數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)演示系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

何朝霞++李永全

摘要：《數(shù)字信號(hào)處理》課程是電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的理論教學(xué)學(xué)生容易感到枯燥。文章基于MATLAB的GUI設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助教學(xué)系統(tǒng)——信號(hào)時(shí)頻分析儀，介紹了系統(tǒng)的功能模塊，并對(duì)系統(tǒng)做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示。該系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)，可以讓學(xué)生更好地將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；理論性強(qiáng)；MATLAB；信號(hào)時(shí)頻分析儀

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）21-0098-02

1 概述

《數(shù)字信號(hào)處理》是電子信息工程、通信工程等專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。它立足于數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)，主要介紹了離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域分析、變換域分析、離散傅立葉變換理論及其快速算法、無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容[1-2]。課程理論性較強(qiáng)，課程內(nèi)有大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo) [3-4]，單一的課堂理論講授，學(xué)生容易感到乏味，逐漸喪失對(duì)課程的學(xué)習(xí)積極性和興趣。

鑒于《數(shù)字信號(hào)處理》課程的特點(diǎn)以及高校目前所面臨的理論教學(xué)現(xiàn)狀，作者設(shè)計(jì)了基于MATLAB的課程教學(xué)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MATLAB為平臺(tái)，將數(shù)字信號(hào)處理課程和語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析有機(jī)地結(jié)合到一起，在掌握基本理論算法的基礎(chǔ)上，利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力和信號(hào)處理工具箱，把教材上枯燥的公式、算法以及信號(hào)函數(shù)，變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)可調(diào)的程序和簡(jiǎn)潔友好的GUI界面[5]。學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)，不僅可以驗(yàn)證理論原理，而且通過(guò)自己編程、修改參數(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)序列的產(chǎn)生、時(shí)域分析、頻域分析、實(shí)際音頻信號(hào)的時(shí)頻分析等知識(shí)的理解和掌握[6]。實(shí)驗(yàn)演示可以讓學(xué)生找到理論計(jì)算與實(shí)際現(xiàn)象的聯(lián)系，既鞏固了課堂知識(shí)，增加了學(xué)生對(duì)課程的興趣，又激發(fā)了學(xué)生課外自主動(dòng)手的能力。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

利用 MATLAB 2008A的GUIDE 工具箱設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)演示系統(tǒng)平臺(tái)的圖形用戶界面，系統(tǒng)由1個(gè)GUI界面構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和流程如下：1）設(shè)計(jì)交互式教學(xué)演示系統(tǒng)的主界面，界面的設(shè)計(jì)可以使用MATLAB中的GUIDE所提供的用于建構(gòu)用戶圖形界面的一系列工具；2）用回調(diào)函數(shù)編制各個(gè)模塊中的所有控件對(duì)象所需的一系列程序，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)控件所對(duì)應(yīng)的控制功能，實(shí)現(xiàn)可通過(guò)界面上的控件直接控制數(shù)據(jù)的輸入，并直接、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析[7]。數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)演示系統(tǒng)平臺(tái)——信號(hào)時(shí)頻分析儀的圖形用戶界面如圖2所示。

3 系統(tǒng)演示

信號(hào)時(shí)頻分析儀的信號(hào)輸入方式有三種類型：1）計(jì)算機(jī)自帶的聲卡錄制的音頻信號(hào)；2）已經(jīng)錄制好的WAV格式的音頻文件；3）產(chǎn)生特定屬性的信號(hào)（包括正弦信號(hào)，方波信號(hào)，三角波信號(hào)和鋸齒波信號(hào)等）。對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的時(shí)候采樣頻率是可以調(diào)節(jié)設(shè)置的，其中時(shí)域特征包括周期、頻率、幅值、相位、峰值、均值、均方差、方差等，頻域特征包括幅頻特性、相頻特性、實(shí)頻特性、虛頻特性、功率譜等。

1）用計(jì)算機(jī)自帶的聲卡錄制的一段音頻信號(hào)，選擇輸入方式為聲卡，錄制時(shí)間為1秒，點(diǎn)擊開始錄音，錄制內(nèi)容為“0”，采樣頻率為5120 Hz。圖3（a）～（c）為演示系統(tǒng)的各部分結(jié)果顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理的GUI平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的功能。該系統(tǒng)可以處理三種不同輸入類型的信號(hào)，不但可以在教師相關(guān)理論教學(xué)過(guò)程中起到輔助作用，而且可以很好地完成學(xué)生的實(shí)踐、考核工作，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的學(xué)習(xí)興趣。不足之處在于，系統(tǒng)只完成了數(shù)字信號(hào)處理的第一個(gè)核心內(nèi)容——信號(hào)的時(shí)頻分析，而對(duì)于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)沒(méi)有完成，在今后的研究中將進(jìn)一步完善該系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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