“信號(hào)處理與系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)實(shí)例剖析

熊躍軍,劉 忠,王 偉

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073)

開(kāi)設(shè)“信號(hào)處理與系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)為學(xué)生鞏固已學(xué)理論以及理論聯(lián)系實(shí)際提供了一個(gè)很好的平臺(tái)[1]。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)歷,認(rèn)為選題必須理論結(jié)合實(shí)際,便于學(xué)生理解與掌握。而且選題應(yīng)有一定的難度,但難度不能太大,要留有自由發(fā)揮的空間,避免給學(xué)生的題目像是完成一個(gè)既定程序的實(shí)驗(yàn)一樣,相互間容易彼此拷貝。下面結(jié)合“信號(hào)處理與系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析。

1 題材選取-雙音多頻電話通信

圖1 按鍵式鍵盤

按鍵式電話提供了一個(gè)雙音多頻電話通信的實(shí)例。電話鍵盤如圖1所示。對(duì)該鍵盤按一個(gè)鍵會(huì)發(fā)送兩個(gè)正弦波信號(hào)的和,其中一個(gè)正弦波來(lái)自低頻組,另一個(gè)來(lái)自高頻組。鍵盤上的每一個(gè)按鍵都唯一地對(duì)應(yīng)兩個(gè)頻率組合,可稱其是編碼。接收譯碼就是要知道該信號(hào)究竟包含了哪兩個(gè)頻率分量。而接收這兩個(gè)正弦波組合并使之分離要使用濾波器。圖2給出了按鍵式電話信號(hào)的解碼過(guò)程。

圖2 解碼信號(hào)處理流程

如圖所示,低通濾波器LP后面分成四路,每一路都后接相應(yīng)的帶通濾波器BP。高通濾波器HP之后分成三路,每一路也后接相應(yīng)的帶通濾波器BP。這樣,一次解碼只有兩個(gè)有正弦信號(hào)輸出,其中一個(gè)來(lái)自低頻組,另外一個(gè)來(lái)自高頻組。這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)后面檢測(cè)器檢測(cè)后,就能判斷究竟是按了哪個(gè)鍵。

2 課程設(shè)計(jì)流程

(1)濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圖2中所列的各類濾波器包括模擬濾波器與相應(yīng)數(shù)字濾波器,并分析各類濾波器的特性。

(2)系統(tǒng)仿真

使用Matlab、VC或VB等應(yīng)用軟件對(duì)雙音多頻電話信號(hào)產(chǎn)生和解碼流程進(jìn)行系統(tǒng)仿真,觀測(cè)仿真結(jié)果(從時(shí)域和頻域),使其具有演示性。

(3)信號(hào)檢測(cè)

在輸入信號(hào)中加入背景噪聲或干擾信號(hào),嘗試不同的信噪比條件下,觀測(cè)輸出效果。

(4)完成演示程序與正式報(bào)告

完成整個(gè)設(shè)計(jì)后給出演示程序,使用軟件不限,要求內(nèi)容正確,結(jié)果真實(shí),按照規(guī)范寫出論文。

3 利用VB與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)[3]

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用VB與Matlab混合編程的方法,界面設(shè)計(jì)主要通過(guò)VB來(lái)實(shí)現(xiàn),濾波器設(shè)計(jì)與信號(hào)觀測(cè)部分通過(guò)Matlab實(shí)現(xiàn)。如撥打56899顯示如圖3所示,若要重新?lián)芴?hào)則先用復(fù)位鍵復(fù)位,再重復(fù)上述過(guò)程即可。系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分。

(1)界面與系統(tǒng)框架設(shè)計(jì),如圖3所示。

圖3 課程設(shè)計(jì)程序界面

(2)低通、高通及帶通濾波器設(shè)計(jì),將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字濾波器?？梢噪S時(shí)觀看某個(gè)濾波器輸出。圖4為低通和高通濾波器的電路實(shí)現(xiàn)。

圖4 低通和高通濾波器的電路實(shí)現(xiàn)

(3)信號(hào)檢測(cè)部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換并對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),確定按的是哪個(gè)鍵。

(4)Matlab與VB混合編程設(shè)計(jì)。

4 利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真[4]

Simulink仿真系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)如圖5所示,可分為三個(gè)模塊。

圖5 頂層設(shè)計(jì)

1)信號(hào)生成模塊

由7個(gè)信號(hào)源分別產(chǎn)生7種正弦波,通過(guò)12個(gè)單路控制開(kāi)關(guān)和12個(gè)相加器合成所需的波形并疊加上一定功率的噪聲。

2)低頻組濾波器和高頻組濾波器子模塊

低頻組濾波器子模塊為低通濾波器后加四個(gè)帶通濾波器并聯(lián),高頻組濾波器子模塊為高通濾波器外加三個(gè)帶通濾波器并聯(lián),利用示波器可以觀察系統(tǒng)濾波效果,圖6為低頻組濾波器子模塊框圖[5]。

圖6 低頻組濾波器子模塊

3)信號(hào)檢測(cè)與判別模塊,其框圖如圖7所示。

圖7 判別模塊框圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文所舉案例是幾屆學(xué)生所完成的課程設(shè)計(jì)中的普通實(shí)例。從總體完成情況來(lái)看,此例具有一定代表性。有些學(xué)生通過(guò)小組協(xié)作來(lái)完成,分工明確,體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)精神。從幾屆學(xué)生完成情況來(lái)看,幾乎看不到相互雷同的情況,有些優(yōu)秀設(shè)計(jì)不亞于一篇本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的論文。很多學(xué)生反映該課程設(shè)計(jì)對(duì)以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)有很大的幫助。他們發(fā)揮了自己的聰明才智,把各種高級(jí)語(yǔ)言編程應(yīng)用到該課程設(shè)計(jì)里面來(lái),甚至用到混合編程的方法,內(nèi)容豐富,形式多樣。有些學(xué)生還自己搭建 RC濾波器,利用電話輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器觀看輸出效果,并設(shè)計(jì)出信號(hào)檢測(cè)電路。

“信號(hào)處理與系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)是給學(xué)生鞏固理論,理論聯(lián)系實(shí)際以及培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的好機(jī)會(huì)。通過(guò)幾年的教學(xué)經(jīng)歷,我們體會(huì)到課程設(shè)計(jì)的選題應(yīng)聯(lián)系理論,貼近實(shí)際,才能夠提高學(xué)生的興趣與積極性;選題之后內(nèi)容的規(guī)劃也很重要,要由淺入深,由局部到總體。

[1] 劉忠.信號(hào)處理與系統(tǒng)課程雙語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐與思考.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005(4)

[2] 吳京.信號(hào)與系統(tǒng).長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1999

[3] 楊高波.精通 MAT LAB 7.0混合編程.北京:電子工業(yè)出版社,2006

[4] 鄒鵬.M ATLAB 6.X信號(hào)處理.北京:清華大學(xué)出版社,2002

[5] 姜春玲.基于MA TLAB的模擬濾波器設(shè)計(jì).濟(jì)南:山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2004(9)