根据“信号与系统”与“数字信号处理”两门课算法较多，理论性很强，学生不易掌握其本质的特点，选择研究性学习作为教学手段，应用信号处理软件DASYlab，使学生从实际课题出发，在查阅资料、设计方案及实施的
13、过程中，培养学生发现问题和解决问题的能力，促进所学知识的综合运用，提高信息选择和整合能力。在研究性学习过程中学生所获得的亲身参与研究探索的体验，将有利于提高学生的全面素质。问题分析及解决：相关系数在-1到1之间，接近1表示很 近似，而接近0表示不相关，而接近-1则表示反相关。如果 识别能力足够，可以通过设定一定域值的方法，相关系数大 于某一值则启动叉车，使之按某一语音信号工作，否则不工【参考文献】1余清臣，等.研究性学习M.北京：教育科学出版社，2003. 2UlrichKarrenberg著.信号处理的交互式多谋体教程M.李秀梅，肖 泳，毕国安译.北京：清华大学出版社，2003.【项目编号】
14、本研究得到江西省高等学校教学研究省级立项资助，项目题为：在通讯专业基础课中开展研究性学习的实践探索。项目编号：JXJG07-2-38.（上接242页）疑。答疑活动中，教师要把精心提炼的教学重点和难点、练 习题、复习题、往届试卷、案例分析等内容提前挂接到网 上，指导学生在参与实时答疑前自主学习。通过这样的安排 一方面能激发学员参加网上教学活动的积极性，提高网上教 学活动的有效性；另一方面学生提问也有针性，帮助他们做 好期末复习备考工作。六、督促监控自主学习的过程自主学习中，师生及学生间的准分离状态，学生感受不到教师的注意力，学习动力减小，学习兴趣就难以保证。学习变得没有监控，学生的学习动机、主动
15、意识和自控力的保持，对学生本身的素质提出了很高的要求而这往往是开放教育学生存在的最大的问题。作为教师要保证学生学习兴趣的持续性及学习的自控力，就必须加大学生自主学习的监控力度，积极干预，以保障自主学习的顺利进行。通过教学过程管理，对学生学习过程进行监控，一般由平时作业、期中考试、学习小组活动、自主学习和课程实践等五部分内容。制定开放教育学习小组活动和自主学习考核办法，用制度约束、促使学生开展自主学习，将自主学习的主要内容纳入形成性成绩考核管理，由导学教师和课程责任教师负责跟踪监控和考核。如我们将平时作业由学期末一次上交改为期中考试及期末考试前分两次上交，一方面可掌握学生的学习进度情况，另一方面
16、对学生自觉完成平时作业、加强与教师、同学间的交流起到了很好的促进作用。另外，完善课程考试机制、重视集中实践环节的落实、开展学科竞赛，调动学生学习兴趣、定期评优评先，激励学生学习积极性等方法也是很好地促进学生自主学习的有利保障。总之，对学生加强学习方法的指导，力求做到思想认识的转变与传授方法结合，课上与课下结合，学法与教法结合，教师指导与学生探求结合，统一指导与分别辅导结合。建立纵横交错的学习网络，促进学生适应自主学习的模式掌握正确的学习方法，提高自主学习的效率。【参考文献】1联合国教科文组织国际教育发展委员会.学会生存教育界的今天和明天M.北京：教育科学出版社，1996（6）.2伯耶霍姆伯格.远程教育理论模式的探讨J.中国远程教育，2004（2）.
基于DASYlab的信号处理课程的研究性学习探索
