數字信號處理可視化平臺設計探討

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摘要：針對數字信號處理課程公式繁多，內容晦澀難懂，文章設計了基于MATLABGUI的數字信號處理課程可視化平臺設計。平臺設計的界面里包含著主界面和子界面，內容包括離散系統的時域和頻域的分析，快速傅里葉(FFT變換，有限長脈沖響應(FIR和無限長脈沖響應(IIR數字濾波器四大模塊，涉及數字信號處理課程的主要內容。該系統有良好的交互性和可擴展性，實踐證明，該平臺的使用增強學習數字信號處理的效果。

關鍵詞：數字信號處理；圖形用戶界面；交互性

數字信號處理[1-4]是全世界范圍內廣泛要求學習的信息類學科的基礎課，主要通過數學手段對信號進行分析和處理，達到優于模擬信號的傳輸和儲存的目的?，F在用于通信、航天、地質、控制和生物醫藥等多個領域。但是該課程的特點是公式繁多，推導復雜，概念難以理解，所以學生掌握起來會有非常大的困難。本文研究的是數字信號處理平臺的GUI設計，運用MATLABGUI[5-6]完成教學和實驗兩大主要部分的界面的設計。在教學界面部分，用下拉菜單添加了數字信號處理所有的課件；在實驗界面部分，實現了數字信號處理的教學中的主要實驗。

1平臺設計的框架

根據數字信號處理課程的內容，本文的設計平臺主要設計四大模塊，包括離散系統的時域和頻域的分析，快速傅里葉(FFT變換，有限長脈沖響應(FIR和無限長脈沖響應(IIR數字濾波器。在平臺設計時，通過仿真界面觀察繪制出實驗仿真圖像，進行直觀地對比和分析，深刻理解和總結數字信號處理的理論知識。為了遵循盡量簡潔的原則采用了樹狀的設計結構，最上層是登錄界面，輸入的信息確認符合后，進入主界面，四大實驗模塊都放在主界面下，通過主界面調用各個子界面，并通過點擊按鈕可返回到上級界面。圖1所示是平臺的界面設計的主體結構圖。其中，離散信號時域和頻域分析子界面設計包括基本時間離散信號的生成、基本離散信號的運算、采樣、內插、線性卷積、LSI系統的時域響應、系統的零極點分析、系統的頻率響應、系統的單位脈沖響應等子界面；快速傅里葉變換子界面包括離散傅里葉變換和快速傅里葉變換子界面；有限長脈沖響應數字濾波器子界面包括窗函數設計法和等波紋最佳逼近法兩種設計方法，還添加了兩種方法設計濾波器的驗證界面；無限長脈沖響應數字濾波器子界面包括脈沖響應不變法和雙線性變換法兩種設計方法。

2平臺測試與仿真

2.1平臺主界面。在登錄界面設計時使用了可編輯文本框，分別獲得“名字”和“學號”的輸入信息；使用了兩個按鈕“確定”和“取消”，“確定”按鈕進入主界面，“取消”按鈕關閉登錄界面；判斷符合進入信息要求時可以進入主界面，不符合信息要求時，界面將會報錯，提示“請輸入正確信息”。如圖2所示就是登錄界面。圖2登錄界面為了方便課堂教學和演示使用，在主界面設計時，添加了“授課”和“實驗”兩個主菜單，在“授課”菜單下，可以打開課堂使用的PPT文件；而“實驗”菜單下可以選擇四大實驗模塊中不同的實驗，完成課堂教學。2.2平臺仿真測試。1離散信號時域和頻域分析界面的測試離散信號時域和頻域分析子界面設計包括“基本時間離散信號的生成”“基本離散信號的運算”“卷積采樣內插”和“離散信號頻域分析”子界面。其中，“離散信號的生成”中包括生成單位脈沖序列、階躍序列、矩形序列、正弦序列，指數序列等基礎的離散信號；“基本離散信號的運算”包括序列的加法、乘法、移位、翻轉和尺度變換等基礎的序列運算；“卷積采樣內插”實現了序列的采樣、內插和卷積運算，；“離散信號頻域分析”完成了時域脈沖響應、零極點分析、頻域脈沖響應和單位脈沖響應等。其中，在“卷積采樣內插”子界面中，實現了采樣、內插和卷積運算。首先通過主界面進入子界面，如圖3所示就是實現卷積、采樣和內插功能的界面。2快速傅里葉變換(FFT界面的測試時域離散信號的頻域仍然是連續函數，要想在頻域也進行數字化處理，就需要將頻率域離散化，而DFT就是將有限長的時域離散信號的頻域也離散化的運算，而FFT就是DFT快速算法中性能優良的運算方法，所以設計了DFT和FFT兩個實驗演示子界面。如圖4所示為DFT設計界面，其中，信號的輸入可以通過panel進行修改，用來分析不同信號的頻域特征；通過輸入不同的N1,N2值，改變DFT的點數，觀察頻域的變化，便于學生的理解。3有限長脈沖響應(FIR數字濾波器界面的測試數字濾波器的設計是數字信號處理課程中的重點和難點部分。在FIR濾波器設計[7]界面中，包括了窗函數設計法和等波紋逼近法，并設置了窗函數法和等波紋法的功能驗證部分。圖5所示就是FIR數字濾波器窗函數實現法子界面。界面中最上面有兩個下拉菜單，第一個菜單對應著濾波器的四種狀態，第二個菜單對應著六種窗函數；可以通過選擇菜單生成低通等不同狀態的濾波器和實現的窗函數，對于采樣頻率及其通帶阻帶的截至頻率，也可以根據設計要求輸入，而由于輸入數據較多，所以在界面的最下方還加上了“清除”按鈕，隨時更新設計參數。上圖設計的是低通濾波器，還可以進行其他窗函數及高通、帶通和帶阻濾波器的實驗。4無限長脈沖響應(IIR數字濾波器界面的測試IIR數字濾波器的設計方法有兩種，一種直接設計數字濾波器，另一種先設計模擬濾波器在轉化成數字濾波器，本設計用的是間接法實現的IIR數字濾波器[8]。在IIR數字濾波器界面的設計中主要包括脈沖響應不變法和雙線性變換法兩種演示界面。圖6所示是采用脈沖響應不變法實現IIR低通數字濾波器的演示子界面。在參數設置中，選擇巴特沃斯低通濾波器，并將通帶截止頻率設置為2000Hz，將阻帶截止頻率設置為3000Hz，演示結果顯示，根據要求設計出符合設計要求的數字濾波器。

3結束語

《數字信號處理》可視化教學平臺，作為對數字信號處理課程的輔助，主要完成了可視化平臺的設計，內容包括時間離散信號的時域和頻域的分析界面、FFT變換界面、FIR和IIR數字濾波器界面的設計，通過MATLAB的人機交互功能用圖片的方式展示書中難以理解的概念和實驗，將公式的推導變得簡單，降低學習數字信號處理課程的難度。實踐證明，通過實驗平臺的演示，能夠更好地促進學生的知識掌握，加深對課本知識的理解，并取得了較好的教學效果。

作者:劉倩 單位:山東理工大學