基于 MATLAB GUI 的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

胡新艷　霍文曉　車曉巖　張愛英　曹紅波

摘要：本文針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程理論豐富、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，利用MATLAB自帶的圖形用戶界面開發(fā)工具設(shè)計(jì)了數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了交互式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字信號(hào)處理MATLAB仿真平臺(tái)圖形用戶界面

《數(shù)字信號(hào)處理》是高校為電子通信類專業(yè)開設(shè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于學(xué)生整個(gè)課程體系的建立起著重要作用。課程主要包含序列傅里葉變換、Z變換、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，具有理論豐富、公式繁瑣及物理概念抽象的特點(diǎn)，需要學(xué)生具備較好的復(fù)變函數(shù)和信號(hào)與系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，因此，造成了目前學(xué)生普遍認(rèn)為該課程內(nèi)容難以理解學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的一個(gè)輔助手段，引用得當(dāng)可以幫助學(xué)生更深入地理解和掌握本門課程理論知識(shí)。為了提高教學(xué)效果，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本文基于Matlab強(qiáng)大的圖形用戶界面（GraphicalUserInterface，GUI）和豐富的數(shù)字信號(hào)處理工具箱，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。借助該平臺(tái)，教師可以在課堂上以交互的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，將抽象的理論清晰、感性地再現(xiàn)，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂教學(xué)效果;學(xué)生可以通過自主編程的方式進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，更能促進(jìn)他們不斷深入學(xué)習(xí)和研究，提高其設(shè)計(jì)應(yīng)用能力。

1實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)旨在為教師和學(xué)生提供一個(gè)交互式的用戶界面，能夠?qū)?shù)字信號(hào)處理課程的基礎(chǔ)理論和方法通過動(dòng)態(tài)演示的方法展現(xiàn)在學(xué)生面前，亦可以通過學(xué)生操作及自主編程來驗(yàn)證多個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容可分為演示和實(shí)驗(yàn)兩大類，其中實(shí)驗(yàn)類按學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律可進(jìn)一步細(xì)分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。即該平臺(tái)從結(jié)構(gòu)上包括基礎(chǔ)知識(shí)演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三大模塊，涵蓋數(shù)字信號(hào)處理課程的主要教學(xué)內(nèi)容。其中，基礎(chǔ)知識(shí)演示模塊主要用于課堂演示，將抽象內(nèi)容通過仿真演示形象化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要用于驗(yàn)證數(shù)字信號(hào)處理的基本理論知識(shí)，加深學(xué)生理解;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要用于學(xué)生自行選擇參數(shù)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，從而提高其解決問題能力。

2實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和以及交互式的集成環(huán)境，其編程簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大，在各工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)具有圖形用戶界面功能，向用戶提供一系列創(chuàng)建用戶圖形界面的工具，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便靈活，便于進(jìn)行人機(jī)交互。因此本課題基于MATLABGUI設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。

2.1主界面設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由多個(gè)實(shí)驗(yàn)GUI界面構(gòu)成，其中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面設(shè)計(jì)分為登陸界面和演示實(shí)驗(yàn)主界面兩部分。登陸界面如圖1（a）所示，界面設(shè)有兩個(gè)按鈕，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕，輸入學(xué)號(hào)，進(jìn)入演示實(shí)驗(yàn)主界面，如圖1（b）所示;點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”按鈕，則關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。

演示與實(shí)驗(yàn)主界面中具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)成菜單項(xiàng)。當(dāng)進(jìn)入演示與實(shí)驗(yàn)主界面后，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容菜單項(xiàng)，進(jìn)入對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的子界面;點(diǎn)擊“退出實(shí)驗(yàn)”菜單，則關(guān)閉演示實(shí)驗(yàn)主界面返回到登陸界面。

2.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）基礎(chǔ)知識(shí)演示模塊。利用GUI設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)演示菜單包含序列產(chǎn)生和序列傅里葉變換及基本性質(zhì)兩個(gè)菜單項(xiàng)。選擇序列產(chǎn)生菜單，進(jìn)入到典型序列產(chǎn)生及基本運(yùn)算的子界面，主要實(shí)現(xiàn)典型序列（正弦、指數(shù)、矩形、沖激及階躍等）的產(chǎn)生以及基本運(yùn)算的演示;選擇序列傅里葉變換及基本性質(zhì)菜單，進(jìn)入到如圖2所示子界面。

界面圖形窗口整體分為左右兩部分，左側(cè)為離散傅里葉變換及性質(zhì)參數(shù)選擇區(qū)，右側(cè)為對(duì)應(yīng)波形顯示區(qū)域。其中參數(shù)選擇區(qū)域包含4部分，分別為：①序列及其頻譜，按下相應(yīng)的按鈕可依次在右側(cè)波形區(qū)顯示長(zhǎng)度為8的斜坡序列x（n）時(shí)域波形、序列連續(xù)頻譜DTFT的幅度譜、序列4點(diǎn)DFT及8點(diǎn)DFT的幅度譜，如圖3所示，演示了序列連續(xù)譜DTFT和離散譜DFT的關(guān)系，體現(xiàn)了DFT的物理意義;②尺度變換性質(zhì);③循環(huán)移位性質(zhì)，通過動(dòng)畫的形式演示DFT的循環(huán)移位過程，加深對(duì)循環(huán)的認(rèn)識(shí);④循環(huán)卷積性質(zhì)，通過按下按鈕和選擇單選框的組合操作，可在右側(cè)波形顯示區(qū)域上方顯示參與卷積的兩個(gè)序列及其各自的DFT，下方顯示相應(yīng)的循環(huán)卷積序列及其DFT，幫助學(xué)生從本質(zhì)上理解循環(huán)卷積性質(zhì)，同時(shí)增加教學(xué)的趣味性。

（2）驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)?zāi)K。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主菜單包含系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、時(shí)域抽樣和頻域抽樣3個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都下設(shè)“實(shí)驗(yàn)要求”和“實(shí)驗(yàn)運(yùn)行”子菜單。單擊“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”，可以通過WORD服務(wù)器打開該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書文檔，學(xué)生可預(yù)先瀏覽，為實(shí)驗(yàn)做預(yù)習(xí)準(zhǔn)備;單擊“實(shí)驗(yàn)運(yùn)行”菜單項(xiàng)，打開相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

①系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，主要用于系統(tǒng)響應(yīng)的確定及穩(wěn)定性的分析。系統(tǒng)響應(yīng)確定可采用卷積法和濾波器法兩種方法實(shí)現(xiàn)，每一種方法對(duì)應(yīng)一個(gè)面板區(qū)，面板中有相應(yīng)的按鈕和文字描述。其中卷積法確定系統(tǒng)響應(yīng)，首先按下“單位樣值響應(yīng)”、“輸入信號(hào)”按鈕，在右側(cè)區(qū)域顯示相應(yīng)的時(shí)域波形，接著按下“系統(tǒng)響應(yīng)”按鈕，則采用卷積法計(jì)算系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，并將波形顯示在右側(cè)區(qū)域，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示;系統(tǒng)穩(wěn)定性分析區(qū)域，同一系統(tǒng)給定兩個(gè)不同輸入，通過對(duì)照觀察時(shí)域波形結(jié)果，判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，將穩(wěn)定這一抽象的概念直觀表示，便于學(xué)生理解。

②時(shí)域抽樣，運(yùn)行界面如圖4所示，通過下拉列表框選擇不同的抽樣頻率，觀察抽樣信號(hào)及其頻譜與原連續(xù)信號(hào)及其頻譜之間的關(guān)系，掌握時(shí)域與頻域的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

③頻域抽樣，與②對(duì)偶，不作詳細(xì)介紹。

（3）設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊包括IIR濾波器和FIR濾波器設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊“IIR濾波器設(shè)計(jì)”，打開如圖5所示的運(yùn)行界面。點(diǎn)擊“FIR濾波器設(shè)計(jì)”，打開FIR濾波器設(shè)計(jì)運(yùn)行界面。以IIR濾波器設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，IIR濾波器設(shè)計(jì)窗口按其功能可分為兩個(gè)區(qū)域，左側(cè)為濾波器設(shè)計(jì)選擇區(qū)域，分別包含濾波器類型、模擬濾波器設(shè)計(jì)方法選擇及參數(shù)設(shè)置區(qū)域，右側(cè)為波形顯示區(qū)域，主要用于顯示按參數(shù)要求設(shè)計(jì)的濾波器損耗特性曲線，測(cè)試信號(hào)及其頻譜，以及濾波輸出信號(hào)。具體操作過程：首先產(chǎn)生具有加性噪聲的信號(hào)，顯示信號(hào)及其頻譜，然后根據(jù)頻譜及目標(biāo)信號(hào)頻譜特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)濾波器的類型，并在IIRFilterType按鈕組中做出相應(yīng)選擇，最后選擇模擬濾波器設(shè)計(jì)方法，同時(shí)在參數(shù)選擇區(qū)文本框中輸入計(jì)算得到的截止頻率及衰減指標(biāo)后，按下“IIRFiterDesign”按鈕，會(huì)在右側(cè)波形顯示區(qū)域顯示設(shè)計(jì)的濾波器幅度損耗特性曲線，同時(shí)顯示出測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波器的輸出曲線，從圖中可看出，設(shè)計(jì)的低通橢圓濾波器能夠很好地滿足文本框中設(shè)置的參數(shù)要求，有效地將有用信號(hào)從含噪信號(hào)中提取出來。按下“Close”按鈕，關(guān)閉當(dāng)前圖形窗口，返回到主界面。該實(shí)驗(yàn)巧妙地將設(shè)計(jì)與應(yīng)用合二為一，鍛煉了學(xué)生的濾波器設(shè)計(jì)能力以及綜合應(yīng)用能力。

3結(jié)語

數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)作為數(shù)字信號(hào)處理課程理論教學(xué)的有效輔助手段，涵蓋了該課程的主要教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過演示和實(shí)驗(yàn)，既可以幫助學(xué)生更深入地理解本門課程抽象理論和概念，又能提高學(xué)生利用MATLAB編程解決問題的能力，取得了較好的教學(xué)效果。

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