基于GUI的模擬信號數字處理系統的設計

黃金鳳

摘要：《數字信號處理》這門課程是電子和通信專業的主干課程，涉及的原理和公式比較多，學生掌握和應用難度較大，本文將課程中模擬信號數字處理這部分的內容，通過GUI的可視化操作演示，幫助學生進一步掌握這部分的相關知識點。

關鍵詞：模擬信號數字處理 ；GUI

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0236-03

隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理的理論與應用得到了飛躍式的發展，現在已經形成一門極其重要的獨立學科體系。數字信號處理是利用計算機或專用數字處理設備，采用數值計算的方法對信號進行處理的一門學科，它包括數據采集，以及對信號進行變換、分析、綜合、濾波、估值與識別等加工處理，以便于提取信息和應用。與傳統的模擬處理方法相比較，數字處理具有無法比擬的優點。因此，傳統的模擬信號處理系統正逐步地被數字信號處理系統所取代。相關專業學生在掌握這門課程時，往往對于其中涉及的計算公式和原理感到枯燥乏味，學習積極性不高，針對這種情況，教師在上這門課程時，盡量將原理公式和實際應用相結合，多用圖形等直觀體現，少用計算公式等復雜推導。

本文以模擬信號數字處理理論知識為基礎，以MATLAB的GUI設計為開發平臺，通過GUI的可視化操作演示，幫助學生進一步掌握這部分的相關知識點。

1 基于GUI的模擬信號數字處理系統

1.1 數字處理系統處理模擬信號

數字處理系統處理模擬信號的原理框圖如圖1所示。

在工程實際中，將采樣和量化編碼兩部分集成在一起，稱為模數轉換器，其功能是將模擬信號變換成數字信號。量化編碼器的作用是將采樣得到的每個信號樣值變換成有限位二進制編碼。

隨著計算機和專用數字處理系統的字長不斷增加，模數轉換器的量化誤差、數字處理系統的系統參數量化誤差，以及處理過程中的運算誤差越來越小，如果忽略這些誤差，模數轉換器就與采樣等價，數字處理系統與時域離散系統等價，圖1可以簡化為圖2，即用時域離散系統處理模擬信號的原理方框圖。在工程實際應用中，可以先根據要求設計圖2所示的時域離散系統，再根據對信號處理的精度要求，選取合適的量化位數，對采樣信號和時域離散系統的參數進行量化，就將時域離散系統變成了數字系統。因此本文用GUI實現的是圖2所示的原理框圖。

圖2中，模擬信號的預處理，又稱為預濾波或者前置濾波，濾除輸入模擬信號中無用的頻率成分和噪聲，避免采樣后發生頻譜混疊失真。采樣是將模擬信號轉換成時域離散信號；時域離散系統可以對輸入的信號進行各種運算、變換等。平滑濾波又稱為恢復濾波，作用是將時域離散信號轉換成模擬信號。

2 GUI界面設計

利用MATLAB新建GUI 文件，設計出模擬信號數字處理系統框圖如圖3所示。

對于整個系統的模擬演示如圖4所示。

圖4中，輸入信號表達式為[x（t）=g0.6（t）+sin（12πt）]，其中，矩形信號[g0.6（t）]頻率為3Hz，正弦信號[sin（12πt）]頻率為6Hz；通過模擬低通濾波器進行預濾波，將頻率超過3Hz的信號濾除掉，得到矩形信號[g0.6（t）]；接著對該信號進行采樣，采樣頻率為15，得到時域離散信號[g9（n）]；最后對[g9（n）]進行插值（恢復濾波），還原成原先的矩形信號。

圖3中，當點擊GUI界面各按鈕時，會彈出相應的對話框進行參數選擇與設置，具體操作如下所示。

當點擊輸入信號按鈕時，彈出信號選擇窗口，可以選擇典型信號，也可以自定義信號波形，如圖5所示。當點擊預處理按鈕時，會彈出如圖6所示的對話框，可以輸入模擬低通濾波器的截止頻率，從而對輸入信號進行濾波。當點擊采樣按鈕時，會彈出如圖7所示的對話框，可以輸入采樣頻率，從而將模擬信號轉換成時域離散信號。當點擊恢復濾波按鈕時，會彈出如圖8所示的對話框。對于時域離散系統這個按鈕，可以添加DTFT、DFT、FFT、頻域分析、Z域分析、數字濾波器設計等內容，方便學生邊學邊用。這部分內容本文不詳細闡述。

上述按鈕選擇說明，以自定義信號[x（t）=Sa（t）+sin（12πt）]為例，輸入信號有正弦信號，矩形信號，三角波信號， [Sa（t）]采樣信號和自定義信號，選擇自定義信號，彈出如圖9所示的自定義窗口，進行波形參數設置，波形如圖5所示；對該輸入信號進行預處理，如圖6所示，左邊波形為輸入信號，右邊波形為預濾波后的輸出信號，將正弦信號[sin（12πt）]濾除掉，得到[Sa（t）]信號；接著對[Sa（t）]信號進行采樣，采樣頻率為15Hz，生成如圖7所示的波形；對該波形接著進行插值，恢復出原始的模擬信號，如圖8所示，左圖為待插值的離散序列，右圖為插值后的模擬信號。由圖8所示的恢復結果和圖4所示的對矩形序列進行插值得到的恢復結果進行對比，可以看出，當插值函數采用[Sa（t）]函數進行恢復時，矩形信號的恢復結果和原模擬信號有一定誤差，主要是出現了過渡帶和邊帶波紋，而[Sa（t）]信號的恢復結果與原模擬信號無誤差，我們可以用其他信號進行恢復，最終得出一個結論，當用[Sa（t）]函數進行恢復時，恢復結果波形上會出現過渡帶和邊帶波紋這一特點。

3 結語

通過GUI可視化的操作演示，學生在學習模擬信號數字處理這部分內容時，可以邊學習理論知識，邊將理論知識用MATLAB加以實現，通過GUI設計，可以更宏觀地察看信號之間的處理關系。

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【通聯編輯：唐一東】