时间：2023-03-20 16:12:35
导语：在数字信号处理论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
【关键词】数字信号处理 DSP Builder 教学实践环节
【基金项目】论文由“上海理工大学‘精品本科’系列研究项目”专项资助。
【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）35-0231-01
数字信号处理是一门的重要专业基础课，由于理论性很强、比较抽象，对于听课的学生和授课的教师均是一个难点。为了能让学生深入的体会和学好数字信号处理的理论知识，教学实践环节是必不可少的。
1.数字信号处理教学实践环节的现状
目前在数字信号处理课程的教学实践环节中，较为普遍的是采用MathWorks公司的数学分析软件Matlab，学生通过Matlab软件编程对数字信号处理的理论知识进行仿真和验证，这种通过纯粹软件编程进行仿真验证的实践方法仍然是比较抽象的，不利于学生对所学知识的深入理解，也不利于理论联系实践。
国内一些高校开始采用Matlab编程与可编程逻辑器件相结合的方法来进行该课程的实践教学，这种将软、硬件平台相结合的方法是一个很好的尝试，但它需要学生在熟悉可编程逻辑器件的基础上，熟练进行硬件描述语言（HDL，hardware description language）的编程，这样就容易使学生在掌握软件使用和熟悉硬件平台等方面花费过多的时间，从而忽视了对数字信号处理课程本身一些重要理论和概念的理解与掌握，达不到教学实践目的。因此，需要对本课程教学实践的方法进行探索和改革。
2.教学实践方法的改革
2.1教学实践方法的思路探索
需要找到一种简单易行的方法，使得数字信号处理的理论算法可以在硬件上得以实现，并且可以通过嵌入式测量软件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）对信号的处理结果进行实时在线观测，那么学生必然会对所学的理论知识能有更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力。
鉴于学生在前期课程中已学习过可编程逻辑器件FPGA的相关知识，而FPGA是一种实现数字信号处理的通用硬件器件，如果能够通过一种简单的操作将数字信号处理的理论算法在FPGA器件中得以直接实现，那么就能起到事半功倍的学习效果。
2.2 DSP Builder工具软件的特点
在数字信号处理中Matlab是用作算法开发和仿真的软件，而DSP Builder通过Matlab中的Simulink模块将Matlab的算法开发和仿真与硬件描述语言（HDL）的综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具软件的集成，从而使学生在进行系统级设计、算法设计和硬件设计时共享同一个开发平台，并且不需要过多关注硬件设计方面的知识和硬件描述语言的编程，同时，DSP Builder是作为Matlab中Simulink模块的一个工具箱出现[1]，使得学生可以通过Simulink图形界面调用DSP Builder工具箱中的提供Altera知识产权核（IP core， intellectual propert core）MegaCore进行DSP系统设计，因此学生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花过多的精力熟悉DSP Builder的使用。
2.3 DSP Builder应用于教学实践
应用DSP Builder在教学实践中进行基于FPGA的DSP系统开发，整个设计流程是基于Matlab的Simulink模块，DSP Builder和QuartusII的，包括从系统描述到硬件实现都可以在一个完整的设计环境中完成，构成了一个自顶向下的设计流程。它主要分为以下几步[2， 3]：
（1）利用Simulink模块、DSP Builder模块以及IP核模块Matlab的Simulink模块中对DSP系统进行建模，只需双击系统中的模块就可以对该模块进行参数设置，同时可以基于Simulink平台仿真验证所搭建DSP系统的功能。
（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模块，将Simulink模块文件（.mdl）转换成RTL级的VHDL硬件描述语言代码描述以及用于综合、仿真、编译的TCL脚本。
（3）在得到VHDL文件后，设计者仍然可以通过Signal Com？鄄piler自动调用综合工具和编译工具。目前DSP Builder自动流程中支持的综合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。综合后产生的网表文件送到QuartusII中进行编译优化，最后生成编程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件对目标器件进行编程配置和硬件实现，同时生成可分别用于QuartusII的门级仿真文件和Modelsim的VHDL时序仿真文件以及配套的VHDL仿真激励文件，可用于实时测试DSP系统的工作性能。另外，设计者也可以在Simulink外手动调用其他C合工具和编译工具。
（4）针对第二步中生成的VHDL，利用自动生成的Modelsim的TCL脚本和仿真激励文件所做的仿真为功能仿真，而当由QuartusII编译后生成的VHDL仿真激励文件和Modelsim的TCL脚本进行的仿真为时序仿真。
（5）最后将QuartusII生成的配置文件下载到目标器件中，形成DSP硬件系统。
2.4教学实践的实施步骤
（1）教授学生使用DSP Builder进行基于FPGA的DSP系统开发的过程。
（2）设计出利用DSP Builder进行数字信号处理教学实践的典型题目。
（3）让学生将Matlab中编写的数字信号处理算法，直接在FPGA器件中得以实现。
（4）对信号的处理结果进行实时测试，解决数字信号处理中的实际问题，切实做到理论联系实践。
3.教学实践的效果
在数字信号处理的教学实践中，应用DSP Builder在FPGA器件上实现数字信号处理的算法，使学生在设计过程中摆脱了繁琐的具体硬件设计，将更多的精力关注在数字信号处理算法设计的实现上，对所学数字信号处理的理论知识能有一个更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力，取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]杨守良. Matlab/simulink在FPGA设计中的应用[J]. 微计算机信息，2005（8）：[98].
【关键词】数字信号处理;课程改革
数字信号处理，是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术，它成为通信、自动控制、电子等专业的必修课程十分重要。该课程具有极度抽象化的特点，在实际的教学中，需要对课程内容、师资力量、教学手段等方面进行相应的调整，以此来保障学生的学习热情和知识掌握深度。让他们在认识理论的前提下，将抽象问题具体化，能够用所学的知识解决生活工作中遇到的实际问题。
一、课程改革方案
1.优化课程内容。在实际的课堂教学中发现，数字信号处理课程在有限的学时内存在部分的学习内容重复现象，而有的则是忽略了让学生对后续学习其他知识的前期重点知识的重点把握，导致他们无法对后续学习的重点知识得到完全理解，影响了他们的知识学习效率。因此，可以在课程中挑出重点部分的章节知识，在这一部分着重教授学生，让他们完全理解这些知识的本质；对于前面提到的课程重复部分，可以先让学生自主预习，做到对知识的心中有数，再进行知识讲授，这样起到的效果是事半功倍的。2.理论与实践相结合。在数字信号处理授课过程中，不仅要注重对理论知识的学习，还要将理论知识应用于实践中。通过日常学习可以知道，数字信号处理课程是将生活实例转化成抽象的数学语言，进行学习和分析，并把得出的结论反向应用于实践中，因此对学习者数学的掌握程度要求很高，需要他们有一定的理论基础，同时也需要他们具有分析运用将其所学知识转化到实践中的能力。在实际授课过程中，教师可以加入自己的实践经验，启发和锻炼学生的思考问题和运用知识的能力，同时，学校也可以和相应的社会企业进行联合，为学生提供一个可以将所学理论知识运用到实践中的平台，对他们日后的就业也有一定的好处。3.教学手段现代化。由于数字信号处理课程的内容较为复杂，且多数是由繁复的数学公式进行表达的，因此会给学生带来理解的困难。可以将重点的数学理论公式罗列出来，对于一些实践性强的内容可以通过多媒体的方式进行展示,这样可以给学生提供更为完美的教育体制。学生还可以在课堂教学过程中和教师进行互动，及时提出自己不懂的问题，也可以和同学进行探讨研究，对知识的吸收有很好的促进作用。有时教师也可以提出一两个小问题供学生在课下或者课上讨论，应用所学知识对问题进行分析，必要时可以借助其他知识进行研究，这不仅促进了同学之间的交流，也锻炼了学生的独立思考能力。
二、改革考试方式
由于数字信号处理这门课程理论性强、复杂性的原因，使得它的考试多数由枯燥的公式理论占据，因此可以通过对考试方式的改革来激发学生的热请。可以分化考试对于学生总体成绩的比重，将日常生活中的实践活动和随堂测验也加入到最后的成绩比重中，可以更加客观的反映学生对知识的掌握处理程度，避免因为一些不稳定因素而造成的对学生整体知识掌握能力的不正确判断。还可以用灵活的方法降低学生对公式的机械依赖而忽略通过公式计算对实际应用的情况，可以允许学生带公式进入考场进行考试，这就把考核的重点转移到了考生对与公式在实际生活中的应用，而不是一味的使用理论解题，不懂变通，如果能够熟练掌握数字信号处理课程的内容，对实际工作的帮助是很大的。还可以把实践工作也作为对学生成绩考核的一个标准，这样学生就会认真思考理论知识如何更加完美的应用于实践工作中，也避免了传统枯燥的理论教学，帮助学生更好的理解吸收知识。
三、小结
通过以上的分析发现，数学信号处理课程在实际教学中面临着理论性强、复杂度高、不易于理解的特性，因此可以在实际中对他的教学内容、师资团队力量、考试测验方法、理论的应用度等等方面进行改革，调整课程在特性方面的不足，培养学生在实际的工作中对理论知识的应用度，调动学生的学习积极性和热情度，培养他们的创新能力，促进学科以及其实际应用的准确度，以此来促进数字信号处理课程更加适应实际工作。
作者:王芳 郑宏兴 单位:1.天津职业技术师范大学 2.河北工业大学电子信息工程学院
参考文献：
关键词： “数字信号处理”课程 教学模式 合作性探究学习
1.引言
“数字信号处理”课程是信息、电子、信号处理等专业的必修课，是在学生学完了“信号与系统”、“数字电子技术基础”等课程后，进一步学习信号处理专业知识的核心课程。“数字信号处理”课程不但是学生未来从事工程设计非常必要的理论基础课，而且对学生的综合素质和创新能力培养有着重要影响，历来受到人们的普遍关注[1]。然而，无论是从课程特点还是教学对象来说，传统以“教”为主、“课堂知识灌输+习题”的教学模式已经不能适应新形势下学生创新能力培养的需求。
从课程特点看，“数字信号处理”课程具有理论性强、概念抽象、涉及数学知识多等特点，以教师板书或PPT进行公式推导为主的教学形式，易使学生感觉内容抽象枯燥，难以理解，丧失学习兴趣。其次，“课堂知识灌输+习题”的教学模式往往忽视概念和公式所代表的物理意义，不能理论联系实际，导致学生不知道所学知识有什么用、怎么用，学习主动性、积极性不足。
从授课对象看，对于“数字信号处理”这类理论性强、公式较多的课程，学生普遍存在畏难情绪。其次，传统应试教育的影响使学生习惯于死记硬背、应付考试，以教师为主的课堂知识点灌输加上大量课后习题，可以满足学生从书本到试卷的“知识”搬移。然而，这种被动的“接受性学习”和机械训练既扼杀了学生的学习兴趣，又限制了学生主动猎取知识、发现问题、分析并解决问题的创新能力的发展。
那么就“数字信号处理”这门课程而言，如何激发学生的求知与求学的欲望，提高学生的学习兴趣，培养学生的创新能力呢？美国当代教育理论家杜威认为：“学生听过的知识，会容易忘掉，看过的知识，能够记住，而亲自做过的，则能够理解。”[2]另外，建构主义理论认为：“单纯的知识讲授对于学生能力的建构没有任何好处，而应是学生在学习动机被激发的前提下，主动进行的建构。”[3]因此，通过教师的教学方式从“灌输型”向“启发探究型”转化，学生的学习方式从“接受性学习”向“研究性学习”转化，让学生主动参与知识的发现和获取过程，真正成为知识探究的主角，提高学习兴趣，提高分析问题和解决问题的能力，发展创新精神。
本文讨论的合作性探究学习模式正是秉承了以学生为主体、教师为主导的教育理念，结合“数字信号处理”课程特点，优化课堂教学模式，促使学生从“被动”学习向“自主探究、合作学习”转变，有助于培养学生主动学习、积极探究的意识和能力。
2.对合作性探究学习模式的认识
合作学习模式强调的是学习者的自主性，是指促进学生在异质小组中彼此互动、共同完成学习任务，并以小组总体表现作为评价依据的教学组织模式[2]。
探究式教学模式是指学生在教师的指导下，根据自身先前认知结构中的相关经验，通过体验、发现、探索、协作等方式主动获取知识、解决问题的一种教学模式[2]。
本文所讨论的合作性探究学习模式是将自主探究和合作学习有机结合的学习方式[3]，是在教师的指导下，以学生为主体，充分发挥学生个体的能动作用和小组学习、全班学习的群体作用，在合作中学习，将课程所学知识与自然、社会和自身生活中实际应用相结合进行专题研究，并在研究过程中主动猎取知识，达到培养学生的创新能力、实践能力和团结协作精神的目的。这种“自主探究、合作学习”模式能够充分激发学生的学习兴趣，为学生提供实践的机会和探究的时间，体现以学生为主体、教师主导的教育理念。
合作性探究学习模式通过教学环节的合理设计，强调学生的自主学习、协作学习、任务体验、自主诊断评价，同时要求教师摆脱传统的以“教”为中心的被动式教学模式的束缚，从课前教学决策，课上任务解释、监督和干预、课程总结和评价等诸多方面积极地引导学生“自主探究、合作学习”。因此，这种学习模式的构建是学生学习方式从“接受性学习”向“研究性学习”转化，教师课堂教育思想和观念从“灌输型”向“启发探究型”转化的一种有益尝试。
3.合作性探究学习模式的实践
数字信号处理本质上是利用数字系统实现对信号的处理[4]，授课内容紧密围绕“两个定理、三个变换、两个系统”展开，即“时域抽样定理和频域抽样定理，Z变换（ZT）、离散时间傅里叶变换（DTFT）、离散傅里叶变换（DFT），有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器”。课程知识结构清楚，前后知识点之间联系紧密，这就为学生利用已学知识探究发现新知识，从分析问题、解决问题的过程中猎取知识创造了条件。其次，数字信号处理广泛应用于通信、雷达、声呐、工业控制与自动化、医疗监控与健康检查、消费类电子、仪器仪表、音视频压缩等许多领域，与学生日常生活密切相关，完全可以根据学生专业或感兴趣的领域设计许多问题和任务。这为学生以小组为单位，通过团队合作，在回答问题和完成任务中探究知识，培养创新能力，奠定坚实的基础。
结合“数字信号处理”课程本身和学员的基本特点，笔者以教师的视角，构建一种涉及学习小组分配、学习任务设计、启发式问题设计、拓展提高和交流讨论五个环节的合作性探究式学习模式，并在近两年所教授班次中初步实践和探索，取得一定的教学效果。
（1）建立高绩效的合作性学习小组是实施合作性探究学习模式的基础，是教师教学前决策的重要内容。我们在熟悉全班同学的基础上，根据学生的意愿并结合学生的先修课程成绩，如“通信原理”、“电路分析”等，将全班30名学生分成3～5人的学习小组，使每个小组中学生在学习成绩、个性需求、兴趣爱好等方面差异最大化。不同类型的学生归入一组，有利于在以后的学习中互相帮助，共同进步。
（2）良好的任务场景设计不但能营造真实体验的氛围，而且有助于学生完成新旧知识的联系和转化，从而激发学生进行学习和探索的兴趣。结合课程内容和授课进度，设计多个密切联系学生日常生活、所学专业或感兴趣领域的相关学习任务。通过层层递进的学习任务设计，将基本理论、基本原理、基本技能与工程实际应用紧密联系起来。比如，在紧密联系教材内容的基础任务“对比总结ZT、DTFT和DFT的性质”之后，针对信息与通信工程专业的学生设计实际通信应用类任务“深入研究线性卷积和DFT的循环卷积性质，探讨OFDM、单载波频域均衡等最新传输技术为什么要用‘分块+循环前缀’的传输结构”。布置学习研究任务后，组织学生进行共同学习。通过运用课程所学的基本知识解决日常生活中、工作实践中的实际问题，既打消学生“为什么学，学了有什么用”的顾虑，激发学习兴趣，又培养和享受学习成就感，促进学生不断学习、终身学习习惯的养成。
（4）在合作学习的基础上，进行拓展提高，培养学员自主探究的兴趣与能力。通过课前和课上的合作学习，针对数字信号处理的实际应用场景，在掌握基础理论的前提下，设计一些拓展提高性任务，给出相关参考资料和文献，强调学员课后自主探索。比如，在学习了利用DFT进行频谱分析的基础上，设计了“高速公路上雷达测速的基本工作原理”这一任务。这种任务密切联系实际生活，又是教学内容的典型应用，在相关提示和文献的帮助下通过合作学习和小组讨论完成。
（5）为了促进有效交流，要求学员针对任务的完成情况制作Word或PPT课件，在课上或课外辅导时间进行全班交流。为了避免出现学习小组内个别学员不愿参与学习和讨论，进行Word或PPT汇报时，事先不指定汇报人，而是在汇报时随机抽取，汇报人的成绩代表全组学员的成绩，促使基础较好的学员在自己学懂的基础上帮助后进学员。此外，对于一些取得创新性成果的研究结果，鼓励学员撰写论文，在教员的帮助下修改完善，尝试投稿发表。
近两年的教学实践表明，这种教学模式能够很好地激发学生的学习兴趣，引导学生充分参与自主学习、讨论和思考，活跃课堂气氛，促使学生在探索、交互、发现过程中主动构建知识，获得思考、交流、自我认同的乐趣，取得良好的授课效果。
4.进一步的思考
合作性探究学习模式的构建和实施，提高了学员的“数字信号处理”课程兴趣，尤其是课堂上的参与度更强，在兴趣的驱动下，求知欲更旺盛，强化教学效果。但任何一种教学模式都不是一成不变的，在教学实施过程中，笔者发现了一些问题。合作性探究学习并不是形式上简单地让学生凑在一起漫无目的地自学与讨论，否则就失去“自主探究、合作学习”的意义，流于形式。因此，对教师来说，构建注重创新能力培养的合作性学习模式的重难点在于：针对转型下的教学目标、教学内容和教学对象进行学习小组合理分组和教学内容设计，避免合作目的不明确、合作问题过于简单或过难。教师要在认真备课的基础上，充分发挥主导作用，精心设计教学步骤，启发学生思维，避免不注重学习过程一味放手让学生合作，不注重教师的“导”与“控”。这就需要教师根据学生的已学知识引导、启发学生思考，形成完成任务的思路，得出需要学习哪些新知识才能完成任务，引出教学内容，进而有目的、有针对性地学习；学生掌握新知识后完成任务，通过完成任务既复习旧知识，又练习并巩固新知识。
参考文献：
[1]王艳芬，王刚，张晓光，刘卫东，李剑.《数字信号处理》研究性课程建设与探索[J].实验科学与技术，2008，6，（2）.
[2]高禹斌.走向合作性教学[M].太原：山西教育出版社，2005.
[3]庞国建.“探究-合作”式教学法在数学教学中的应用[J].中国石油大学胜利大学学报，2007，（2）.
Abstract: This paper is concerned with how to build a "virtual lab" for Real-Time DSP course based on campus network. The lab supplies separate power to every laboratory equipment by the remote control device,and connects the laboratory equipment through the switch matrix flexible combination. Operation shows that the virtual laboratory structure is simple and accurate,which can provide a convenient open laboratory to students.
关键词: 数字信号处理;虚拟实验室
Key words: digital signal processing;virtual lab
中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)19-0153-02
1建设背景
数字信号处理(DSP)技术在近30年来得到飞速发展,它在语音、雷达、声纳、图像、通信、遥感遥测、航空航天等众多领域都获得极其广泛的应用。为适应这一发展对人才的需求,许多高校都开设了数字信号处理课程,并且已由过去的面向电子信息类专业逐渐扩展到面向电气工程、仪器仪表、机械制造及生物医学等更多的专业领域。数字信号处理是一门涉及众多学科又应用于众多领域的学科,它既有较为完整的理论体系,又具有实际的应用价值,因此要建设好数字信号处理课程,不仅要有完善的课堂教学,还要强调课外的实验支持。
在我们开设的数字信号处理课程中,除了包含信号与系统的基本知识、DSP构建、计算机算法、有限字长和定点处理器、快速傅里叶变换的应用以及实时多媒体和通讯应用等教学内容,还建立了一个有力的硬件实验支撑。在课程的最后,学生们需要利用DSP开发平台实现对语音信号的采样、滤波、频谱分析及D/A转换,通过对语音信号进行较为完整的处理来加深对课内教学内容的理解。此外,通过使用DSP内部并行的执行单元、硬件循环、以寻址为模,多重DMA和片内存储器,学生将对DSP处理器有深刻的认识,加深对DSP算法的理解,探索DSP处理器相比通用处理器在构建应用系统上的优势。
数字信号处理实验包括八套实验设备,每套实验设备包含两种不同的TI公司DSP开发系统、信号发生器及示波器。DSP开发系统不仅包含DSP处理器,还包括A/D、D/A、SDRAM、FLASH、扬声器等设备,可以开展数据采集、滤波、频谱分析等实验。学生以小组的方式开展工作,每个小组三名成员,要在两周内完成每一个实验所要求完成的任务。为了使学生灵活安排实验时间、充分利用实验资源,我们构建了一个小型的“虚拟实验室”,使学生能够通过网络直接使用硬件设备和软件,方便地学习研究DSP的应用。我们采取开放的实验室使用政策,学生们可以24小时以他们方便的途径随意使用实验室,对于在线的学生,采用了类似的“提问-回答”的会议方式,在这个会议上助教回答学生的提问,提供实验指导。此外所有的讲稿笔记、家庭作业和其他分配任务,包括实验室考试都会在网上发送而且也可以在网上上交和批改。
2虚拟实验室构建
实验室共有12套实验设备,每套设备包括一台Tektronix AFG310函数发生器,一台Tektronix TDS3012B示波器,一个TI的DSK5510的工具包和一个DSK6713工具包。此外,软件工具包括由项目管理人,用户图形界面,编译器,连接器,调试器,源编码浏览器和编辑工具(如TI的Codecomposer)组成的IDE。NI Labview是一个用模块代替代码行来创造应用的图形语言。它用于远程访问来同时和AFG310函数发生器和TDS3012数字滤波器进行通信。此外,执行实验还需要一些附件如扬声器,耳机和网络摄影。虚拟实验室的目标是创造一个和实物实验室尽可能接近的环境,它必须能远程控制,所有的软件硬件工具都能够实时使用,这样在线的学生就可以实现远程连接到实验室并且方便地使用工具和设备。图1(a)展示了虚拟实验室的安装连接。在实验室内,主控计算机通过各种接口和协议与硬件设备的控制端口相连,实现对各种设备的操作,如通过HTTP接口控制TDS3012B示波器,通过GPIB接口控制AFG310函数发生器,通过USB接口控制DSK5510及DSK6713开发平台。这些设备的输入或输出通道通过一个称作“开关矩阵”的设备连接在一起,开关矩阵由主控计算机控制,可以灵活组合成不同的实验平台,其结构如图1(b)所示。学生终端经校园网连接到实验室主控计算机,通过LabviewTM图形用户语言来实现对实验设备的远程操控。
实验设备及开关矩阵的电源都由可远程控制的电源管理单元来供电,在线用户能够独立启动函数发生器、示波器、主控计算机、TDSK5510工具包和DSK6713工具包。实验室使用的是来自Synaccess的NP08,它拥有八个电源控制端口,一个独立的电源控制单元就可以使用八个实验设备。NP08提供三个用户权限级别:
管理员级别:管理系统配置和无限制有权使用所有电源引口和所有串行端口。
用户级别:允许每个用户保留和管理他自己的端口,以及改变大多数系统配置。
匿名级别(客人):用户可以观看所有设置和操作没有限制的电源引口和串行控制台端口。
标记不同级别的权限是非常有用的,例如实验室助教会授予管理员权限以便于控制所有可用的实验台,在线学生会被授予一个用户名/口令和指定的权限访问他自己的实验台。用户可以利用telnet命令发送指令到控制单元,用来重启用户设备、永久打开/关闭用户电源等。此外,系统会周期性地利用Ping指令查询用户的设备,如果用户设备停止应答Ping的请求,该设备将会重启。为了确保电源管理单元的正常工作,用户可以通过网络摄影看见实验台来确保设备正常工作。要注意的是视频只是作为反馈而不是展示工具。视频不是用来读仪器的显示,用户可以使用LabviewTM图形用户界面来显示和控制仪器。
3在线实验
数字信号处理课程虚拟实验室目前开设了两个实验,一个是语音信号的采集与滤波,另一个是双音多频(DTMF)信号的生成。这两个实验分别基于DSK6713开发平台与DSK5510开发平台进行,实验设备连接如图2所示。
在语音信号处理实验中,主控计算机中保存的语音或音乐信号(已叠加噪声)经扬声器输出端(LINE OUT)进入DSK6713开发板的A/D模块,经采集后得到的数字信号传给TMS320C6713处理器,在那进行低通滤波,之后经DSK6713的D/A模块转变为模拟信号,经主控计算机的麦克风输入端(LINE IN)传入主控计算机。学生可在远程终端上选择源信号,并且可以在远程终端上播放源信号及处理后的结果以进行对比。在第二个实验中,由DSK5510开发板的TMS320C5510处理器根据主控计算机设定的参数生成DTMF信号(多个单频信号的叠加),经开发板的D/A模块转变为模拟信号后送至TDS32012B示波器进行信号时域波形显示及FFT频谱显示。学生可以通过LabviewTM界面操控示波器并看到处理结果。这两个实验都使用TI公司的Code Compser软件进行开发。对虚拟实验室进行测评,结果表明实验步骤简洁清晰,实验所得结果和在实验室中实际进行操作的结果相同。音频流的声音质量也得到所有实验者的满意,远程软件工具Code Composer Studio运行也十分流畅。
4结论
我们采用了一个简单有效的方法来远程访问硬件和软件,并构建了一个数字信号处理课程虚拟实验室。在线的学生可以通过虚拟实验室开展实时硬件实验,并得到和在实际实验室相同的准确的结果。由此可以采取开放的实验室管理与使用政策,方便学生学习研究DSP的应用。
参考文献:
[1]缪晓芸,吴正明.虚拟实验室的研究与探讨[J].福建电脑,2009,(11):33-35.
[2]陈学军.基于虚拟仪器的网络实验室的研究及实现[J].莆田学院学报,2009,(10):28-30.
论文摘要：软件无线电的基本思想是将数字化处理单元尽可能靠近天线，同时系统各种功能在一个开放性、模块化的通用硬件平台上尽可能由软件定义。它是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。
本文首先深入讨论了软件无线电发射机的基本理论:采样技术、多速率信号处理和调制解调算法。在此基础上深入研究了多相滤波技术在信道化发射机中的应用，然后推导和建立了实信号信道化发射机的数学模型，给出了信道划分方法和真实信道中心频率的计算公式，最后完成了基于此模型的一个8信道信道化发射机的仿真，并验证了其可行性和正确性。
第一章 绪论 1.1什么是软件无线电 1.1.1软件无线电的概念
顾名思义，软件无线电就是软件控制的无线电收发信机，它的所有工作处理过程和工作参数都应该是由软件定义和控制的，而不是像传统无线电台那样是由硬件决定。从这个意义上说，软件无线电台就是要将数字信号处理技术应用于天线端的射频(RF)信号处理，亦即将宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线端使用，而且其功能及各种工作参数都可以通过软件来定义。这种软件无线电台与人们通常所说的数字化接收机(电台)存在一定的区别。在软件无线电台中，要适应不同的通信标准与不同体制的通信设备互通工作，只需选用或更改电台的某些工作参数或处理程序即可实现，而这都是通过软件来执行的，而数字化接收机(电台)一般都需要使用不同的硬件电路，有时甚至要使用与这些通信标准一一对应的专用电路，软件无线电台的改进或升级换代可以通过软件的升级来实现，但数字化接收机(电台)就不可能那么简单，一般都要重新设计和更换新的硬件电路板。由此可见，软件无线电台不但具有操作极其方便灵活的特点，而且还能够对技术的发展和工作环境的变化作出更为快捷的响应。
1.1.2软件无线电的特性
SDR(Software Defined Radio)是在天线和A/D/A之间放置模拟信号处理环节，以便于进行滤波、模拟变频等处理，而其它部分在通用硬件平台上，由软件进行处理，是一种非理想的软件无线电。使用SDR概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。它将使得从技术研究开发，到设备制造商、电信运营商，再到每个无线通信终端用户都受益。具体如下：
1.为技术和产品的研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低了开发成本和周期。
传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长、开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本和缩短了周期，使产品能跟上技术发展的水平。
2.为设备制造商降低投资风险，提高经济效益。
目前无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。基于SDR技术产品的生产将比传统产品原材料成本低、且产品寿命长，这就意味着投资风险低。同时，由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。因此，制造商生产基于SDR技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。
3.为运营商降低投资风险
移动通信网建设需要巨大投资，同时具有很大风险性。我国现今一方面由于市场需求，GSM网络迅速扩容，增加GPRS设备；另一方面又面临第三代移动通信到来的时期，制定一个成功的投资战略极为困难。在现阶段考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择，也有很大的投资风险。软件无线电从某种程度上可降低这种风险。
4.为最终用户提供了一个通用的终端设备平台
基于SDR技术用户的设备，是为用户提供了一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达5-8种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。这样，用户便不需要关心他所在的地区和运营商的问题，从而实现真正意义的全球漫游。用户还可能获得他们所希望得到的新业务。
1.1.3软件无线电的关键性技术
软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关，这些技术决定着软件无线电技术的发展程度和进展速度。宽带/多频段天线、A/D/A转换器件、DSP(数字信号处理器)技术及实时操作系统是软件无线电的关键技术。
1.宽带/多频段天线
理想的软件无线电的天线部分应该能覆盖全部无线通信频段，通常来说，由于内部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的。而软件无线电要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信，就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线。因此，实现软件无线电通信，必须有一副可通过各种频率信号而且线性性能良好的宽带天线.软件无线电台覆盖的频段为2MHz～2000MHz。就目前水平而言，研制一种全频段天线是不可能的。一般情况下，大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口，不必覆盖全部频段，故可采用组合式多频段天线的方案。即把2MHz～2000MHz频段分为2MHz～30MHz， 30MHz～500MHz， 5OOMHz～2000MHz三段。这不仅在技术上可行，而且基本不影响技术使用要求。
2. A/D/A转换器件
在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理无线电信号，必须把A/D/A转换尽可能向天线端推移，这样就对A/D/A转换器的性能提出了更高的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息，A/D/A转换要满足Nyquist抽样准则，而在实际应用中，为保证系统更好的性能，通常抽样率不小于带宽的2.5倍。受器件工作频率的限制，当前软件无线电通信系统采用A/D/A转换器的分辨率一般较低，由于其分辨率低，因此影响到信号处理的精度，故增加转换器的精度成为一大热点。对于更高的转换带宽要求，可以用并行A/D/A转换的方法完成。
3. DSP(数字信号处理器)技术
它主要完成系统内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。由于电台内部数据流量很大。进行滤波、变频等处理运算次数多，必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务，必须要求硬件处理速度不断增加，芯片容量扩大。同时要求算法进行针对处理器的优化和改进。这两个方面的不断提高将是数字信号处理技术发展的不懈动力。只有这样，才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控制。在芯片速度条件限制下，对数字信号处理器的速度要求是非常高的，利用更高速度的DSP芯片组进行并行处理。各个芯片厂商正在努力提高芯片的处理速度，利用多种并行处理、流水线、专用硬件结构来提高芯片的数据处理能力。对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等，可以用具有可编程能力的专用芯片来实现，而且这种芯片的速度要高于通用DSP芯片。例如用FPGA(现场可编程门阵列)就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求，支持软件无线电中的动态系统设置的功能。通常来说系统的分配方式是：计算密集型的部分在DSP内部完成。功能相对固定的部分，就由FPGA来完成。
4.实时操作系统
软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高，然而在一定的处理速度限制下，需要有效的实时应用处理软件和实时操作系统支持，才能充分发挥处理器的性能。与通用操作系统相比，实时操作系统对处理任务的时间调度控制更加明确，可以更有效地面向高速数字信号处理分配有限的处理资源。针对不同的通信体制的共同点，采用、开发高效而灵活的实时操作系统和实时应用软件。完成多种通信模式的软件实现，并且随着移动通信的继续发展，增加具有新的功能的系统模块，提供更先进的服务。
1.2软件无线电的现状和发展
软件无线电是一种新系统，近年来被提出应用于无线通信领域. 它是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构. 软件无线电设计思想就是将数字化处理单元尽可能靠近天线，同时系统功能尽可能由软件定义。
软件无线电在70年代后期被首次提出，当时模数转换器(ADC)由8085处理器提供，电台工作于低频段(VLF)。载波频率越低，中频(IF) ADC技术的使用越切实可行，这的确是软件无线电的一大特点。
有关军事技术于1992年被首次提出，美国国防远景规划局的易通话第一期发起者于1995年对软件无线电的军事应用进行更全面的介绍。易通话第二期项目促进了创立于1996年3月的模块化多功能信息传输系统(MMITS)论坛的发展。MMITS的全球参与者包括法国的阿尔卡特公司、瑞典的爱立信公司、日本的东京大学、英国的奥林奇个人通信公司、芬兰的诺基亚公司、德国的罗德施瓦茨公司、韩国的三星电子公司和德国的西门子公司等。
经历一段时间后，MMITS论坛重新定义为SDR论坛，标志着软件无线电开放结构标准从侧重军用向侧重商用的转变。
现阶段，软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用成为研究的热点。欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中:FIRST(灵活的综合无线电系统和技术)计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模可编程手机。这种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求;FRAMES(未来的无线宽带多址系统)计划的目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足UMTS要求，方法之一是采用软件无线电技术;SORT(软件无线电技术)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合UMTS的标准。
美国也正在研究基于软件无线电的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站，同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。
我国对软件无线电技术也相当重视，我国提出的SCDMA是一种同步的直接扩频CDMA(码分多址)技术，它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码等通信技术。
第二章 软件无线电中的采样理论
软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化，将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理的数据流，然后通过软件(算法)来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。所以软件无线电首先面临的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样?采样速率应该取多大?软件无线电中的采样有些什么特殊性?
(2-8)
式中， = / = 。
由此可见，抽样信号的频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加。采样定理为模拟信号的数字化奠定了理论基础。
2.2带通信号采样理论
Nyquist采样定理只讨论了其频谱分布在(0， )上的基带信号的采样问题，如果信号的频率分布在某一有限的频带( ， )上时，那么该如何对其采样呢?当然，根据Nyquist采样定理，仍然可以按 2 的采样速率来进行采样。但是当 B= -时，也就是当信号的最高频率八远远大于其信号带宽B时，则其采样频率会很高，以致很难实现，或者后续处理的速度也满足不了要求。带通采样理论可以很好的解决这个问题。
带通采样定理:设一个频率带限信号 ，其频带限制在( ， )内，如果其采样速率 满足:
=
(2-9)
式中。取能满足 2( - )的最大正整数(0，1，2， )。用 进行等间隔采样所得到的信号采样值 能准确的确定原信号 。在实际的传输系统中，由于多普勒频移会造成载波在一定范围内波动。带通采样虽然能极大地降低采样速率，但它易受载波和采样频率变化的影响，为此，进行系统设计时必须考虑载波和采样率不稳定对系统的影响。本文中对这一内容没有深入讨论，暂不考虑多普勒频移和采样率波动对系统的影响。
式(2-9)用带通信号的中心频率 和频带宽度B也可以表示为:
=
(2-10)
式中， =( + )/2， n取能满足关 2B （B为频带宽度)的最大正整数。
当 = /2、B= 时，取n=0，式(2-10)就是Nyquist采样定理，即满足 =2 。由式(2-10)可见，当频带宽度B一定时，为了能用最低采样频率即两倍频带宽度速率( =2B)对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足:
= B
(2-11)
也即信号的最高(或最低)频率是带宽的整数倍，也就是说任何一个中心频率为 =(n=0，1，2， )带宽为B的带通信号均可以用同样的采样频率 =2B对信号进行采样，这些采样均能准确地表示位于不同频段(中心频率不同)的原始信号 ， ， ， 。
上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其中的一个频带上存在信号(带宽B不仅只限于某一信号的带宽，单从对模拟信号的采样数字化来讲，这里的B应理解为处理带宽，也就是说在这一处理带宽内可以同时存在多个信号，而不只限于一个信号)，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠。为满足这个前提条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，即在采样前先进行滤波，如图2.1所示。也就是当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率 上，滤出所感兴趣的带通信号 ，然后再进行采样。
SHAPE \* MERGEFORMAT 图2.1带通信号的采样
带通采样的结果是把位于（nB，(n+1)B）(n=0，1，2， )不同频带上的信号都用位于(0， B)上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在n为奇数时，其频率对应关系是相对中心频率“反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量。而偶数频带与采样后的数字基带谱是高、低频率分量一一对应的。这种奇、偶频带有别的频率对应关系在带通信号采样定理实际应用时是需要特别注意的。
2.3软件无线电中的带通采样理论
由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1 MHz到3 GHz。作为软件无线电，只有这样宽的频段才能具有广泛的适应性。但是如此宽的频带采用Nyquist低通采样至少需要6GHz，这显然是不现实的。所以，对于宽频带工作的软件无线电电台只有采用带通采样。
2.3.1窄带中频采样数字化
采样率为 的理想带通采样模型如图2.2所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
图2.2理想带通采样模型
上述理想带通采样模型在实际应用中有一定限制的，例如当采样率 固定时，该模型所能处理(数字化)的信号的中心频率只有有限几个，即
=
n=0，1，2，
(2-12)
而处理带宽为采样速率的一半，即
B
(2-13)
此时为了能使该模型能够处理整个频带上的所有信号，则其采样率 必须取为信号带宽的两倍。但是这种方法实现起来是很困难的，主要表现在刃D前面的抗混叠滤波器无法实现，因为它要求该滤波器在整个频带都保持相同的滤波器带宽和阻带特性是不可能的。
为解决这个问题，可以采用所谓的超外差接收结构，即先用一个本振信号与被数字化的输入信号进行混频(可以经过几次混频)，将其转换为统一的中频信号，然后进行数字化，如图2.3所示。图中三个频率之间的关系为:
=
(2-14)
通过改变本振频率 ，就可以完成对不同频率( )信号的数字化，而这时A/D前的信号中心频率(中频)是固定不变的 。如果 取得适当，A/D前的抗混叠滤波器就会容易实现。但是，这种超外差中频数字化体制的主要缺点是在天线和A/D间增加了很多模拟信号处理环节，如混频、本振信号产生、各种滤波等。这些模拟电路不仅会造成信号失真(特别是混频器和窄带滤波器)，而且对缩小体积、降低成本和功耗也是极其不利的。另外，由于在天线与AID间的模拟电路过多，使得这种体制在对信号的适应性以及可扩展性方面存在明显的不足。例如，一旦模拟信道的中频带宽确定以后，要适应不同的信号带宽就存在一定的困难，另外，本振信号的频率步进一旦确定，对信道间隔的适应能力也就变差了。所以图2.3所示的结构并不是软件无线电概念上的一种理想的结构形式，特别是由于过多的模拟信号处理环节而造成适应性不强、可扩展性差的弊端是显而易见的。
SHAPE \* MERGEFORMAT
图2.3窄带中频带通采样软件无线电结构
2.3.2宽带中频带通采样数字化
为了改善上述中频数字化体制对信号环境的适应性和可扩展性，可以通过适当增加中频带宽的办法来加以解决(只能说是部分解决)，也就是使图2.3中的中频带宽B满足:
B>>
(2-15)
此时在中频带宽B内将包含有多个信道(信道数N=B/ )。至于对带宽B内位于某一特定信道上的信号所需进行的解调、分析、识别等处理，将由后续的信号处理器及其软件来完成，该软件主要完成数字滤波(可变带宽)、数字下变频以及解调等信号处理任务，通过加载不同的信号处理软件就可以实现对不同体制、不同带宽以及不同种类信号的接收解调以及其他信号处理任务，这样对信号环境的适应性以及可扩展性就大大提高了。而且由于中频带宽加宽了，本振信号可以按照大步进来设计，这样可以大大简化本振源的设计，有利于减小体积、改善性能、降低成本。
2.3.3射频直接带通采样定理
射频直接带通采样是建立在带通信号采样的基础之上。一般的无线电信号(如通信信号、雷达信号、遥控遥测信号等)其瞬时信号带宽都是比较窄的，例如一般的常规V/UHF战术通信电台信号带宽(间隔)为:50kHz， 25kHz或12.5kHz等，而短波电台的信号带宽就更窄，即使象非常规的扩频信号，其带宽也不过几兆赫兹，超过百兆赫兹的信号是比较少的。所以，单独对某一个信号进行接收解调时就完全可以应用带通信号采样定理对其进行数字化，如图2.4所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
图2.4射频直接带通采样软件无线电接收体制
由前面的带通信号采样定理知道，当以采样速率 对 （0，f）频带内的信号进行数字化时，如果A/D前的抗混叠滤波器是理想的话(矩形系数为1，带宽为 /2)，就可以实现整个频带的无“盲区”采样。但是这种矩形系数为1的理想滤波器是实现不了的。在实际应用中，滤波器的非理想化造成采样“盲区”，解决的办法是对这些“盲区”通过选择合适的采样频率进行“异频”或“异速率”采样。
第三章 多速率信号处理
在一个信号处理系统中有时需要不同的抽样率。这样做的目的有时是为了系统中各处需要不同的抽样率，以利于信号的处理、编码、传输和存储，有时是为了节省计算工作量。使抽样率降低的抽样率转换称为抽取;使抽样率升高的抽样率转换称为内插。抽取和内插是多抽样率信号处理的基本环节。
在软件无线电系统中，我们的设计思路是ADC采样频率越大越好，这样可获得更高的信噪比，在一些宽带中频和射频无线电方案中，ADC的采样率高达几十MHz。但是对通用接收机来说，在同一时间里一般只要求对一个信号进行分析处理，而单一信号的带宽最大也只有200kHz左右(扩频信号另论)，这样采样频率最大也只需1 MHz左右，因此完全有可能降低采样频率而不丢失信号信息。另一方面，降低采样率可以减轻信号处理负荷，节省宝贵的DSP系统运算资源。
3.1整数倍抽取
当信号的抽样数据量太大时，为了减少数据量以便于处理和计算，我们将抽样数据每隔D-1个取一个，这里D为整数。这样的抽取称为整数倍抽取，D为抽取因子。如图3.1所示，输入的序列 的抽样间隔为 ，相应的抽样率为 。进行整数倍抽取后，所得新的序列 的抽样周期为 ，抽样率为 ，由于每隔D个 抽取一个数据，所以 =D ， = /D。
图3.2完整的抽取器方框图
这种方法虽然把 中的高频部分损失掉了，但由于避免了混迭，所以在 中仍然完好地保存了 低频部分。在信号恢复时可以从 恢复 的低频部分。
3.2整数倍内插
整数倍内插是在已知抽样序列 的相邻两抽样点之间等间距插入I一1个0值点，然后进行低通滤波，即可求得I倍内插的结果，这里I为整数。这样的内插称为整数倍内插，I为内插因子。图3.3所示为一般情况下的整数倍内插框图。
3.3采样频率的分数倍转换
上两节我们讨论了通过整数倍抽取和内插实现采样频率的整数倍缩小和增大，在一些特殊情况是我们需要采样频率分数倍转换，这种变换可以这样来实现:先通过I倍内插，再进行D倍抽取，如图3.6所示。
图3.6取样率的分数倍I/D变换
内插器的低通滤波器 与抽取器的低通滤波器 ，总的滤波效果等于其中带通截止频率较低的那个滤波器，所以，只需用这一滤波器即可，因此，I/D倍采样速率转换系统可简化为图3.6(b)，这时的低通滤波器为:
3.4多抽样率系统的多相结构
在多抽样率系统中我们总是设法把乘法运算安排在低抽样率的一侧以使单位时间内的乘法次数(MPS)最少。但在抽取器和内插器中滤波的卷积运算都是在抽样率较高的一侧，例如实现抽取器的运算，如果先做抗混迭滤波的卷积运算然后抽取，则必然有很多计算工作是徒劳的，而且一个卷积运算又必须在输入信号的抽样时间间隔内完成，这样就使得每秒钟的乘法次数很高。在实现多抽样率系统时，FIR结构具有很大的优越性。一方面它是绝对稳定的并具有很容易做成线性相位的优点，另一方面也容易实现高效结构。
在多抽样率信号处理中，多相滤波技术是一种极其重要的方法，多相滤波技术可以极大地降低运算量，使原来不可能实现的实时处理成为可能，从而大大增强了信号处理能力。多相滤波技术在形式上是将数字滤波器的转移函数H(z)分解成若干个相位不同的组，所以，也叫多相分解，其本质上是避免不必要的运算，从而提高滤波运算的计算效率。
1. FIR滤波器的多相表示
在FIR滤波器中，转移函数
=
(3-7)
式中，N为滤波器的长度。如果将冲激响应h(n)按下列的排列分成D个组并设N为D的整数倍，即N/D=Q， Q为整数，则:
图3.7 FIR滤波器多相分解的第一种形式
1.进一步细化原有教学计划，调整教学内容，彰显专业特色。
对原有教学大纲及计划做了仔细的分析与讨论，适时调整课程内容，结合学生所在专业的特点，精选教学内容，进一步细化原有教学计划。由于各专业知识体系不同，教师如何讲授可以使学生在有限的时间内获取足够的工程数学知识，为后继的专业课程打下坚实的基础，需要教师对学生专业课程的大致内容要了解，从而对教学内容进行优化整合，删除一些不必要内容，增加工程应用实例，进一步细化原有的授课计划。我院信息工程系的通信专业、电气自动化专业课程是与工程数学结合最紧密的专业，《微波技术基础》、《天线技术基础》、《数字信号处理》、《信号与系统》、《信息论》、《数字信号处理》、《电磁场理论》、《自动控制原理》等课程大量的问题都归结为工程数学和高等数学的知识。在微波传输中传输线的矩阵解、矩形波导、园波导等传输线方式分析，微波网络分析中无耗互异网络特性分析、密码通信中的加密、解密，微波负载元件、微波连接元件、阻抗匹配元件、功率分配元件等特性分析等问题，都用到了线性方程组求解、求解特征值、特征向量、矩阵的求逆、将矩阵对角化等《线性代数》的知识。在《信息论》中，信号的输入与输出中信道的传递概率等问题就是利用《概率论与数理统计》中离散随机变量的条件概率、全概率公式、贝叶斯公式等知识。《线性代数》与《概率论与数理统计》的矩阵理论与样本均值与方差的结合用于《图像处理》中的变换核分析。所以在讲解工程数学这些知识点时要注重解题技巧及如何解决专业课程的相关问题，弱化一些工程数学本身的理论推导。
2.工程数学理论知识与实际应用（数学建模）的有效结合。
在课程中增加数学实验教学，像MatLab、Mathematics语言内容，结合专业背景，设计了几个实际问题《密码的设计、解码与破译》、《信息的度量与应用》、《交通流问题》。通过实际工程问题建立数学建模，借助数学软件对实际问题进行研究分析，将线性代数的矩阵论、概率统计中的多元回归分析及数据拟合、误差分析等工程数学的知识完美结合，这样可以直接将理论教学与数学实验相连接，帮助学生及时从实践中加强对理论的理解，取得了非常好的教学效果。
3.结合专业制定合理的考核方式，鼓励学生进行专业探索。
随着教学改革的深入展开，教学内容、方法和手段都发生了变化，因此考试内容及方法也应与之相适应。考试内容要能较为全面地反映教改的效果以及学生对课程知识的掌握情况，更主要的是要能够有效地体现出学生的综合素质。课题组改变了传统的“一张卷子是大头”模式，改变了传统只参考作业、课堂表现作为平时成绩的方式，在现有考核方式中，显现了学生在处理专业问题时运用工程数学知识的能力，从而更加综合地测评了学生学习成果。具体如下：（1）在平时成绩的评定中，除了常规的考试方式，任课老师还可以根据教学内容，联系相关的专业问题设计几个开放性题目，学生可以根据兴趣选择题目，查找相关资料，并对计算的结果进行数据分析，结合实际给出可行性建议，最后以论文的形式上交，教师给予评分，作为考核成绩的一部分。（2）教师采取了综述报告和科技演讲两个方式进行测试作为学生期末成绩的附加分，学生可以自由选择。综述报告中能够深层次地检测学生对该课程的理解及相关应用。科技论文演讲可以很大程度提高学生的学习能力、创新能力、专业探索能力、实践能力。
二、结论
系统总结了当前电压型可逆变流器控制策略的发展概况，并对其详细分类研究。在比较各种控制方案优缺点的基础上最终确定了以电流d-q变换结合滑模控制作为本课题的控制策略。
详细阐述了电压型可逆变流器的数学模型，包括通用数学模型、d-q变换大信号数学模型、以及d-q变换小信号数学模型。根据d-q变换大信号数学模型建立了系统的电流环。结合d-q变换小信号数学模型设计了电压环以及电压环的滑模控制器。
确定了电压空间矢量(SVPWM)作为开关控制策略。详细阐述了其基本原理。基于MATLAB对其进行了仿真研究。针对可逆变流器使用常规的PID控制对系统参数变化的较为敏感性，电压环采用了滑模变结构控制以期得到改善。基于MATLAB仿真软件完成了系统的忽略高次谐波、不忽略高次谐波下的SPWM、SVPWM的闭环系统仿真。
针对单片机控制系统的计算速度慢，实时性控制较差，因此本课题采用TI公司的数字信号处理器TMS320F240来控制系统，以期提高计算速度。
根据本课题的控制方案，设计了系统软件流程，编写了系统的电流电压双闭环程序。基于TMS320F240发出开关频率fs =900Hz的空间矢量波形。理论上的分析结合实践过程完成了系统的开环和闭环实验，验证了控制方案的可行性。
本课题获得河北省教委科技基金支持，是国家自然科学基金的后续课题，对解决电网谐波污染，提倡绿色用电有着重大的经济价值和理论上的指导意义。
关键词 功率因数校正；可逆变流器；滑模变结构控制；空间矢量；数字信号处理器
Abstract
Development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. Control strategy is studied in detail. Direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.
Mathematics mode is set forth detailedly， including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. The system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. The voltage loop and its SMC are designed according to d-q change small signal mathematics model.
Space vector PWM is regarded as switch control strategy .Its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on MATLAB. Voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional PID control， which is sensitive to system parameter. Close loop system simulation of SPWM and SVPWM is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on MATLAB.
Because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly， digital signal processor TMS320F240 of TI Company is adopted to improve the calculation speed.
Flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. The double close loop program of current and voltage is complied. SVPWM wave of switch frequency (900Hz) is emitted based on TMS320F240.Open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process， validating feasibility of control strategy.
This paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province HeBei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.
Keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor
目 录
摘要……………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………Ⅱ
第1章 绪论…………………………………………………………………1
1.1 功率因数校正技术的发展概况………………………………………1
1.1.1 单个三相PFC电路………………………………………………2
1.1.2 电流断续状态下三相单开关变换器……………………………3
1.1.3 电流断续状态下的三相升压变换器……………………………4
1.1.4 电流连续状态下三相升压变换器………………………………4
1.1.5 三相降压整流器…………………………………………………5
1.2 电压型可逆变流器的开关控制策略…………………………………5
1.3 电压型可逆变流器的控制方案………………………………………6
1.3.1 间接电流控制……………………………………………………6
1.3.2 直接电流控制……………………………………………………7
1.4 可逆变流器控制策略的新发展………………………………………9
1.4.1 单周控制…………………………………………………………10
1.4.2 占空比控制………………………………………………………10
1.4.3 基于Lyapunov非线性大信号方法控制………………………10
1.4.4 神经网络和模糊逻辑控制………………………………………10
1.4.5 双电流控制………………………………………………………11
1.4.6 输出直流电压的优化前馈补偿控制……………………………11
1.5 本课题工作…………………………………………………………11
第2章 可逆变流器控制方案及数学模型…………………………13
2.1 可逆变流器数学模型概述…………………………………………13
2.2 系统数学模型的建立………………………………………………13
2.2.1 系统通用数学模型的建立………………………………………14
2.2.2 系统d-q数学模型的建立………………………………………16
2.2.3 系统小信号数学模型……………………………………………18
2.3 系统的控制方案……………………………………………………21
2.4 变流器电流环的设计………………………………………………22
2.5 滑模变结构控制理论………………………………………………25
2.5.1 滑模变结构控制的基本问题……………………………………26
2.5.2 滑模变结构控制的基本策略……………………………………26
2.5.3 滑模变结构控制系统的动态品质………………………………27
2.6 滑模控制器及电压环的设计………………………………………28
2.6.1 广义控制对象的确定……………………………………………28
2.6.2 滑模控制器的改进………………………………………………32
2.7 本章小结……………………………………………………………36
第3章 系统仿真研究……………………………………………………37
3.1 空间矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37
3.2 空间矢量的工作模式和时间的计算………………………………38
3.3 空间矢量调制比及其对系统的影响………………………………42
3.4 空间矢量的MATLAB仿真………………………………………43
3.5 控制系统仿真研究………………………………………………45
3.5.1 不忽略高次谐波下的总系统SPWM仿真……………………49
3.5.2 不忽略高次谐波下的总系统空间矢量仿真……………………50
3.6 本章小结……………………………………………………………52
第4章 基于DSP软件实现……………………………………………53
4.1 TMS320F240的结构与汇编原理……………………………………53
4.2 TMS320F240的中断结构……………………………………………54
4.3 TMS320F240的定点运算……………………………………………55
4.4 系统控制的硬件和软件设计………………………………………56
4.4.1 系统硬件设计……………………………………………………57
4.4.2 系统软件设计……………………………………………………58
4.5 本章小结……………………………………………………………60
第5章 系统实验…………………………………………………………61
5.1 开环实验……………………………………………………………62
5.2 闭环实验……………………………………………………………64
5.2.1 电流闭环实验……………………………………………………64
5.2.2 电压闭环实验……………………………………………………67
5.3 实验注意事项………………………………………………………69
5.4 本章小结……………………………………………………………69
结论……………………………………………………………………………71
参考文献………………………………………………………………………72
攻读硕士学位期间所发表的论文……………………………………………77
致谢……………………………………………………………………………78
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[关键词] 湖南涉外经济学院；通信工程专业；实践教学改革；应用型人才；培养模式；课程体系
[中图分类号] G642.45 [文献标识码] A [文章编号] 1674-893X（2012）05?0048?03
湖南涉外经济学院是一所以培养应用型人才为宗旨的教学应用型民办本科院校。作为学校工科类主要专业之一的通信工程专业，其培养目标是：培养具有通信技术、通信系统和通信网等方面的知识，有创新精神、工程能力强、基本素质好、能在通信领域中从事开发、应用通信技术与设备的高级应用型技术人才。为了更好地实现这一目标，并积极贯彻落实学校制定的“高水平教学应用型本科院校”的办学定位，走“产学研结合”的新型办学之路，对通信工程本科专业应用型人才培养模式进行探讨显得至关重要，其目的是立足于区域经济及社会发展需求，凸现民办高校工科专业特色，谋求科学的可持续发展，并不断完善教学应用型本科人才培养体系。
一、实践教学改革与应用型人才培养
实践教学是教学应用型民办本科院校内涵建设的重要组成部分，它与理论教学不是主从关系而是辩证统一的关系，是两个相互独立、相互依存、相互促进的教学体系，是体现学校办学水平和应用型人才培养质量的重要标志[1]。作为教学过程的重要环节，实践教学是培养和提高学生综合素质、工程实践能力以及实践创新意识及能力的重要手段，是实现人才培养目标的有效途径和重要保证，有着理论教学不可替代的特殊作用。因此，必须转变重理论轻实践、重课堂理论知识传授轻专业技能培养、重验证性实验轻综合性设计性实验的观念，提高对实践教学重要性的认识，深化实践教学改革。通过加强实践教学建设与管理，进一步提升实践教学人员的素质和能力，构建实践教学资源保障体系，建立并完善一套适应实践教学的运行机制[2-3]。
二、实践教学改革总体思路及目标
通信工程专业实践教学改革的总体思路应以市场需求为导向，以培养学生工程素质和实践创新能力为根本，坚持“知识、技能、素质”协调发展，更新实践教学理念，统筹规划理论教学和实践教学工作，加大实践教学投入，提高实践教学质量及水平，培养“高素质、应用型、复合型、创新型”的高级应用型人才。通信工程专业实践教学改革的总体目标则是实践教学理念符合应用型人才培养要求，进一步优化人才培养方案，不断创新人才培养模式，适时整合实践教学资源，优化实践教学队伍，规范实践教学管理，努力构建产学研一体化、以培养学生能力为根本、为区域经济和社会发展培养高级应用型人才的实践教学体系[4-5]。
三、实践教学改革方案及应用型人才培养模式
（一）加强课程体系建设，提高教学效果
湖南涉外经济学院通信工程专业以“专业能力培养”为核心，根据构成学生能力各基本要素之间的相关性及教学内容之间的关联性，对形成学生能力要素相关的课程教学内容进行有机整合，组成面向学生专业能力培养的专业基础课程、专业课程和专业任选课程三大专业课程模块。
1. 专业基础课程模块
通信工程专业基础课程模块主要由电路原理、模拟电子技术、数字逻辑与数字分析、信号与线性系统、数字信号处理、通信原理、电磁场与电磁波、高频电子线路等组成。
专业基础课程模块以信号与线性系统和通信原理为核心，通过加强通信网络基础等理论的学习，培养学生数字信号处理的学习能力；并以训练通信信号、系统的分析设计能力为中心，使学生全面掌握通信系统分析与设计的基本技能。
2. 专业课程模块
通信工程专业课程主要包括光纤通信、移动通信、程控交换技术、通信网等。
通信工程专业课程模块将以现代通信技术为核心，通过加强通信技术理论的学习，使学生掌握现代通信技术的应用技能。
3. 专业任选课程模块
专业任选课程模块则由电子线路EDA、MATLAB、自动控制原理、数字图像处理、DSP原理及应用、嵌入式系统及应用以及通信新技术系列讲座等组成。
专业任选课程模块以开阔学生视野、培养学生综合能力为重点，通过一批反映通信技术发展前沿的课程和系列讲座，让学生逐步了解现代通信技术的现状和发展趋势。
三大课程模块的建立强化了课程之间的理论体系，优化了教学内容，提高了教学效果及教学质量。
（二）加强实践教学体系建设，构建实践教学体系新思路
教学应用型本科教育培养的是“应用性、工程性、创新性”的高级应用型人才，这就必然要求进一步加强实践教学体系的建设。实践环节的设计要体现设计性、综合性、创新性，使学生的实践能力培养达到一个新的高度。根据专业能力培养要求，在实践教学体系的构建上应注重学生能力培养的整体设计，改革现有的实验教学模式，把实验教学的主导思想定位在注重基础、加强应用、追踪前沿、培养学生分析与解决工程实际问题的能力以及提高学生就业竞争力上。不断深化改革和完善实验教学体系，提高实践教学在整个教学活动中的地位，大量开设综合性设计性实验，在教学计划中构建完整合理的实验教学体系，注重实验教学与其它实践教学环节的衔接。加强课程设计、实习（含认识实习、生产实习和毕业实习）和毕业设计（论文）等环节的实施与管理，把工程化教育和学生实践能力、应用能力的培养落到实处。
实验教学内容和体系的改革是实验教学改革的重点和难点，创新实践教学体系要紧紧围绕创新教育对人才培养的要求，既要注重纵向知识体系的系统性，又要注重横向知识体系的相互渗透；既要注意对学生的共性需求，又要注意学生的个性发展；既要注意教师的主导作用，更要注意学生主体作用的发挥。
【关键词】通信工程 课程设置 实践教学
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）18-0009-02
通信作为新一代信息技术产业的发展重点，正在成为引领未来经济社会发展的重要力量，被明确写进“十二五”国家战略性新兴产业发展规划。在未来几年建设中，通信产业必将迎来巨大的发展机遇。通信产业的崛起促进了高等教育通信工程专业的快速发展，1998年教育部颁布普通高等学校本科专业目录和规范，首次明确了通信工程专业的培养目标。2012年教育部高等教育司又新颁布《普通高等学校本科专业目录（2012年）》和《普通高等学校本科专业设置管理规定》，新目录中的通信工程专业内涵清晰，结构合理。
天津理工大学的通信工程专业，是在学校1978年设立的第一批本科专业（无线电专业）基础上，在2000年根据教育部专业目录以及学校调整合并而成。作为天津市地方高校中最早建立的通信工程本科专业，本专业贯彻学校“服务地方，面向基层”的办学理念，秉承“重德重能，求实求新”的校训精神，坚持走“产、学、研”结合的办学之路，在学科专业建设中形成了明显优势，并获得“天津市品牌专业”的称号。
鉴于目前通信工程人才的供需和人才现状，着眼于天津及滨海新区的信息化和信息产业的发展需要，本专业针对如何培养创新型通信工程人才，在通信工程品牌专业人才培养模式和教学改革方面开展了一系列的探索和实践，修改后的培养方案充分体现了“宽口径、厚基础、重素质”的教育思想和21世纪培养人才的要求。
一 更新教育教学理念
根据通信行业和通信技术的发展及其对通信人才的需求，结合我校的学科特色和通信工程品牌专业的具体情况，更新教育教学理念，坚持“强化基础、注重实践、突出能力、提高素质”的思想，侧重分类培养，着眼于学生长远发展，以学生能力培养为核心，强化工程实践能力和创新能力的培养与训练，在重视基础理论、基础知识、基本能力、初步科学研究能力和实际工作能力培养的基础上提高学生的综合应用能力，贴近社会需求，注重课程体系的整体优化，培养出基础扎实、知识面宽、能力强和素质高、具有竞争力的高质量通信人才。
二 强化以培养能力为主线的课程体系建设
通信工程是我校传统优势专业，长期以来形成了基础扎实、学风严谨、踏实肯干的特色。本专业主要培养具备通信与信息系统的基础知识和专业知识，能从事通信理论、通信系统、通信设备以及信息系统的研究、设计、制造、运营、应用和开发的高级应用型工程技术人才。构建通信工程专业的课程体系时，分析社会用人单位的需要，结合学科特点，以“宽口径、厚基础、重素质”为培养目标，建立以培养能力为主线的课程体系。
我校的通信工程专业分为两个专业方向，分别是无线通信（方向一）和光纤通信（方向二）。方向一对专业基础课程“现代通信原理”和“数字信号处理”有更高的要求，主修的内容包括：CDMA扩频通信原理、移动通信等，学习移动通信中的各种接入技术。方向二强调光纤主干网络的传输与交换技术。主修的内容包括：光纤通信、现代交换技术等。
在充分论证、研究和分析专业知识衔接关系的基础上，对培养方案中的课程设置进行改革。首先，课程设置要围绕素质教育（思想品德、文化素养、科学精神、身心素质）。其次，体现宽口径原则，设置学科基础模块、专业必修模块和专业选修模块。学科基础模块中有电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术、现代通信原理等课程，通过学习可使学生掌握电路以及通信系统的基本理论和基本分析方法，为培养核心能力打下基础。专业必修模块中有数字信号处理、通信网络基础和信息理论基础等课程，既能巩固基础知识，又能为培养专业技能打下坚实的基础。再次，面向就业需求，加大选修课的开设力度，并增加必要的前沿性专题讲座。选修课的开设可大大缓解目前通信技术知识广泛而学时数有限的矛盾，我校通信工程专业先后开设了多媒体通信、卫星通信、数字电视原理等课程。此外，信息科学前沿讲座的特点是针对性强，涉及面广，并具有一定的独立性，信息量大，有利于及时传授新知识，培养学生对各种学科信息的综合处理与创新能力，对于提高学生的就业适应能力具有很好的效果。
三 强化实践教学
通信工程专业对学生的工程实践能力、独立工作能力以及创新能力的要求较高，因此在课程结构设置方面应适当减少理论课的学时比例，增加综合实验、课程设计、工程实践训练的比例，促进理论与实践的紧密结合。以发展个性、因材施教作为教学实践的基本原则，把分类培养、启发创新作为教学实施的关键。
综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或相关课程知识的实验。开设综合性实验的目的在于培养学生的综合分析能力、实验动手能力、数据处理能力及查阅中外文资料的能力。
然而，随着通信技术的快速发展，一些通信专业实验的
* 本文得到了天津理工大学教学改革项目的资助（编号：YB11-34、YB11-06）
设备昂贵、投资巨大，制约了通信工程专业实验室的建设。为了合理利用资源，在实验教学过程中可以将一些不能或不便用实验演示的基本概念、基本方法、理论结论用计算机来演示。如采用EDA、SPICE、MATLAB等软件可以实现电子、通信、信号等系列课程实验教学。MATLAB语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，MATLAB除了在科研领域备受青睐，在高校也被广泛使用。MATLAB不仅可以作为理论教学的示范性工具，还可以作为实验教学的主要工具。利用MATLAB仿真技术进行实验项目的开发，能有效弥补某些传统实验所带来的不便和不足，同时由于其不受场地环境和设备的限制，通信工程专业的信号与系统、现代通信原理、数字信号处理等很多课程都可以增加MATLAB的仿真设计实验。
为了加强创新人才培养，提高学生实践动手能力，我校在本科培养方案中鼓励增设创新与研修类课程。该类课程由学生按要求自由选择，该类课程的教师针对那些对本课程有浓厚兴趣的学生，结合课程的教学内容，提出一些项目的设想，让学生可以根据自身的情况，选择一定的机会来参加科研活动，撰写科技论文，以此来提高学生的创新能力。学院鼓励本专业的大学生参与各种科技立项和大赛等，其中科技立项的项目均来自老师的科研，并指派相关老师进行指导，学生通过以上一系列的锻炼，理论和实践能力都得到了大幅提升。
四 总结
根据质量工程中对品牌专业建设的要求，为了进一步提高本科生教学质量和效果，我们应更新教育教学理念，坚持“强化基础、注重实践、突出能力、提高素质”的思想，着眼于学生长远发展，以学生能力培养为核心，强化工程实践能力和创新能力的培养与训练，建立分层分类培养结构，优化整合课程内容，注重实践教学，强化工程实践能力和创新能力的培养与训练，充分满足“宽口径、厚基础、重素质”的教育思想和新世纪培养人才的要求。
参考文献
[1]我国国民经济和社会发展十二五规划纲要[EB/OL]. http：// .cn
[2]电子信息科学与工程专业教学指导分委员会.通信工程专业发展战略研究报告[EB/OL].http：///yjbg_ 7796/20090212/t20090212_358392.shtml
[3]教育部.教育部财政部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见.教高〔2007〕1号
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