Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现

中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）实验技术与管理

ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＶｏｌ｜２３Ｎｏ．５ＭＡＹ．２００６

现代教育技术

基于Ｍａｔｌａｂ的数字信号处理实验仿真系统的实现李强，明艳，陈前斌，蹇洁（重庆邮电学院通信学院，重庆４０００６５）

摘要：针对数字信号处理课程的特点和Ｍａｔｌａｂ软件在可视化编程和数值计算的优势，开发出一套能辅助《数字信号处理》教学的实验仿真系统，既能丰富老师的教学手段，又能提高学生学习质量。关键词：数字信号处理；仿真系统；Ｍａｄａｂ编程中图分类号：７Ｉ鸭１１文献标识码：Ｂ文章编号：１００２４９５６（２００６）０５—００８１．０３

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数字信号处理是应用最快、成效最显著的新科学之一，广泛地应用在通信、控制、生物医学、遥测遥感、地址勘探、航空航天、自动化仪表等领域ｕ１，国内外高校都为相关专业的学生开设了这门课程。我校除通信电子信息类的专业外，计算机科学与技术、光信息科学与技术、地理信息系统、信息安全、生物医学工程、测控技术与仪器等专业都在教学计划中相继设置了《数字信号处理》课程。《数字信号处理》课程的特点是概念多，公式、性质的推导和证明繁琐，还需《信号与系统》等相关课程的基础，被公认为大学课程中最难的课程之一，学生对上课内容的理解往往跟不上老师授课的进度。现在很多大学教师在课堂上采用了多媒体教学，多媒体授课具有教学信息量大，信息传递便捷、交互性较强、感官刺激效果好等特点。对于讲授《数字信号处理》课程的老师来说，要提高学生对这门课的认识，可从丰富教学手段人手，除了考虑制作具有动态效果的幻灯片之外，还收稿日期：２００５—０８—０６修改日期：２００５一“．２５作者简介：李强（１９６８一），男，湖南人，硕士，副教授，研究方向：视频压缩编码与传输．可以采用像Ｍａｔｌａｂ这样的软件设计多媒体课件。１ＭａＵａｂ工具简介Ｍａｔｌａｂ是Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司于１９８２年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，经过２０多年的发展和各个领域的专家的共同努力，如今它已集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，形成了用于各个领域的工具箱函数，诸如模糊集、神经网络、小波分析、控制系统、图像处理、系统辩识、信号处理等，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础，被誉为“站在巨人肩上的工具’’‘２｜。Ｍａｔｌａｂ６．ｘ引入了Ｍａｔｌａｂ桌面，可用来管理各

种窗口，有助于提高工作效率，消除了各种版本中文本编辑器的差异，提高运算速度。ＧｕＩ制作工具得到了极大的改进和扩展补充，使得图像制作更加简便，图像质量也有很大提高。由于Ｍａｔｌａｂ在数字信号处理领域有着巨大的优势，比如产生波形、抽样、ＤＦＴ与ＦＦｖＩ’变换、卷积、滤波器设计等都可以很容易地实现，特别是随着Ｓ胛ＯＯＬ的推出，这种应用变得更为广泛，本系统的设计采用Ｍａｔｌａｂ开发。　万方数据实验技术与管理２系统结构的设计２．１实验仿真系统结构开发一个系统，首先需要建立一个原型，即整个系统的框架，它反映系统的体系结构。建立原型，需要确定系统的体系结构由哪些模块组成，模块间的调用关系如何，需要哪些全局变量等。通过分析，设计出如图１所示的系统结构图，图中每个方框代表一个图形用户界面ＧＵＩ，箭头表示调用关系。下面介绍各个基本模块的功能。图１系统结构框图（１）信号产生模块根据用户输入的参数，如幅度和频率，产生两个正弦信号，对这两个正弦信号叠加生成要处理的模拟信号。（２）抽样模块根据用户设置的抽样频率对模拟信号在时域上进行抽样，产生一时域离散信号。（３）频谱演示模块用ＦＦＴ对时域离散信号进行谱分析，用来显示信号的频谱图。《４）ＩＩＲ滤波器生成模块根据用户输人的截止频率和衰减指标设计出巴特沃斯数字低通滤波器，并显示出滤波器的幅度特性和相位特性曲线。（５）ＦＩＲ滤波器生成模块根据输入的窗口长度和截止频率用窗函数法设计ＦＩＲ数字滤波器，可供选择的窗函数有矩形窗、布莱克曼窗、哈曼窗、汉宁窗等。２．２实验仿真系统的实现按照系统结构框图的要求，需制作１５个图形用户界面，且要满足模块间的调用关系。先在每个ＧＵＩ中选择所需的控件，再对每个控件的属性进行设置，保存并编程。这里需要注意的是，属性设置中最重要的是ｐｕｓｈｂｕｔｔｏｎ控件的“ｃａｌｌｂａｃｋ”（回调函数）属性，因为编程基本上都是对ｐｕｓｈｂｕｔｔｏｎ控件进行，若其“ｃａｌｌｂａｃｋ”属性设置不好将不能实现对它进行编程。界面设计好后，需要对一些控件进行编码，以实现相应的功能。采用Ｍａｔｌａｂ语言进行编程比较简单，许多地方与ｃ语言相似，且由于ＳＰＴＯＯＬ工具箱的开发，许多功能可直接调用函数就可实现。限于篇幅，这里不作具体介绍。

３仿真系统的测试和演示

测试也是系统开发中一个重要的环节，检查系统能否正常运行、模块间的调用是否正确以及能否实现用户预期的要求。通过测试能够对隐藏在系统中的错误作及时修改，使系统更加完善。在系统开发过程中，对每一个开发好的模块均进行了单元测试，在模块组装成系统时进行了集成测试，下面介绍系统确认测试（即性能测试）和演示过程，看其是否完成了预定的功能。（１）信号产生模块在４个动态文本框中输入正弦信号的幅度和频率参数值（参数值可任选），如图２所示，信号１幅度为１，频率为１Ｈｚ；信号２幅度为２，频率为２Ｈｚ，点击ｐｌｏｔ１和ｐｌｏｔ２按钮，在对应的坐标轴上显示该信号；点击ｐｌｏｔ３产生叠加后的信号；点击“ｎｅｘｔ”按钮，可进入“抽样模块”。

图２信号产生模块ｆ２）抽样模块在如图３的文本框中输入抽样时间间隔值０．１２５秒（抽样频率为８Ｈｚ），对叠加的模拟信号进行等间隔抽样，点击按钮“抽样后的信号”，产生一个时域离散信号。从显示结果　万方数据　万方数据１１４实验技术与管理共同解决问题，才能成功地完成实验。（５）提高学习兴趣实验题目的宏观约束小，给学生充分的自由度以实现学生兴趣、能力等的最佳配置，学生学习热情高，自主、积极地查阅资料，确定解决方法。４实验教学体会与总结在设计综合性实验时，实验指导教师要与任课教师多交流、多沟通、多讨论，此外也要了解实验学生的知识背景，以便明确实验方案和实施手段。对于学生不了解的知识点，需要在实验指导书中指出。对于综合性开放实验的指导，实验指导教师首先要明确实验的教学目的，针对性地进行指导，而不是一味地示教。要鼓励学生探索和创新。综合性开放实验的成绩，不能由于分组、人多的原因而搞“一刀切”，要综合全面地考虑。比如混流装配实验从以下几个方面对学生进行评价：实验的预习准备工作、现场的表现、实验预习报告、正式报告、个人总结的内容等。以往过多的实验内容均是在计算机上进行的，对于混流装配综合性开放实验，学生表现出极大的兴趣和积极性，表明这种实验形式是值得肯定的。应该多提供学生自己动手的机会和场所，发挥学生的主观能动性，变被动学习为主动学习。混流装配综合性开放实验得以顺利成功地完成，与系领导的重视和支持是分不开的。

５结束语通过混流装配综合性开放实验的顺利实施，取得了一定的效果，受到了学生的广泛赞誉，实验既锻炼了学生综合运用知识的能力，也提高了学生的创新意识和创造性解决问题的能力，培养了学生的团队精神和协作能力，为他们后续的学习和企业实习打下了良好的基础。

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［ｔ］齐二石，刘子先．丰田生产方式及其应用［Ｊ］．企业管理，１９９８（３）：３７·３８．［２］张守魁．综合性开放实验——学生素质教育与能力培养的好课堂［Ｊ］．实验技术与管理，２００２，１９（４）：７２—７４．［３］李军，贵文龙，吕春梅．《生产计划与控制》课程教学的改革与实践．桂林电子工业学院学报，２００４，２４（４）：１２４—１２７．［４］陈杰．工业工程本科教学实验体系研究［Ｊ］．实验室研究与探索，２００４，２３（５）：９—１０．［５］杨晓英，马伟，李济顺，等．现代工业工程教学实验系统的规划设计［Ｊ］．河南科技大学学报（自然科学版），２００４，２５（２）：１７—２０．［６］徐建一，冉凡英．可编程程序控制器引入电工学教学的体会『Ｊ］．实验技术与管理，２００４，２４（１）：１０３．１０５．

（上接第８３页）“］ＩＲ滤波器演示模块”，演示用ＦＦＴ对序列谱分析的频谱图，观测截断效应中的谱间干扰和泄漏现象并分析原因；在讲数字滤波器的设计时，根据不同

的截止频率和衰减值设计出对应的ＩＩＲ滤波器。选择不同的窗函数、窗口长度和截止频率设计出不同的ＦＩＲ滤波器，并显示滤波器的幅度和相位特性等等。这个系统的演示可把该课程的大部分内容联系

起来，使学生对各个章节的内容能融会贯通。学生得到这个软件，也可在自己的微机上运行，通过设置不同的参数，设计不同类型的滤波器，对不同信号进行滤波，观测并自己分析波形特性。

图７滤波前后时域波形图和频谱图参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：

４实验仿真系统对课堂教学的帮助本系统可使用在《数字信号处理》整个教学过程中。比如，讲解信号的抽样、序列的概念时，可使用信号产生模块和抽样模块作演示；在讲授用“ＤＦＴ对信号进行谱分析内容”时，通过调用

［１］丁玉美，高西全．数字信号处理［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００１．［２］楼顺天，李博菡．基于Ｍａｔｌａｂ的系统分析与设计［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９９８．［３］王艳芬，史良，王刚．基于Ｍａｆｌａｂ软件环境的《数字信号处理》课程新实验开发［Ｊ］．实验技术与管理，２００２，１９（３）：６ｌ一６３．　万方数据