基于MATLAB的《數字信號處理》實驗教學平臺設計

張勝利 李偉

【摘 要】數字信號處理是一個新的學科領域，其理論與技術是伴隨半導體器件和計算機技術的發展而出現的，現在它己成為一門具有系統基礎理論和廣泛應用的學科。由于數字信號處理這門學科的抽象性，導致它處于一種難教、更難學的境況中。針對該課程抽象難懂、推導繁瑣等特點，利用MATLAB工具開發并設計適合課堂教學的多媒體輔助系統。

【關鍵詞】數字信號；教學平臺；MATLAB

一、課程知識體系歸納

數字信號處理是一門以算法為核心，理論性和實踐性均很強的課程，其基本方法和原理己廣泛應用于數字信息處理的各個領域，因此教師教好和學生學好這門課程都非常重要。為了設計一個更合理的實驗平臺，系統將分模塊進行設計。在兼顧系統性和全面性的原則下，將課程歸納以下幾個知識點：1.離散系統的時域分析：序列、線性時不變系統、差分方程、離散卷積、因果性和穩定性。2.離散系統的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、離散系統的系統函數。3.離散信號的傅氏分析：離散傅立葉級數、DFT、循環卷積、FFT、快速卷積、利用FFT的數字譜分析（混疊現象、泄漏效應、柵欄效應）。4.數字濾波器：數字濾波器的實質、IIR數字濾波器的設計（沖激響應不變法、雙線性變換法、頻帶變換），FIR數字濾波器的設計（線性相位、窗口法、頻率采樣法）、數字濾波器的實現結構。5.數字信號處理器和應用。

二、實驗平臺結構及特點

（一）試驗平臺的結構

本實驗平臺按照課程知識點分布，按照模塊進行設計。主要的仿真實驗模塊有：1.基本信號的產生模塊；2.序列基本運算模塊；3.序列的離散傅里葉變換模塊；4.Z變換的計算模塊；5.濾波器設計模塊與音頻信號分析模塊，本模塊對一段語音信號進行采樣、頻譜分析、模擬傳輸、數字濾波和還原，通過時頻域分析觀察信號在各個過程中的變化，讓大家理解數字信號處理的基本應用。

（二）系統的特點

本實驗系統主要是用來輔助教學，系統按模塊將書本知識進行了歸類整合，這樣有利于對學生本門課知識體系的構建，能夠讓學生通過實驗了解知識點結構，通過實驗掌握和理解基本理論。在最后特地設計了一個信號仿真程序，對信號進行仿真處理，這樣學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、實驗平臺的實現

（一）系統的整體界面設計

本系統設計利用MATLAB的GUIDE工具箱設計并實現了信號處理的圖形界面GUI，設計主界面、子界面。界面以按鈕、可編輯文本框、靜態文本框、命令按鈕等構成，可以方便使用，結果直觀。

（二）各模塊的設計與功能演示

1.主界面與菜單設計

本實驗系統設計時，引導界面中不使用菜單，主界面中將所有實驗項目做成菜單的形式，只要通過選擇相應的菜單選項，就可以進入該實驗。

本設計過程中直接使用了Menu Editor來設計菜單，在該編輯器中Label屬性是用于設置菜單的名稱，Tag屬性是用于標記菜單。

2.數字濾波器設計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入濾波與語音分析總界面。

進入此界面以后，可以選擇相應的數字濾波器，系統將會根據相應的設置設計一個濾波器。在運行階段，首先可以預先聽到加入噪聲之前的音頻信號，然后系統將會分別繪制加入高斯白噪聲信號經過濾波器前后的時域波形，同時繪制出雙線性變換法設計的巴特沃斯低通濾波器的頻率響應函數。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，方便理解。

四、總結

利用該實驗平臺，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生能夠在學習理論的同時直觀地看到理論中包含的物理與現實意義，這樣可以啟發學生的思維，培養學生學習興趣，實施形象教學。