張勝利 李偉

【摘 要】數(shù)字信號處理是一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域，其理論與技術(shù)是伴隨半導(dǎo)體器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，現(xiàn)在它己成為一門具有系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和廣泛應(yīng)用的學(xué)科。由于數(shù)字信號處理這門學(xué)科的抽象性，導(dǎo)致它處于一種難教、更難學(xué)的境況中。針對該課程抽象難懂、推導(dǎo)繁瑣等特點(diǎn)，利用MATLAB工具開發(fā)并設(shè)計(jì)適合課堂教學(xué)的多媒體輔助系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號；教學(xué)平臺；MATLAB

一、課程知識體系歸納

數(shù)字信號處理是一門以算法為核心，理論性和實(shí)踐性均很強(qiáng)的課程，其基本方法和原理己廣泛應(yīng)用于數(shù)字信息處理的各個(gè)領(lǐng)域，因此教師教好和學(xué)生學(xué)好這門課程都非常重要。為了設(shè)計(jì)一個(gè)更合理的實(shí)驗(yàn)平臺，系統(tǒng)將分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。在兼顧系統(tǒng)性和全面性的原則下，將課程歸納以下幾個(gè)知識點(diǎn)：1.離散系統(tǒng)的時(shí)域分析：序列、線性時(shí)不變系統(tǒng)、差分方程、離散卷積、因果性和穩(wěn)定性。2.離散系統(tǒng)的z域分析：z變換及其收斂域、z反變換、差分方程的z域解法、離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)。3.離散信號的傅氏分析：離散傅立葉級數(shù)、DFT、循環(huán)卷積、FFT、快速卷積、利用FFT的數(shù)字譜分析（混疊現(xiàn)象、泄漏效應(yīng)、柵欄效應(yīng)）。4.數(shù)字濾波器：數(shù)字濾波器的實(shí)質(zhì)、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)（沖激響應(yīng)不變法、雙線性變換法、頻帶變換），F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)（線性相位、窗口法、頻率采樣法）、數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。5.數(shù)字信號處理器和應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

（一）試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)平臺按照課程知識點(diǎn)分布，按照模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K有：1.基本信號的產(chǎn)生模塊；2.序列基本運(yùn)算模塊；3.序列的離散傅里葉變換模塊；4.Z變換的計(jì)算模塊；5.濾波器設(shè)計(jì)模塊與音頻信號分析模塊，本模塊對一段語音信號進(jìn)行采樣、頻譜分析、模擬傳輸、數(shù)字濾波和還原，通過時(shí)頻域分析觀察信號在各個(gè)過程中的變化，讓大家理解數(shù)字信號處理的基本應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)的特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是用來輔助教學(xué)，系統(tǒng)按模塊將書本知識進(jìn)行了歸類整合，這樣有利于對學(xué)生本門課知識體系的構(gòu)建，能夠讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)了解知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)掌握和理解基本理論。在最后特地設(shè)計(jì)了一個(gè)信號仿真程序，對信號進(jìn)行仿真處理，這樣學(xué)生可以直觀的去聽到，看到語音信號的頻譜以及濾波器的作用，從而更好的去理解信號頻譜的抽象概念，更好的去掌握濾波器的作用與意義。

三、實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)的整體界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用MATLAB的GUIDE工具箱設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信號處理的圖形界面GUI，設(shè)計(jì)主界面、子界面。界面以按鈕、可編輯文本框、靜態(tài)文本框、命令按鈕等構(gòu)成，可以方便使用，結(jié)果直觀。

（二）各模塊的設(shè)計(jì)與功能演示

1.主界面與菜單設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，引導(dǎo)界面中不使用菜單，主界面中將所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做成菜單的形式，只要通過選擇相應(yīng)的菜單選項(xiàng)，就可以進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)。

本設(shè)計(jì)過程中直接使用了Menu Editor來設(shè)計(jì)菜單，在該編輯器中Label屬性是用于設(shè)置菜單的名稱，Tag屬性是用于標(biāo)記菜單。

2.數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與語音信號分析模塊

在此模塊中，用戶可以自由的選取音頻信號作為源信號，可以在信號中加入噪聲，并且噪聲幅度與類型可控，下面的例子中加入的是高斯白噪聲。首先用戶通過操作界面進(jìn)入濾波與語音分析總界面。

進(jìn)入此界面以后，可以選擇相應(yīng)的數(shù)字濾波器，系統(tǒng)將會根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器。在運(yùn)行階段，首先可以預(yù)先聽到加入噪聲之前的音頻信號，然后系統(tǒng)將會分別繪制加入高斯白噪聲信號經(jīng)過濾波器前后的時(shí)域波形，同時(shí)繪制出雙線性變換法設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。然后繪制出濾波前后信號的頻譜圖像。通過對圖像的分析將會把抽象的知識具體的展現(xiàn)，方便理解。

四、總結(jié)

利用該實(shí)驗(yàn)平臺，在課堂中我們可以把抽象的理論圖形化，利用MATLAB圖形界面工具以及繪圖功能讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)直觀地看到理論中包含的物理與現(xiàn)實(shí)意義，這樣可以啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實(shí)施形象教學(xué)。