基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现
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实 验 技 术 与 管 理
,
现代教育技术
基 于 的数字信号处理实验仿真 系统 的实现
李 强 , 明
重 庆邮电 学院
艳 , 陈前斌 , 冬 洁
通信 学院 , 重庆 扣
摘 要 针对数字信号处理课程的特点和 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 编程
中 图 分类号 厂 〕 文 献标识码 文章编号 阅 一 一
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,
叮 切 。八如 ,
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 〔’〕, 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 一 一 修改 日期 一 一
作者简介 李强 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 这样 的软件设计多媒体课件 。
工具简介
是 公 司 于 年推 出 的一
套高性能的数值计算和 可 视化软件 , 经过 多年
的发展和 各个领域的专家的共同努力 , 如今它 己集
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 , , , 〕。
引人 了 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 。 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 在数字信号处 理 领 域 有着 巨 大 的
优势 , 比如 产 生 波形 、 抽 样 、 与 碑 变 换 、
卷积 、 滤波器设计等都可 以很容易地实现 , 特别是
随着 盯 的推 出 , 这种应用变得更 为广泛 , 本
系统的设计采用 开发 。
实 验 技 术 与 管 理
一一 —一一一一一一一一 一
系统结构 的设计
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 所示 的系统结构图 , 图 中每个
方框代表一个 图形用户界面 , 箭头表示 调用关
系 。 下面介绍各个基本模块的功能 。
沁波器设计计计 注波器设计计
生生成法波器器器 窗函数的选择择
演演示模块块块块块块块块块块块块块块块 矩矩矩矩矩矩矩矩矩矩矩矩矩 布布布 汉汉汉 哈哈
形形形形 莱莱莱 宁宁宁 明明
窗窗窗窗 克克克 窗窗窗 窗窗
受受受受受受受受受
窗窗窗窗窗窗窗窗窗
饱饱饱饱 澳澳澳 迪迪迪 迪迪
不不不不 不不不 刀不不不 不不
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 控件的 “ 】 ” 回调
函数 属性 , 因为编程基本上都是对 控
件进行 , 若其 “ ” 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 语言进 行 编程 比较
简单 , 许多地方与 语言相似 , 且 由于 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 。
图 系统结构框图
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 。
【 信号产生模块 在 个动态文本框 中输人
正 弦信号 的幅度和 频率参数值 参数值可 任选 ,
如图 所示 , 信号 幅度为 , 频率为 信号
幅度为 , 频率 为 , 点击 和 按
钮 , 在对应 的坐标轴上显示该信号 点击 产
生叠加后的信号 点击 “ ” 按钮 , 可进人 “ 抽
样模块 ” 。
信号产生模块 根据用户输人的参数 , 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 。
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 。
频谱演 示模块 用 ”, 对时域离散信号
进行谱分析 , 用来显示信号 的频谱图 。
雄波器生成模块 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 。
刃 魂波器生成模块 根据输入的窗 口 长
度和截止频率用窗函数法设计 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 。
实验仿真 系统的实现
按照 系统结构框 图 的要求 , 需制作 巧 个 图形
用户界面 , 且要满足模块间 的调用关系 。 先在每个
图 信号产生模块
抽样模块 在如图 的文本框 中输人抽样
时间间隔值 秒 抽样频率为 , 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
李 强 , 等 基于 的数字信号处理实验仿真系统的实现
看 , 对模拟信号每秒抽取了 个点 , 结果正确 。 点
击 “ ” 按钮 , 进人 ‘性成滤波器模块 ” 。
图 谁波器演示模块
图 抽样模块
及 生 成滤波器模块 在文本框 中输人 数
字低 通 滤 波 器 指 标 通 带 截 止 频 率 。。 二
对 二 进行归一化 , 下 同 、 阻带截止频率 。 ,
、 通 带最 大衰减 , 、 阻带最 小 衰减 。 。 “
一 , 点击 “ 生成滤波器 ” 按钮 , 产生 一个
数字低通滤波器 , 其幅频和 相频特性 曲线如图 所
示 。 点击 “ , ’ 按钮 , 进人 “ 演示模块 ” 。
《 刃 生成滤波器模块 仿真系统根据
输人窗 口 长度 、 截止频率和选定窗 函数可 以设计 出
对应 的低 通 滤 波 器 。 在文 本框 中输 入 窗 口 长 度 为
点 , 截止频率为 , 点击 “ 矩形 窗 ” 按 钮
就可生成 图 所示 的 低通滤波器 。 在 滤波
器演示模块 中 , 同时显示 出设计出 的滤波器 的单位
取样响应波形 、 衰减特性 、 幅频和相频特性 。 设计
出的滤波器特性一 目了然 。
图 刃 滚波器特性演示模块
图 滤波器生成模块
《 演示模块 此模块 可演示 整个 滤波过程 ,
它将抽样模块产 生 的 离散信号 通 过 “ 滤 波器 生 成
模块 ” 进 行 滤波 , 并 显 示 出滤 波前后 的 时域 离散
信号 和滤波前后信号的频谱图 , 如图 所示 。 通过
截取序列前 点作 对信号作谱分析 , 求变换
后序列 的模值 , 显 示 出信 号 的 幅度谱 。 如 图 所
示 , 滤波前信号有对称的两条主谱线 , 分别对应滤
波前时域离散信号 的两个频谱分量 , 通过低通滤波
器 , 对应模拟信号频率为 的频谱分量被 滤 除
了 。 滤波前后 在 频谱 图 中 主谱线 两 边 产 生 很 多 旁
瓣 , 是 由于对 序列 截断引起 的谱间干扰 。
滤 波器滤 波演 示 模块 对 滤 波
器滤 波效果 的演示 , 滤波 的对象采用 了医 学 上 人
体心 电图信号 , 该信号在测 量 过程 中受 到 了工 业
高频 干 扰 , 通过所设计 的 低通 滤 波器后 , 滤
除 了高频干扰 , 得 到能够作为少心析心脏 功 能 的有
用信息 。 点击 图 所 示 的 “ 滤波 ” 按 钮后 , 心 电
图信号滤 波 前 后 的时域 信 号 和 频 谱如 图 所 示 。
滤波前信号序列 幅度起 伏较大 , 不规 则 , 存在 高
频干 扰 , 滤 波后信号 幅度平 滑 , 起 到 了滤 波 的作
用 。 从信号滤波前后 的频谱 图域 的 比较 也 可 得 出
类 似结论 。
下 转第 页
头 担 仅 木 匀 官 理
—一 一 一
一一一一一 一 一 一
共同解决 问题 , 才能成功地完成实验 。
《 提商学 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 。
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 。
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
【 齐二石 , 刘 子 先 丰 田 生 产 方式 及 其 应 用 仁 企 业 管 理 ,
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索 , 以科 , 一
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划设计 〔 河 南科 技 大 学学 报 自然 科 学 版 , 抖 ,
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」徐建一 , 冉凡 英 可 编程程 序控制器 引人 电工 学教学 的体会
」实验技术与管理 , 以拼 , 一
上接第 页 “ 滤波器演示模块 ” , 演示用 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 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 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 。
圈 渝波前后时域波形圈和颇谱圈 参考文献 《
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
“ 对 信 号 进 行 谱 分 析 内 容 ” 时 , 通 过 调 用
仁 〕丁玉美 , 高西全 数字信号处理 【 西安 西安 电子科技 大
学 出版社
【 〕楼顺天 , 李博苗 基 于 记曲 的系统分析 与设计 〔 西安
西安电子科技大学 出版社 ,
〔 」王艳 芬 , 史 良 , 王 刚 基 于 软件环 境 的 《数字信号处
理 》课程新实验开发 【 了实验技 术与管理 , ,
一
基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现.pdf
