基于MATLAB GUI的數字信號處理實驗仿真平臺設計分析

丁睿 甘金來 陳浩

【摘? ? 要】新時代發展背景下，數字信號處理在數字通信、計算機、人工智能等多個領域被廣泛應用，扮演著重要角色，發揮了至關重要的作用。本文主要利用MATLAB GUI設計數字信號處理實驗仿真平臺，幫助大家更加深刻的理解和研究，提升相關設計應用能力。

【關鍵詞】MATLAB GUI? 數字信號處理? 實驗仿真平臺? 設計分析

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.20.066

基于MATLAB強大的圖形用戶界面結合多樣的數字信號處理工具箱，創新設計開發出的數字信號處理實驗仿真平臺，能為用戶提供更加優質的服務。

一、MATLAB特點及應用優勢

（一）特點

MATLAB屬于當前流行的科學計算語言之一，具有高性能的科學計算語言，集數據可視化、程序設計、計算于一體，能夠采用用戶熟悉了解的數字符號展示相關復雜問題和解決方案，對其進行靈活應用過程中，促進程序轉變得更加簡短。MATLAB具有結構化的控制語句，同時具有面向對象編程的特點，編寫完成的程序具有良好的可移植性，幾乎不進行修改就能在不同型號計算機和操作系統上順利運行。[1]MATLAB自身的工具箱具有強大功能，主要包含功能性和學科性工具箱，前者主要擴充其符號計算、圖示建模仿真、文字處理、硬件實時交互等功能;后者呈現出較強的專業性，主要通過相關領域學術水平較高的專家編寫，用戶不需要編寫相關學科范圍的基礎程序，直接開展研究。另外，MATLAB源程序展現出良好的開放性，其核心和工具箱文件都是可讀可修改的源文件。用戶在實際應用過程中，能夠結合自身的實際需求，適當修改源文件，增加自己需要的文件形成新的工具箱，具有強大的圖形功能，數據的可視化比較簡單，有利于二維、三維圖的繪制。

（二）優勢

伴隨信息時代的到來，數字化和智能網絡化迅速發展。人們在日常工作和生活中遇到電視、導航和廣播等多種類型的信號，包含數字和模擬信號。MATLAB平臺屬于商業化計算軟件，支持鏈接庫模塊封裝，具有高質量和效率編程的特點。用戶可以借助MATLAB平臺簡單的控制C語言，提升質效。同時，MATLAB平臺可以在人機交互過程中為用戶帶來良好的體驗，該平臺操作界面將命令窗口集成一體，促進用戶更加便捷的操作應用。用戶在編寫代碼的過程中，該平臺能夠為其提供高級模塊和專業工具箱。[2]另外，MATLAB平臺具有強大的圖形處理能力，針對相關信息數據實現可視化處理，采用圖表的方式更加直觀全面的展示，顯示矩陣和向量數據，發揮MATLAB平臺可視化應用功能的最大利用價值。同時，能夠支持更加高級的圖形應用，實現軟件和圖形的對話，支持用戶采用第三方工具有效拓展該平臺的相關使用功能，全面提升平臺便利程度。

二、數字信號處理實驗仿真平臺結構分析

該平臺的設計主要為用戶提供交互式的用戶界面，有利于用戶在實踐過程中充分發揮該平臺的重要作用，將數字信號處理的相關專業基礎理論和方法采用動態演示的方式更加全面清晰的展示給用戶。同時通過用戶的實踐操作和自主編程更好的驗證多種實驗現象，讓用戶更加深刻的理解和掌握基礎理論，提高應用效果。實驗仿真平臺設計過程中，其內容主要包含演示和實驗兩大類型，尤其是還按照用戶的認知規律詳細劃分成驗證性和設計性實驗。實驗仿真平臺從結構上分成基礎知識演示、驗證和設計性實驗模塊，全面涵蓋數字信號處理的關鍵教學內容?；A知識演示模塊主要在課程教學的課堂上進行演示，將抽象性、理論性強的專業知識內容采用仿真演示形象化、具體化，能有效增強用戶學習熱情和積極性。[3]驗證性實驗模塊主要在數字信號處理基礎理論知識驗證教學中應用，加深用戶的理解和記憶。設計性實驗模塊主要在用戶自主選擇參數設計濾波器中應用，能有效提升用戶解決問題和設計應用等能力。

三、數字信號處理實驗仿真平臺設計實現

MATLAB屬于商業軟件，主要用于算法開發、數據可視化、數值計算和數據分析的高級技術計算語言、交互式的集成環境。其編程簡單，具有強大功能，在相關工程領域中被廣泛應用，獲得了理想的應用效果，并且包含圖形用戶界面工具，設計簡潔靈活，有利于更好的進行人機交互。下面主要基于MATLAB GUI設計實現數字信號處理試驗仿真平臺進行相關分析。

（一）平臺整體框架

數字信號處理實驗仿真平臺系統中以數字信號處理課程中的關鍵知識點為主，有效實現信號量化、編碼、解調、誤碼率分析、窗函數和濾波器處理。針對信號進行相關處理，更加生動直觀的展現系統對信號處理過程，提高用戶對數字信號處理的學習興趣。該平臺系統主要包含基礎流程、誤碼率、序列圖形、頻譜分析、窗函數和濾波器幾大模塊，同時不同模塊相對應的操作界面不同，各個界面具有自身所需功能。[4]基于MATLAB語言進行GUI編程，迅速有效繪制數字信號處理的具體圖形，全面展示出數字信號處理過程中圖形的實際變化情況。

（二）主界面設計

數字信號處理實驗仿真平臺包含不同實驗GUI界面，其中主界面設計主要由登錄和演示實驗主界面兩部分構成。登錄界面設計兩個按鈕，電機“進入系統”按鈕，輸入賬號和密碼，直接進入到演示實驗主界面，之后點擊“退出系統”按鈕，進而有效關閉整個系統。演示和實驗主界面中包含詳細的實驗內容設計成菜單項。用戶登錄系統進入演示與實驗主界面之后，選擇相對應的實驗內容菜單項，進而順利進入實驗模塊對應的子界面，之后點擊“退出實驗”菜單，有效關閉演示實驗主界面直接返回到登錄界面。

（三）模塊設計

1.基礎知識演示。

相關設計人員在采用GUI設計基礎姿勢演示模塊的過程中，該菜單項主要包括序列產生、傅里葉變換和基礎性質的菜單項。用戶選擇序列產生菜單，能夠直接進入到典型序列產生、基本運算子界面，能夠有效實現典型序列的產生，如正弦、矩形、階躍等，同時實現基礎運算的演示。[5]用戶選擇系列傅里葉變換與基礎性質菜單項，能夠直接進入到系列傅里葉變換與基礎性質的子界面。該界面的圖形窗口整體包含左右兩個部分，左半部分主要對應離散傅里葉變換及性質參數選擇區域，右半部分為波形顯示區域。

左側參數選擇區域主要包含序列及其頻譜，用戶在應用過程中按下對象的按鈕能夠一次在右側波形顯示區域顯示出斜坡序列x（n）時域波形，其長度為8、序列連續頻譜DTFT的幅度譜、序列4點DFT和8點DFT的幅度譜，更好的演示了離散譜DFT和序列連續譜DTFT之間的關系，展示了DFT的物理意義。參數選擇區域還包含循環移位和循環卷積性質，前者主要采用動畫的方式演示DFT的循環移位過程，有效增強用戶對循環的正確認識。后者主要是用戶按下相應按鈕和選擇單選框的組合操作時，在基礎知識演示模塊右側波形顯示區域上方展示參與卷積的兩個序列及其各自的DFT，下方展示出相對應的循環卷積序列及其DFT，有效幫助用戶從實質上掌握循環卷積性質。

2.設計型實驗模塊。

實驗仿真平臺模塊主要包含IIR和FIR濾波器設計實驗。用戶單擊“IIR濾波器設計”按鈕，打開其運行界面，點擊“FIR濾波器設計”按鈕，直接打開FIR濾波器設計運行界面。我們結合“IIR濾波設計”為例進行分析，該設計窗口按照使用功能進行分析，主要包含左側濾波器設計選擇區域：濾波器類型、設計方法選擇及參數設置;右邊為波形顯示區域，主要更加直觀形象的顯示按照參數標準的設計濾波器損耗特性曲線，測試信號及其頻譜、濾波輸出信號。

用戶在實踐操作過程中，需要按照以下步驟：第一，產生呈現出加性噪聲的信號、顯示信號及其頻譜。第二，結合頻譜和目標信號頻譜的實際特性，明確濾波器設計類型，同時在IIR Filter Type按鈕組中進行針對性的選擇。第三，正確選擇模擬濾波器設計方法，在參數選擇區文本框中相對應的輸入計算獲得的截止頻率、衰減指標。之后按下IIR Filter Type按鈕，在右邊波形顯示區域清晰的展現出濾波器幅度損耗特性曲線，并且展現出測試信號經濾波器的輸出曲線。由此得知，設計的低通橢圓濾波器能夠更加符合文本框中設定參數要求，進而有效的從含噪信號中提取相關有用信號。用戶完成相關操作按下“Close”按鈕，關閉當前圖形顯示窗口，直接返回到主界面。設計型實驗模塊能夠有效融合設計和應用，有利于用戶濾波器設計能力和靈活應用等綜合能力的提升。

設計人員為了更加直觀的展現出數字濾波器應用、語音信號濾波降噪效果，可以在造成菜單欄下指定相應的信號特定噪聲。同時在音效菜單項中針對原始信號實現“回聲”“重金屬”等相關音效處理，進行順利播放。用戶在使用過程中，可以結合實際需求調整參數，更改幅值，獲得相應的語音信號。另外，濾波器設計過程中，設置參數不同，對濾波器幅頻響應曲線的改變產生直接影響，同時和濾波后信號波形和播放語言效果具有直接關系。用戶調整參數，能夠在平臺系統上觀察相關改變，獲得更加直觀的認識，同時根據語言信號頻譜圖、濾波器幅度響應曲線，更好地了解濾波器頻譜參數正確設置方法，有效提升用戶對數字濾波器設計和應用的能力。

3.驗證型實驗模塊設計。

該實驗模塊主菜單主要包含系統穩定性分析、頻域和時域抽樣這三個實驗，實驗設計中又都設定相應的“實驗要求”、“試驗運行”子菜單。用戶在應用過程中，單擊“實驗指導”就能夠利用WORD服務器打開實驗的實驗指導書文檔，便于用戶預先瀏覽，為相關實驗活動開展進行針對性的有效預熱做準備。同時單擊“實驗運行”菜單項，能夠打開相關實驗運行界面，對用戶開展實驗進行科學有效的指導。

實驗仿真平臺的驗證型實驗模塊是對主菜單中系統穩定性分析，主要在系統響應確定和穩定性的分析中有效應用。用戶可以應用卷積法和濾波器兩種方法實現系統響應的確定，不同方法相對應一個面板區，面板中包含相應的按鈕和文字描述。卷積法確定系統響應，用戶點擊“單位樣值響應”“輸入信號”按鈕，在右邊區域顯示出相對應的時域波形，接著點擊“系統響應”按鈕，能夠利用卷積法計算系統的零狀態響應，進而在右邊區域有效現實波形，展現出詳細運行結果。另外，系統穩定性分析區域，相同系統設定兩個不同輸入的情況下，采用時域波形結果的對比分析，有效判定系統是否穩定，進而將穩定的抽象概念生動形象的展示給用戶，便于用戶對穩定這一概念更深刻的理解和正確認知。[6]

驗證型實驗主菜單中時域抽樣實驗，主要通過下拉列表框選擇相應的抽樣頻率，詳細觀察抽樣信號及其頻譜和原連續信號及其頻譜之間的關系，更好的掌握時域和頻域之間的對應關系。

四、結束語

基于MATLAB GUI的數字信號處理實驗仿真平臺，在數字信號處理中發揮的重要作用，包含設計相應的主界面和實驗平臺模塊，充分發揮基礎知識演示、驗證型實驗和設計型實驗模塊的重要優勢，幫助用戶更加深層次的理解和掌握該課程抽象基礎理論和概念，同時提升用戶綜合應用能力，獲得理想的實踐成效。

參考文獻

[1]胡新艷，霍文曉，車曉巖，等.基于MATLAB GUI的數字信號處理實驗仿真平臺設計[J].電子技術與軟件工程，2019（8）：002.

[2]黃婷婷，馮鋒.基于Matlab GUI的數字信號處理仿真系統研究與設計[J].無線互聯科技，2019（9）：003.

[3]張麗麗，陳福佳，牛群.基于MATLAB GUI的數字濾波仿真平臺設計[J].計算機科學與應用，2021（4）：011.

[4]黃婷婷，馮鋒.基于MatIab GUI的數字信號處理仿真系統研究與設計[J].無線互聯科技，2019（09）：026.

[5]李俊、張淑玲、帥晶.基于Matlab GUI界面的數字信號處理輔助教學系統[J].信息通信，2020（8）：002.

[6]肖菊蘭.數字信號處理虛擬實驗平臺在教學中的應用[J].成都工業學院學報，2019（1）：005.