數字信號處理教學實踐改革的研究

卜朝暉++郭心悅

【摘要】針對目前數字信號處理教學中存在的實踐環節較抽象，不利于學生深入理解的問題，進行了教學實踐方法的探索和改革。在教學實踐環節中引入全新的數字信號處理開發工具DSP Builder，可以將Matlab中編寫的數字信號處理算法，直接在FPGA器件中得以實現，可以實現信號的實時在線觀測，使得學生對所學數字信號處理的理論知識能有更生動的體會和更深刻的理解，增強學生的學習興趣，提高學生理論聯系實踐的能力。

【關鍵詞】數字信號處理 ?DSP Builder ?教學實踐環節

【基金項目】論文由“上海理工大學‘精品本科系列研究項目”專項資助。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）35-0231-01

數字信號處理是一門的重要專業基礎課，由于理論性很強、比較抽象，對于聽課的學生和授課的教師均是一個難點。為了能讓學生深入的體會和學好數字信號處理的理論知識，教學實踐環節是必不可少的。

1.數字信號處理教學實踐環節的現狀

目前在數字信號處理課程的教學實踐環節中，較為普遍的是采用MathWorks公司的數學分析軟件Matlab，學生通過Matlab軟件編程對數字信號處理的理論知識進行仿真和驗證，這種通過純粹軟件編程進行仿真驗證的實踐方法仍然是比較抽象的，不利于學生對所學知識的深入理解，也不利于理論聯系實踐。

國內一些高校開始采用Matlab編程與可編程邏輯器件相結合的方法來進行該課程的實踐教學，這種將軟、硬件平臺相結合的方法是一個很好的嘗試，但它需要學生在熟悉可編程邏輯器件的基礎上，熟練進行硬件描述語言（HDL，hardware description language）的編程，這樣就容易使學生在掌握軟件使用和熟悉硬件平臺等方面花費過多的時間，從而忽視了對數字信號處理課程本身一些重要理論和概念的理解與掌握，達不到教學實踐目的。因此，需要對本課程教學實踐的方法進行探索和改革。

2.教學實踐方法的改革

2.1教學實踐方法的思路探索

需要找到一種簡單易行的方法，使得數字信號處理的理論算法可以在硬件上得以實現，并且可以通過嵌入式測量軟件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）對信號的處理結果進行實時在線觀測，那么學生必然會對所學的理論知識能有更生動的體會和更深刻的理解，增強學生的學習興趣，提高學生理論聯系實踐的能力。

鑒于學生在前期課程中已學習過可編程邏輯器件FPGA的相關知識，而FPGA是一種實現數字信號處理的通用硬件器件，如果能夠通過一種簡單的操作將數字信號處理的理論算法在FPGA器件中得以直接實現，那么就能起到事半功倍的學習效果。

2.2 DSP Builder工具軟件的特點

在數字信號處理中Matlab是用作算法開發和仿真的軟件，而DSP Builder通過Matlab中的Simulink模塊將Matlab的算法開發和仿真與硬件描述語言（HDL）的綜合、仿真和Altera開發工具整合在一起，實現了這些工具軟件的集成，從而使學生在進行系統級設計、算法設計和硬件設計時共享同一個開發平臺，并且不需要過多關注硬件設計方面的知識和硬件描述語言的編程，同時，DSP Builder是作為Matlab中Simulink模塊的一個工具箱出現[1]，使得學生可以通過Simulink圖形界面調用DSP Builder工具箱中的提供Altera知識產權核（IP core， intellectual propert core）MegaCore進行DSP系統設計，因此學生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花過多的精力熟悉DSP Builder的使用。

2.3 DSP Builder應用于教學實踐

應用DSP Builder在教學實踐中進行基于FPGA的DSP系統開發，整個設計流程是基于Matlab的Simulink模塊，DSP Builder和QuartusII的，包括從系統描述到硬件實現都可以在一個完整的設計環境中完成，構成了一個自頂向下的設計流程。它主要分為以下幾步[2， 3]：

（1）利用Simulink模塊、DSP Builder模塊以及IP核模塊Matlab的Simulink模塊中對DSP系統進行建模，只需雙擊系統中的模塊就可以對該模塊進行參數設置，同時可以基于Simulink平臺仿真驗證所搭建DSP系統的功能。

（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模塊，將Simulink模塊文件（.mdl）轉換成RTL級的VHDL硬件描述語言代碼描述以及用于綜合、仿真、編譯的TCL腳本。

（3）在得到VHDL文件后，設計者仍然可以通過Signal Com？鄄piler自動調用綜合工具和編譯工具。目前DSP Builder自動流程中支持的綜合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。綜合后產生的網表文件送到QuartusII中進行編譯優化，最后生成編程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件對目標器件進行編程配置和硬件實現，同時生成可分別用于QuartusII的門級仿真文件和Modelsim的VHDL時序仿真文件以及配套的VHDL仿真激勵文件，可用于實時測試DSP系統的工作性能。另外，設計者也可以在Simulink外手動調用其他綜合工具和編譯工具。

（4）針對第二步中生成的VHDL，利用自動生成的Modelsim的TCL腳本和仿真激勵文件所做的仿真為功能仿真，而當由QuartusII編譯后生成的VHDL仿真激勵文件和Modelsim的TCL腳本進行的仿真為時序仿真。

（5）最后將QuartusII生成的配置文件下載到目標器件中，形成DSP硬件系統。

2.4教學實踐的實施步驟

（1）教授學生使用DSP Builder進行基于FPGA的DSP系統開發的過程。

（2）設計出利用DSP Builder進行數字信號處理教學實踐的典型題目。

（3）讓學生將Matlab中編寫的數字信號處理算法，直接在FPGA器件中得以實現。

（4）對信號的處理結果進行實時測試，解決數字信號處理中的實際問題，切實做到理論聯系實踐。

3.教學實踐的效果

在數字信號處理的教學實踐中，應用DSP Builder在FPGA器件上實現數字信號處理的算法，使學生在設計過程中擺脫了繁瑣的具體硬件設計，將更多的精力關注在數字信號處理算法設計的實現上，對所學數字信號處理的理論知識能有一個更生動的體會和更深刻的理解，增強學生的學習興趣，提高學生理論聯系實踐的能力，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]楊守良. Matlab/simulink在FPGA設計中的應用[J]. 微計算機信息，2005（8）：[98].

[2]王前，李韜. 基于DSP Builder實《現數字信號處理》實驗教學新方法[J].實驗技術與管理，2005（9）：[75].

[3]Altera， Corp. ?Dsp Builder User Guided[S].