多層次的數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王奎奎 甘輝 郭鐵梁 于健海 姚高華 陸晶晶

摘要：針對數(shù)字信號處理課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、學(xué)生層次差異、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法滿足工程實(shí)踐的問題，利用Matlab GUI設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐層遞進(jìn)的數(shù)字信號處理交互式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)、拓展和工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺到深，由基礎(chǔ)到工程實(shí)踐，將抽象的基礎(chǔ)知識點(diǎn)用圖形表示，使其更加直觀。課堂使用結(jié)果表明：該系統(tǒng)交互性較好、操作方便，改善了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)生的工程實(shí)踐能力有所提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理;Matlab GUI;基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);拓展實(shí)驗(yàn);工程實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0008-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

數(shù)字信號處理是通信工程、電子信息工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程知識體系嚴(yán)謹(jǐn)，基本概念抽象，公式推導(dǎo)煩瑣，配套實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用實(shí)踐方面設(shè)計(jì)內(nèi)容較少[1-3]。較多高校采取板書教學(xué)同時(shí)利用Matlab軟件完成基礎(chǔ)知識的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。此時(shí)雖然學(xué)生得到了一定的練習(xí)，但是無法真正了解數(shù)字信號處理的工程應(yīng)用，最終導(dǎo)致學(xué)生學(xué)一門忘一門的境地。所以本文設(shè)計(jì)了遞進(jìn)型實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以完成課堂教學(xué)基礎(chǔ)知識的驗(yàn)證;拓展實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到數(shù)字信號處理的具體應(yīng)用的驗(yàn)證;工程實(shí)驗(yàn)可以滿足數(shù)字信號處理的工程方面的應(yīng)用。通過三個遞進(jìn)層次的設(shè)計(jì)，可以使不同層次的學(xué)生完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，做到因材施教。

2 數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本框架

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三種不同層次實(shí)驗(yàn)類型，即基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)篇、拓展性實(shí)驗(yàn)篇、工程性應(yīng)用篇。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括：離散系統(tǒng)時(shí)頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換FFT、FIR濾波器的設(shè)計(jì);拓展實(shí)驗(yàn)包括：通信號調(diào)制及其處理、DFT參數(shù)對譜分析的影響、加噪正弦信號濾波;工程性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)包括：語音信號濾波處理、DTMF電話撥號系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理。如圖1所示。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)包括3層，分別為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、拓展性實(shí)驗(yàn)和工程性實(shí)驗(yàn)。每一層可分解為多個獨(dú)立小實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)思想采用各層之間逐級調(diào)用的方式。系統(tǒng)界面有4層，引導(dǎo)界面（1個），主界面（1個），基本實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面（3個），子實(shí)驗(yàn)界面（多個）。其中引導(dǎo)界面包括三個控件，靜態(tài)文本Static Text控件完成系統(tǒng)名稱設(shè)計(jì)，兩個Push Button按鈕完成系統(tǒng)的引導(dǎo)設(shè)計(jì)，其中“開始”按鈕點(diǎn)擊后可以進(jìn)入系統(tǒng)主界面，“退出”按鈕可以退出系統(tǒng)，如圖2（a）圖所示。系統(tǒng)主界面如圖2（b），設(shè)置了4個按鈕，其中基本實(shí)驗(yàn)?zāi)K按鈕3個，“返回”按鈕可以返回上一級界面。以工程性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例，在主界面點(diǎn)擊“工程性應(yīng)用”時(shí)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面圖2（c），設(shè)置了3個子實(shí)驗(yàn)，不同的子實(shí)驗(yàn)的界面是不同的。如點(diǎn)擊數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)入子實(shí)驗(yàn)界面完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作如圖2（d）所示。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試

由于設(shè)置了較多的子實(shí)驗(yàn)，而各個子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法上類似。所以在3個實(shí)驗(yàn)?zāi)K中各取一個子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。

（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)——FIR濾波器及應(yīng)用。FIR濾波器的設(shè)計(jì)是數(shù)字信號處理課程的重難點(diǎn)，F(xiàn)IR濾波器是用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)[4-5]。

本模塊中以矩形窗設(shè)計(jì)的帶通濾波器和哈明窗設(shè)計(jì)的低通濾波器為例，帶通濾波器參數(shù)為Fs=300Hz，F(xiàn)p=100Hz，F(xiàn)st=60;低通濾波器參數(shù)Fs=200Hz，Hp=30Hz;濾波器的階數(shù)N都為40，若Fp和Fst的衰減都接近-6dB濾波器達(dá)標(biāo)，本模塊中設(shè)計(jì)的濾波器都接近-6dB。測試結(jié)果如圖3（a）和圖3（b）所示，可觀察到濾波器的幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期要求。

FIR濾波器在通信系統(tǒng)中有著許多的用處。比如信號去噪、分離不同頻帶信號等，在這里以信號去噪為例，展示FIR濾波器在實(shí)際應(yīng)用中的用處。本模塊是以疊加不同歸一化頻率的正弦信號為噪聲信號，歸一化頻率0.1，0.3，0.6，0.8。設(shè)計(jì)一個低通濾波器，截止頻率為0.45，阻帶頻率為0.5。Rp為1，As為36。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示，從實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果中的濾波后信號的幅頻特性曲線可看出，與原始信號的幅頻響應(yīng)特性曲線對比可知，高頻成分被濾除，留下低頻成分。因此，該實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求。

（2）拓展性實(shí)驗(yàn)——通信信號調(diào)制及其處理

該界面設(shè)計(jì)運(yùn)用了FFT知識點(diǎn)對模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制進(jìn)行頻譜分析，在這里以模擬調(diào)制AM和數(shù)字調(diào)制2FSK為例，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖5所示：

這里以模擬調(diào)制中的AM，數(shù)字調(diào)制中2FSK進(jìn)行測試。由于在本界面中模擬調(diào)制中限定了在顯示時(shí)間范圍2e3內(nèi)進(jìn)行采樣，這里是以采樣頻率fs為1e5Hz，調(diào)制信號頻率為200Hz，載波頻率為3200Hz，AM的直流分量A為2。對AM已調(diào)信號的頻譜進(jìn)行搬移，AM信號頻譜頻率成分只包含載頻分量、上邊帶和下邊帶，將原始信號的頻譜搬移到載波的位置上。圖5（b）為2FSK調(diào)制后的頻譜圖。

（3）工程性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)——數(shù)字圖像處理[6-8]。數(shù)字圖像處理主要是進(jìn)一步鞏固fft傅里葉變換，因?yàn)閳D像為二維信號，所以運(yùn)用了fft2二維傅里葉變換;同時(shí)完成了圖像灰度化、圖像加噪、去噪和旋轉(zhuǎn)。

4 軟件打包

以上測試達(dá)到了各個界面預(yù)期功能后按照設(shè)計(jì)框架步驟將主界面與各個子界面連接成一個完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，通過Matlab編輯器，可以將Matlab的m文件直接打包為獨(dú)立可執(zhí)行的程序應(yīng)用exe，不需要依賴Matlab的仿真環(huán)境[24]，相比來說程序應(yīng)用exe更加優(yōu)化。打包時(shí)在命令窗口輸入“deploytool”點(diǎn)擊回車鍵后彈出compiler界面，點(diǎn)擊Application Campiler進(jìn)去之后再“Add main file”添加主文件，選擇Runtime included in package，然后“Files required for your application to run”看全部m文件和所用到的圖片是否齊全，點(diǎn)擊package進(jìn)行打包，詳細(xì)內(nèi)容如圖7所示。

5 結(jié)論

基于Matlab GUI的數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含了基礎(chǔ)知識、拓展知識和面向工程的工程類實(shí)驗(yàn)。同時(shí)不同層次的實(shí)驗(yàn)，可以滿足不同層次的學(xué)生進(jìn)行理論知識驗(yàn)證、知識的拓展和工程類的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);同時(shí)該實(shí)驗(yàn)平臺經(jīng)過打包生成exe文件，不再受限于Matlab環(huán)境，可以解決課程學(xué)時(shí)少內(nèi)容多的問題，學(xué)生可以在不同的學(xué)習(xí)環(huán)境下進(jìn)行學(xué)習(xí)。目前該系統(tǒng)已用于本校數(shù)字信號處理課程當(dāng)中，學(xué)生學(xué)完理論知識后，可以在課堂上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證理論知識，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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【通聯(lián)編輯：王力】