王奎奎 甘輝 郭鐵梁 于健海 姚高華 陸晶晶

摘要：針對數(shù)字信號處理課程內容多、學時少、學生層次差異、實驗內容無法滿足工程實踐的問題，利用Matlab GUI設計了實驗內容逐層遞進的數(shù)字信號處理交互式實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)包括基礎、拓展和工程應用實驗。實驗內容由淺到深，由基礎到工程實踐，將抽象的基礎知識點用圖形表示，使其更加直觀。課堂使用結果表明：該系統(tǒng)交互性較好、操作方便，改善了教學效果，激發(fā)了學生的學習興趣，同時學生的工程實踐能力有所提高。

關鍵詞：數(shù)字信號處理;Matlab GUI;基礎實驗;拓展實驗;工程實驗

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0008-03

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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)基礎課程。該課程知識體系嚴謹，基本概念抽象，公式推導煩瑣，配套實驗內容較為基礎，在工程應用實踐方面設計內容較少[1-3]。較多高校采取板書教學同時利用Matlab軟件完成基礎知識的驗證性實驗。此時雖然學生得到了一定的練習，但是無法真正了解數(shù)字信號處理的工程應用，最終導致學生學一門忘一門的境地。所以本文設計了遞進型實驗仿真系統(tǒng)，基礎實驗可以完成課堂教學基礎知識的驗證;拓展實驗可以達到數(shù)字信號處理的具體應用的驗證;工程實驗可以滿足數(shù)字信號處理的工程方面的應用。通過三個遞進層次的設計，可以使不同層次的學生完成相應的實驗內容，做到因材施教。

2 數(shù)字信號處理實驗系統(tǒng)設計

2.1 實驗系統(tǒng)的基本框架

該實驗系統(tǒng)主要包括三種不同層次實驗類型，即基礎性實驗篇、拓展性實驗篇、工程性應用篇?；A實驗包括：離散系統(tǒng)時頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換FFT、FIR濾波器的設計;拓展實驗包括：通信號調制及其處理、DFT參數(shù)對譜分析的影響、加噪正弦信號濾波;工程性應用實驗包括：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 軟件結構設計

該實驗系統(tǒng)采用層次化設計，整個系統(tǒng)包括3層，分別為基礎性實驗、拓展性實驗和工程性實驗。每一層可分解為多個獨立小實驗。設計思想采用各層之間逐級調用的方式。系統(tǒng)界面有4層，引導界面（1個），主界面（1個），基本實驗模塊界面（3個），子實驗界面（多個）。其中引導界面包括三個控件，靜態(tài)文本Static Text控件完成系統(tǒng)名稱設計，兩個Push Button按鈕完成系統(tǒng)的引導設計，其中“開始”按鈕點擊后可以進入系統(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），設置了4個按鈕，其中基本實驗模塊按鈕3個，“返回”按鈕可以返回上一級界面。以工程性應用實驗模塊為例，在主界面點擊“工程性應用”時，進入實驗模塊界面圖2（c），設置了3個子實驗，不同的子實驗的界面是不同的。如點擊數(shù)字圖像處理實驗，可以進入子實驗界面完成相應的實驗操作如圖2（d）所示。

3 實驗系統(tǒng)測試

由于設置了較多的子實驗，而各個子實驗設計方法上類似。所以在3個實驗模塊中各取一個子實驗進行測試。

（1）基礎性實驗——FIR濾波器及應用。FIR濾波器的設計是數(shù)字信號處理課程的重難點，F(xiàn)IR濾波器是用窗函數(shù)法來設計[4-5]。

本模塊中以矩形窗設計的帶通濾波器和哈明窗設計的低通濾波器為例，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濾波器達標，本模塊中設計的濾波器都接近-6dB。測試結果如圖3（a）和圖3（b）所示，可觀察到濾波器的幅頻響應特性和相頻響應特性，該實驗結果表明，達到實驗預期要求。

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濾波器在實際應用中的用處。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。設計一個低通濾波器，截止頻率為0.45，阻帶頻率為0.5。Rp為1，As為36。設計結果如圖4所示，從實驗測試結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，該實驗測試結果達到了預期要求。

（2）拓展性實驗——通信信號調制及其處理

該界面設計運用了FFT知識點對模擬調制和數(shù)字調制進行頻譜分析，在這里以模擬調制AM和數(shù)字調制2FSK為例，實驗測試結果如圖5所示：

這里以模擬調制中的AM，數(shù)字調制中2FSK進行測試。由于在本界面中模擬調制中限定了在顯示時間范圍2e3內進行采樣，這里是以采樣頻率fs為1e5Hz，調制信號頻率為200Hz，載波頻率為3200Hz，AM的直流分量A為2。對AM已調信號的頻譜進行搬移，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調制后的頻譜圖。

（3）工程性應用實驗——數(shù)字圖像處理[6-8]。數(shù)字圖像處理主要是進一步鞏固fft傅里葉變換，因為圖像為二維信號，所以運用了fft2二維傅里葉變換;同時完成了圖像灰度化、圖像加噪、去噪和旋轉。

4 軟件打包

以上測試達到了各個界面預期功能后按照設計框架步驟將主界面與各個子界面連接成一個完整的實驗系統(tǒng)后，通過Matlab編輯器，可以將Matlab的m文件直接打包為獨立可執(zhí)行的程序應用exe，不需要依賴Matlab的仿真環(huán)境[24]，相比來說程序應用exe更加優(yōu)化。打包時在命令窗口輸入“deploytool”點擊回車鍵后彈出compiler界面，點擊Application Campiler進去之后再“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，點擊package進行打包，詳細內容如圖7所示。

5 結論

基于Matlab GUI的數(shù)字信號處理實驗系統(tǒng)包含了基礎知識、拓展知識和面向工程的工程類實驗。同時不同層次的實驗，可以滿足不同層次的學生進行理論知識驗證、知識的拓展和工程類的實踐經驗;同時該實驗平臺經過打包生成exe文件，不再受限于Matlab環(huán)境，可以解決課程學時少內容多的問題，學生可以在不同的學習環(huán)境下進行學習。目前該系統(tǒng)已用于本校數(shù)字信號處理課程當中，學生學完理論知識后，可以在課堂上直接進行實驗以驗證理論知識，大大激發(fā)了學生的學習興趣。

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【通聯(lián)編輯：王力】