數字信號處理課程仿真實驗平臺設計與應用

祁雪梅，黃亞平，董守華

（中國礦業大學資源與地球科學學院，徐州 221116）

數字信號處理課程仿真實驗平臺設計與應用

祁雪梅，黃亞平，董守華

（中國礦業大學資源與地球科學學院，徐州 221116）

針對數字信號處理課程特點及在教學中存在的問題，本文設計了基于MATLAB的課程虛擬仿真實驗教學平臺，內容既有演示性、驗證性的實驗，也有需要學生自主設計的綜合性實驗，可以達到充分調動學生的學習積極性加深對課程內容理解的目的。

虛擬仿真；數字信號處理；實驗教學平臺

1 引言

數字信號處理課程學習效果直接影響到后續課程的學習[1]，學習這門課程有很多困難[2-4]，虛擬仿真實驗教學平臺是隨著虛擬仿真技術的發展而形成的一種重要的教學方式，它可以克服傳統實驗時間和空間上的限制，而且具有較強的互動性，有利于學生更快速、有效的掌握知識[5-9]。

2 虛擬仿真實驗教學平臺設計

2.1 虛擬仿真實驗教學平臺結構圖

數字信號處理虛擬仿真實驗教學平臺結構框圖如圖1所示。信號的采樣與恢復實驗通過對采樣參數的設置和采樣誤差的分析，可以幫助學生理解采樣定理，并學會針對實際應用環境合理的設置采樣參數；信號分析部分包含了四種不同的信號分析方法，通過對比可以讓學生理解不同方法的適用性，并學會根據信號的特點選擇合適的分析方法；信號處理部分包括濾波器設計和濾波器應用兩部分內容，要求學生根據前面信號分析的結果結合自己的專業知識設計濾波器并完成對信號的濾波處理。信號源選擇部分既包括了簡單的正弦信號、比較容易獲得的語音信號，也包括了具有專業特點的專業信號，如平臺中已經設計的地球物理專業的地震信號，并留有擴展接口，可以很方便的引入不同的專業信號。實驗平臺中包含的實驗內容基本涵蓋了數字信號處理課程的所有內容，并將各部分聯系起來，形成了一個完整的實驗平臺，內容既有演示性、驗證性的實驗，也有需要學生自主設計的綜合性實驗，可以達到充分調動學生的學習積極性加深對課程內容理解的目的。

圖1 虛擬仿真實驗教學平臺結構框圖

2.2 虛擬仿真實驗教學平臺實驗內容

虛擬仿真實驗教學平臺主要基于MATLAB平臺進行設計的，設計的宗旨是可以讓學生把精力集中于對課程所學理論知識的理解與應用上，平臺的主界面如圖2所示，點擊平臺主界面上的按鈕可以進入到相應實驗中。

圖2 虛擬仿真實驗教學平臺主界面圖

3 虛擬仿真實驗教學平臺在課程教學中的應用

首次使用實驗平臺需要選擇信號源并對信號進行采樣，在信號的采樣與恢復實驗中會對采樣的數據進行保存，作為后續實驗的數據。數據源根據實際條件可以選擇通過電腦的聲卡采集語音信號或數據采集卡加傳感器采集專業信號，也可以是通過程序生成的虛擬信號。在課程教學過程根據教學內容在實驗平臺中選擇相應的實驗，比如在講到離散傅里葉變換、線性調頻Z變換和短時傅里葉變換的內容時，首先讓學生調用實驗平臺中的信號分析模塊分別兩個信號進行分析：

分析結果分別如圖3和圖4所示，從描述信號的公式和分析結果圖中都可以看出在時間域兩個信號之間差別很大，雖然兩個信號都包含了相同的頻率分量，但是前者是平穩信號各頻率分量出現在信號的整個周期內，而后者是非平穩信號頻率分量則在不同的時間段內出現。三種方法都分析出了信號含有50Hz和200Hz兩種頻率成分，不同的是快速傅立葉變換和線性調頻Z變換對兩個信號的分析結果除了那些毛刺和兩幅圖中各頻率分量的幅值（這些幅值可以做歸一化處理）外基本沒有區別，而短時傅立葉變換的分析結果則可以明顯看出兩個信號的差別。

圖3 信號 分析結果

圖4 信號X2(t)分析結果

此時引導學生結合三種變換的數學公式分析其原因，可以知道傅立葉變換和線性調頻z變換僅僅給出了信號的頻率分量，沒有給出這些頻率分量的出現時間，因此對于非平穩信號而言這兩種變換是不適用的；而短時傅立葉變換的基本思想是在傳統傅立葉變換的框架中，把非平穩信號看成是一系列平穩信號的疊加，其短時性是通過時域上對信號加窗來實現的，并通過一個平移參數來覆蓋整個時域[10-12]。

圖5 不同窗口寬度短時傅立葉變換分析結果

為分析短時傅立葉變換中窗口寬度對分析結果的影響，使用同一窗函數改變窗口寬度參數對信號進行分析，分析結果如圖5所示，明顯看出窗口寬度對分析結果的影響，隨著窗口寬度的增加頻率分辨率在增加，但時間分辨率明顯在降低，極端情況下窗口寬度增加到無窮大也就是不加窗時短時傅立葉變換退化為傅立葉變換，此時頻率分辨率達到最高，而時間分辨率為0。

綜合實驗設計部分適合在講完所有課程內容后進行，需要將整個課程所講知識融會貫通綜合利用。從主界面點擊綜合實驗設計按鈕可以進入到圖6所示的界面。進入界面后實驗第一步選擇待處理信號，這里選擇的信號是經過平臺的信號源選擇和信號的采樣與恢復兩個實驗后以mat數據格式保存在電腦的文件；選定信號后第二步對信號進行頻譜分析，通過觀察信號的頻譜并結合相關專業知識確定有用信號和噪聲信號的頻譜范圍，為第三步濾波器設計做好準備；第三步根據噪聲信號和有用信號的頻譜范圍確定濾波器的類型和濾波參數，設計濾波器；第四步使用第三步中設計的濾波器對信號進行處理，并對比處理前后信號的時間域和頻率域的差異，檢查處理結果是否滿意，滿意則保存數據結束實驗，不滿意則返回第三步重新設計濾波器直至處理結果符合要求。

圖6 綜合實驗設計程序界面

通過綜合實驗設計可以讓學生將課堂中學到的理論知識應用到實際當中，真正達到學以致用的目的，提高他們的分析和解決實際問題的能力。

4 結束語

由于受課時限制數字信號處理課程課堂教學注重于理論公式的推導和證明，而與實際應用的聯系很少或基本沒有，學生在學習課程時普遍反映課程過于抽象，無法將理論與實際應用建立聯系，大大降低了學習積極性，在很大程度上影響了教學效果。數字信號處理虛擬仿真實驗教學平臺涵蓋了整個數字信號處理課程的大部分內容，能夠將抽象的理論知識以直觀的圖像顯示，可以幫助學生理解課堂教學內容，將所學的理論知識應用到實際中去，達到學以致用的目的，有效的提高學習興趣和教學效果。

[1] 程佩青．數字信號處理教程[M]（第二版）．北京：清華大學出版社，2002:1-6

[2] 鄭晶，彭蘇萍，朱國維等．地球物理專業數字信號處理實驗教學的探索[J]．實驗室科學，2013,16(1):80-82

[3] 王祥春．“數字信號處理”教學方法探討[J]．科技創新導報，2010(16):248

[4] 卜凡亮，趙守國，王鎖柱．“數字信號處理”課程研究型教學改革與探索［J］．計算機教育，2009(8): 81－82．

[5] 陳萍，周會超，周虛．構建虛擬仿真實驗教學平臺，探索創新人才培養模式[J]．實驗技術與管理，2011(03):277-280

[6] 王衛國，胡今鴻，劉宏．國外高校虛擬仿真實驗教學教學現狀與發展[J]．實驗室研究與探索，2015,34(5):214-219

[7] 康守強，張珊，朱博等．模塊化多混沌保密通信系統仿真實驗教學平臺設計[J]．實驗技術與管理，2016, 33(8):102-105

[8] 陳萍，周會超，周虛．構建虛擬仿真實驗平臺，探索創新人才培養模式[J]．實驗技術與管理，2011(3):277-280

[9] 蔡大鵬， 譚亮．計算機虛擬仿真實驗教學平臺的實現[J]．軟件導刊（教育技術），2017(01):76-77

[10] 唐向宏，李齊良．時頻分析與小波變換[M]．北京：科學出版社，2008：30-35

[11] 陳玉東．數字信號處理[M]．北京：地質出版社，2014:128-129

[12] 王依愷．基于Chirp-z變換的快速譜峰搜索方法[J]．移動通信，2012,36(14):59-62

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.009

TN911.72文獻標示碼：A

1672-7274（2017）12-0029-03

祁雪梅，女，漢族，1977年生，安徽蕭縣人，副教授，博士，主要研究方向為地球探測與信息技術，地震勘探。