基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现[1]_图文

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
,

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

艳

,

陈 前斌
,

,

冬

洁
扣

重 庆 邮 电 学院 通 信 学 院

重庆

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
。

《 字 信 号 处 理 》教 学 的 实 验 仿真 系 统 数
关键词

既 能丰富老 师 的教 学 手 段 编程
文 章编号

又 能提 高学 生 学 习 质量
一 一

数 字 信 号处 理
〕

仿 真系统
文 献标识 码

中 图分类号 厂

阅

,

,

一

,

,

骊

,

侧 场

,

,
,

’

叨
,

叮

切 。八如

,
。

数字 信 号 处理是 应用 最快
学之一
测遥感
’
, ,

、

成 效 最 显 著 的新 科
、

可 以 采用 像

这样 的 软 件 设 计 多 媒 体课 件

广 泛地 应 用 在通 信 地址勘探
、

、

控制
、

生 物 医学

、

遥

、

航空航天

自动 化 仪 表 等 领
,

工 具简 介
是

域 〔 〕 国 内外 高 校 都 为 相 关 专 业 的 学 生 开 设 了 这

公司于
, ,

年 推 出 的一

门课 程

。

我 校 除通 信 电子 信 息 类 的 专 业 外
、

计算机
、

套 高性 能 的 数 值计 算 和 可 视化 软 件

经过

多年

科 学 与技 术

光 信 息 科 学 与技 术
、

、

地 理 信 息 系统

的 发 展 和 各 个领域 的专 家 的 共 同努 力

如 今它 己集
,

信 息安全 课程
式
、

、

生 物 医 学 工程

测 控技术 与仪 器 等 专 业

数值 分 析 体
集
,
、

、

矩 阵运 算
、

、

信号处 理 和 图形显示 于 一
诸 如模 糊
图像 处 理
、

都在 教 学 计 划 中 相 继 设 置 了 《数 字 信 号 处 理 》
。

形 成 了 用 于 各个 领 域 的 工 具箱 函 数

神经 网 络
、

小 波分析
, ,

、

控 制 系统
“

、

数字 信 号 处 理 》课 程 的 特 点 是 概 念 多 《
性 质 的 推导 和 证 明 繁 琐
, , ,

,

公

系 统辩 识
, ,

信 号处 理 等
。

其 强 大 的扩 展 功 能为各个 被誉 为
站在 巨人肩上
可 用 来 管理各

还 需 《信 号 与 系统 》

等相 关课 程 的 基 础
程之一
。

被公认 为 大学 课 程 中最 难 的 课

领域 的应 用 提 供 了 基 础 , 〕 的工 具
引人 了

学 生 对 上 课 内容 的 理解 往 往跟 不 上 老 师授 种窗 口
, ,

桌面
,

,

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
,

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

便捷

、

交 互性 较 强

、

感官 刺激 效果 好等特 点
,

。

得 到 了 极 大 的 改 进 和 扩展 补 充
,

使得 图 像 制作 更 加

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

简便

,

图 像 质 量 也有 很 大提 高 比如 产 生 波形
,
、

。

可 从 丰 富 教 学手 段 人
,

由于

在 数 字信号 处 理 领 域 有 着 巨 大 的

手

,

除 了 考 虑 制作 具 有 动态 效 果 的幻灯 片 之外
一
一

还

优势
卷积

,

抽样

、

与

碑 变换
, ,

、

、

收 稿 日期 作 者简介

修 改 日期

一

一

滤 波器 设 计 等 都 可 以 很 容 易 地 实现 开发
。

特别是
本

李强 向

一

,

男

,

湖南 人

,

硕士

,

副教授

,

研究 方

视频 压 缩 编 码 与传 输

的推 出 随着 盯 系 统 的设计 采 用

这 种 应 用 变 得更 为广 泛

实
一

验

技

术

与

管

理

个系 统 的 框 架
型
,

块 间 的 调用 关 系 如 何

一一
系 统 结构 的设 计
实 验 仿 真 系 统 结构
, ,

—一

一

一 一一
设置
函数
,

一
。

中选择 所需 的控 件

保存 并 编 程
属性
,

中最重 要 的是
,

一
,

一

再 对 每 个 控 件 的 属性 进行
,

这 里 需要 注 意 的是

属 性设 置
”

控件 的

“

】

回调

开 发 一 个 系统

首 先需 要 建 立 一 个 原 型
。

即整
,

,

因 为 编 程 基本 上 都是 对
“ ”
。

控

它反 映 系统 的体 系结构
,

建立 原

件进 行

若其

属 性设 置 不 好 将 不 能实
,

需 要 确定 系统 的体 系 结 构 由哪 些 模 块组 成 需要 哪些 全局变量 等
, ,

模

现 对 它 进 行 编程

。

通过

界 面 设计 好 后

,

需 要 对 一 些控 件 进 行 编码
,

以

分析
系
。

,

设计 出 如 图

所 示 的 系统结 构 图
。

图 中每 个

实 现相 应 的 功 能 简单
, ,

。

采用

语 言 进 行 编 程 比较
。

方 框代表一 个 图形 用 户 界 面

箭头 表示 调 用关

下 面 介绍各个基本模块 的 功 能

工 许 多 地方与 语言 相 似 且 由于 可 直接 调用 函 数 就 可 实现 具箱 的 开 发 许 多 功 能

限 于篇 幅

,

这 里 不 作 具 体介 绍

。

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
中的 错 误 作 及 时 修 改
沁波器设计
生成法波器

通 过 测 试 能 够 对 隐藏 在 系统

,

使 系统 更加完善

。

在 系统 开
,

注波器 设 计

发过程 中

,

对每 一 个 开 发好 的 模 块均 进 行 了 单 元 测
下 面介
,

窗函数的选择

试

,

在 模 块 组 装 成 系 统 时进行 了集 成 测 试
即性 能测 试
。

绍 系 统确认 测 试 【

和演示过程

看

演示 模块 块

矩 形 窗

布 莱 克
受

汉 宁

窗

哈 明 窗

其 是 否 完成 了 预 定 的 功 能
信 号 产 生 模块 所示
, ,

在

个 动 态 文 本框 中输 人 参数值可 任选
频率 为
和
,

窗

正 弦信 号 的 幅 度 和 频 率参 数 值

如图

信号
频率为

幅度 为
,

,

信号 按
产
“

饱
不

澳
不

迪
刀不

迪
不

幅度 为 钮
,

点击
”

在 对 应 的 坐 标轴 上 显 示 该 信 号 点击
“

点击
,

图

系 统结构 框 图

生 叠加 后 的信号

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 频 谱演 示 模块 进行 谱 分析
,

产 生 一 时 域 离 散 信号 用
,

。

” 对 时域 离 散 信 号
。

用来 显 示 信号 的 频 谱 图

雄 波 器 生成 模块
器
,

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

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 供 选择 的 窗 函 数 有 矩 形 窗
汉 宁窗等
。

数 字 滤 波器
、

,

可
、

图

信 号产 生 模块

布莱 克 曼 窗

哈曼窗

抽样 模 块
时 间间隔值
,

在如图 秒
,

的 文 本框 中输 人 抽 样
,

实 验 仿真 系 统 的 实 现

抽样 频 率为

对叠 加
“

按 照 系 统结 构 框 图 的要 求
用户界面
,

需 制作 巧 个 图形
。

的 模 拟 信 号 进 行 等 间隔 抽 样
的信号
”
,

点 击按 钮
。

抽 样后

且 要 满 足 模 块 间 的调 用关 系

先 在 每个

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

《

刃

生 成 滤 波器 模 块
、 。

输人窗 口 长度
。。 二 。
,

仿真 系 统 根 据 截 止 频 率 和 选 定窗 函 数 可 以 设 计 出
在 文 本 框 中输 入 窗 口 长 度 为
,

及 生 成 滤 波器模 块

在 文本 框 中 输 人 数

对应 的 低 通 滤 波 器 点
,

字低 通 滤 波 器 指 标
对
、

通带截止 频率
下同
,
、

截止频率为
所示 的
,

点击

“

矩形 窗
。

”

按钮 滤波

二

进 行 归一 化
,

,

阻带 截 止频 率
、

就可生成 图
。
。

低通滤 波器
、

在
。

通 带 最 大 衰减

阻带最 小 衰减 按钮
“
,

“

器 演示 模 块 中

同时 显示 出 设 计 出 的滤 波 器 的单 位 衰减 特 性 幅 频 和 相频特性 设计
。

一

点击
“

“

生 成滤波 器
,

”

产生一个 所
” 。

取 样响 应 波 形

、

数 字 低 通 滤 波器
示
。

其 幅频 和 相频 特 性 曲线 如 图
按钮
,

出 的滤 波 器特性 一 目了 然

点击

, ’

进人

演示 模块

图 图

刃

滚波器特性演 示 模块

滤 波器 生成 模块

滤 波器滤 波演 示模块
《 模块
”

对

滤波

演 示 模块 进 行 滤波
,

此模块 可 演 示 整个 滤波 过程
“

,

器 滤 波效 果 的演示

,

滤 波 的对 象 采 用 了 医 学 上 人

它将 抽 样 模 块 产 生 的 离 散 信 号 通 过

滤波器生成

体心 电 图 信号
高频 干 扰
用 信息
。
,

,

该 信 号 在 测 量 过 程 中受 到 了 工 业 低 通 滤 波器后
“
,

并 显 示 出 滤 波前 后 的 时 域 离 散
,

通过所设计 的
,

滤

信号 和 滤波 前 后 信 号 的频 谱 图 截取 序 列 前
后 序列 的 模 值 示
, ,

如图

所示
,

。

通过

除 了 高频 干 扰

心 得 到 能 够 作 为 少 析心 脏 功 能 的 有 所示 的

点作

对 信 号 作谱 分析
。
,

求变 换
所

点击 图

滤波
,

”

按钮后
,

,

心电

显 示 出信 号 的 幅 度 谱
,

如图

图 信号 滤 波 前 后 的 时 域 信 号 和 频 谱 如 图

所示

。

滤 波 前信 号 有 对称 的两条 主 谱 线
对 应 模 拟 信号 频 率 为

分别对 应 滤

滤 波前 信 号 序 列 幅 度 起 伏 较 大

不规则

存在高

波 前 时 域离散信 号 的两个频 谱 分 量 器
了
,

通 过低 通 滤 波

频干 扰
用
。

,

滤 波后 信号 幅度 平 滑
。

,

起 到 了滤 波 的作

的频谱分 量被 滤 除
。

从 信 号 滤 波前 后 的 频 谱 图 域 的 比 较 也 可 得 出
下转第

。

滤 波前 后 在 频 谱 图 中 主 谱 线 两 边 产 生 很 多 旁
是 由 于 对 序 列 截断 引 起 的谱 间干 扰

类 似结 论

瓣

,

页

头
—一
一

一

担

仅

木

匀

官

理
一一

共 同解决 问 题
《

,

才 能 成 功地 完 成 实验

提 商学 习 兴 趣
,

给学 生 充分 的 自由度 以 实 现学 生 兴趣

佳配 置
料
,

学生学 习热情高
。

确定 解 决 方法

实验教学 体 会 与 总 结
在 设 计综合 性 实验 时 教 师 多交流
、
,

一
、
,

。

实验 题 目 的 宏 观 约 束 小
自主
、

一
,

能 力 等 的最

积极地查 阅资

一
成
,

混 流 装 配 综合性 开 放 实验 得 以顺 利成 功地 完

与 系 领 导 的 重视 和 支 持 是 分 不 开 的

一一
,

一

。

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
团 队 精神 和 协 作 能 力 习 打 下 了 良好 的基 础
,

也 提 高 了学 生 的

实 验指 导 教师 要 与任课
,

创 新 意 识 和 创造 性解决 问 题 的 能力
。

培 养 了学 生 的

多沟 通
,

、

多 讨论
,

此外 也要 了解实 验
。

为 他 们后 续 的学 习和 企 业 实

学 生 的 知识 背 景
出
。

以 便 明 确 实 验 方 案 和 实施 手 段
,

对 于 学 生 不 了解 的 知识点 先 要 明 确实验 的教学 目的
不 是 一 味地 示 教 的 原 因而 搞
“
。

需要 在 实验 指导 书 中指

对 于 综合 性 开 放实验 的指 导
,

实验指 导 教 师 首
,

参考 文 献
【
齐二 石
,

针 对性地 进 行指 导
。
,

而

刘子先 丰 田 生 产 方式 及其应用 仁
一

企 业 管理

,

要 鼓 励学 生 探 索 和 创新
”
,

综 合性 开 放实验 的 成绩
一刀切
、

不 能 由于 分 组

、

人多
比如

张 「 〕 守魁 综 合性开放实 验

要 综 合全 面 地 考 虑
、

。

堂

实 〕 验技术 与管理
,

,

—

学 生 素质 教 育 与能 力 培 养的好 课
,

一

李 〔〕 军 【

贵文 龙

,

吕春梅

《生 产计划 与控 制 》课程教学 的改 革
,

混流 装 配 实验从 以 下 几 个方 面 对 学 生 进行评 价

实
、

与实践 桂林 电 子工业 学 院学报

仪只

,

一

验 的预 习 准 备 工 作
正 式报告
、

现 场 的表现
。

实验 预 习 报 告

陈杰 工 业 工 程 本 科 教 学 实验 体 系研 究 【

实验室研 究 与探

个 人 总 结 的 内容等

索
,

,

以科
,

,

一

以 往 过 多 的 实验 内容 均 是 在计 算 机 上 进 行 的

」 晓英 杨

马伟

,

李 济顺

,

等 现 代工 业 工 程 教学 实验 系 统 的 规
自然 科 学 版
,

对 于 混 流装 配 综 合 性 开 放实验
兴 趣 和 积 极性 的主 观能动 性
,

,

学 生 表 现 出极 大 的
。
,

划设计 〔
一

河 南科 技 大 学 学 报

抖

,

表 明这 种 实验 形 式 是 值 得 肯 定 的
变 被 动 学 习 为 主 动学 习
。

徐 」 建一

,

冉 凡 英 可 编程 程 序 控 制 器 引 人 电 工 学 教 学 的体 会
,

应 该 多 提 供学 生 自己 动手 的 机 会 和 场所
,

发 挥学 生

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 在 讲数 字滤 波 器 的设 计 时
、

并分 析 原 因

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
的

窗 口 长 度 和 截 止频 率设 计 出不 同

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
置不 同 的参数

也 可 在 自己 的微机 上 运 行

,

通 过设

,

设计 不 同类 型 的 滤波器

,

对 不 同信

号 进行 滤 波
圈

,

观 测 并 自己 分 析 波形 特性

。

渝 波 前 后时域 波 形 圈和 颇谱 圈

参考 文 献 《
丁玉 美 仁〕
,

高西 全 数 字 信号处 理 【
李博苗 基 于

西安

西安 电 子 科 技 大

实 验仿 真 系统 对课堂 教 学 的帮 助
本 系 统可 使 用 在 《 字 信 号 处 理 》整 个 教 学 数
过程 中
“
。

学 出 版社

楼 【 〕 顺天
、

,

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
,

比如

,

讲 解 信 号 的 抽样

序列 的概 念 时
时
,

,

史良

,

王刚 基于

软件 环 境 的 《 字 信 号 处 数
, ,

可 使 用 信 号 产 生 模 块 和 抽 样 模块作 演 示

在 讲授 用 通过调用

理 》课 程 新实验 开 发 【 了 实 验 技 术 与管 理
一

对信号进行谱分析 内容

”