数字信号处理课程仿真实验平台设计与应用

祁雪梅，黄亚平，董守华

（中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116）

数字信号处理课程仿真实验平台设计与应用

祁雪梅，黄亚平，董守华

（中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州 221116）

针对数字信号处理课程特点及在教学中存在的问题，本文设计了基于MATLAB的课程虚拟仿真实验教学平台，内容既有演示性、验证性的实验，也有需要学生自主设计的综合性实验，可以达到充分调动学生的学习积极性加深对课程内容理解的目的。

虚拟仿真；数字信号处理；实验教学平台

1 引言

数字信号处理课程学习效果直接影响到后续课程的学习[1]，学习这门课程有很多困难[2-4]，虚拟仿真实验教学平台是随着虚拟仿真技术的发展而形成的一种重要的教学方式，它可以克服传统实验时间和空间上的限制，而且具有较强的互动性，有利于学生更快速、有效的掌握知识[5-9]。

2 虚拟仿真实验教学平台设计

2.1 虚拟仿真实验教学平台结构图

数字信号处理虚拟仿真实验教学平台结构框图如图1所示。信号的采样与恢复实验通过对采样参数的设置和采样误差的分析，可以帮助学生理解采样定理，并学会针对实际应用环境合理的设置采样参数；信号分析部分包含了四种不同的信号分析方法，通过对比可以让学生理解不同方法的适用性，并学会根据信号的特点选择合适的分析方法；信号处理部分包括滤波器设计和滤波器应用两部分内容，要求学生根据前面信号分析的结果结合自己的专业知识设计滤波器并完成对信号的滤波处理。信号源选择部分既包括了简单的正弦信号、比较容易获得的语音信号，也包括了具有专业特点的专业信号，如平台中已经设计的地球物理专业的地震信号，并留有扩展接口，可以很方便的引入不同的专业信号。实验平台中包含的实验内容基本涵盖了数字信号处理课程的所有内容，并将各部分联系起来，形成了一个完整的实验平台，内容既有演示性、验证性的实验，也有需要学生自主设计的综合性实验，可以达到充分调动学生的学习积极性加深对课程内容理解的目的。

图1 虚拟仿真实验教学平台结构框图

2.2 虚拟仿真实验教学平台实验内容

虚拟仿真实验教学平台主要基于MATLAB平台进行设计的，设计的宗旨是可以让学生把精力集中于对课程所学理论知识的理解与应用上，平台的主界面如图2所示，点击平台主界面上的按钮可以进入到相应实验中。

图2 虚拟仿真实验教学平台主界面图

3 虚拟仿真实验教学平台在课程教学中的应用

首次使用实验平台需要选择信号源并对信号进行采样，在信号的采样与恢复实验中会对采样的数据进行保存，作为后续实验的数据。数据源根据实际条件可以选择通过电脑的声卡采集语音信号或数据采集卡加传感器采集专业信号，也可以是通过程序生成的虚拟信号。在课程教学过程根据教学内容在实验平台中选择相应的实验，比如在讲到离散傅里叶变换、线性调频Z变换和短时傅里叶变换的内容时，首先让学生调用实验平台中的信号分析模块分别两个信号进行分析：

分析结果分别如图3和图4所示，从描述信号的公式和分析结果图中都可以看出在时间域两个信号之间差别很大，虽然两个信号都包含了相同的频率分量，但是前者是平稳信号各频率分量出现在信号的整个周期内，而后者是非平稳信号频率分量则在不同的时间段内出现。三种方法都分析出了信号含有50Hz和200Hz两种频率成分，不同的是快速傅立叶变换和线性调频Z变换对两个信号的分析结果除了那些毛刺和两幅图中各频率分量的幅值（这些幅值可以做归一化处理）外基本没有区别，而短时傅立叶变换的分析结果则可以明显看出两个信号的差别。

图3 信号 分析结果

图4 信号X2(t)分析结果

此时引导学生结合三种变换的数学公式分析其原因，可以知道傅立叶变换和线性调频z变换仅仅给出了信号的频率分量，没有给出这些频率分量的出现时间，因此对于非平稳信号而言这两种变换是不适用的；而短时傅立叶变换的基本思想是在传统傅立叶变换的框架中，把非平稳信号看成是一系列平稳信号的叠加，其短时性是通过时域上对信号加窗来实现的，并通过一个平移参数来覆盖整个时域[10-12]。

图5 不同窗口宽度短时傅立叶变换分析结果

为分析短时傅立叶变换中窗口宽度对分析结果的影响，使用同一窗函数改变窗口宽度参数对信号进行分析，分析结果如图5所示，明显看出窗口宽度对分析结果的影响，随着窗口宽度的增加频率分辨率在增加，但时间分辨率明显在降低，极端情况下窗口宽度增加到无穷大也就是不加窗时短时傅立叶变换退化为傅立叶变换，此时频率分辨率达到最高，而时间分辨率为0。

综合实验设计部分适合在讲完所有课程内容后进行，需要将整个课程所讲知识融会贯通综合利用。从主界面点击综合实验设计按钮可以进入到图6所示的界面。进入界面后实验第一步选择待处理信号，这里选择的信号是经过平台的信号源选择和信号的采样与恢复两个实验后以mat数据格式保存在电脑的文件；选定信号后第二步对信号进行频谱分析，通过观察信号的频谱并结合相关专业知识确定有用信号和噪声信号的频谱范围，为第三步滤波器设计做好准备；第三步根据噪声信号和有用信号的频谱范围确定滤波器的类型和滤波参数，设计滤波器；第四步使用第三步中设计的滤波器对信号进行处理，并对比处理前后信号的时间域和频率域的差异，检查处理结果是否满意，满意则保存数据结束实验，不满意则返回第三步重新设计滤波器直至处理结果符合要求。

图6 综合实验设计程序界面

通过综合实验设计可以让学生将课堂中学到的理论知识应用到实际当中，真正达到学以致用的目的，提高他们的分析和解决实际问题的能力。

4 结束语

由于受课时限制数字信号处理课程课堂教学注重于理论公式的推导和证明，而与实际应用的联系很少或基本没有，学生在学习课程时普遍反映课程过于抽象，无法将理论与实际应用建立联系，大大降低了学习积极性，在很大程度上影响了教学效果。数字信号处理虚拟仿真实验教学平台涵盖了整个数字信号处理课程的大部分内容，能够将抽象的理论知识以直观的图像显示，可以帮助学生理解课堂教学内容，将所学的理论知识应用到实际中去，达到学以致用的目的，有效的提高学习兴趣和教学效果。

[1] 程佩青．数字信号处理教程[M]（第二版）．北京：清华大学出版社，2002:1-6

[2] 郑晶，彭苏萍，朱国维等．地球物理专业数字信号处理实验教学的探索[J]．实验室科学，2013,16(1):80-82

[3] 王祥春．“数字信号处理”教学方法探讨[J]．科技创新导报，2010(16):248

[4] 卜凡亮，赵守国，王锁柱．“数字信号处理”课程研究型教学改革与探索［J］．计算机教育，2009(8): 81－82．

[5] 陈萍，周会超，周虚．构建虚拟仿真实验教学平台，探索创新人才培养模式[J]．实验技术与管理，2011(03):277-280

[6] 王卫国，胡今鸿，刘宏．国外高校虚拟仿真实验教学教学现状与发展[J]．实验室研究与探索，2015,34(5):214-219

[7] 康守强，张珊，朱博等．模块化多混沌保密通信系统仿真实验教学平台设计[J]．实验技术与管理，2016, 33(8):102-105

[8] 陈萍，周会超，周虚．构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J]．实验技术与管理，2011(3):277-280

[9] 蔡大鹏， 谭亮．计算机虚拟仿真实验教学平台的实现[J]．软件导刊（教育技术），2017(01):76-77

[10] 唐向宏，李齐良．时频分析与小波变换[M]．北京：科学出版社，2008：30-35

[11] 陈玉东．数字信号处理[M]．北京：地质出版社，2014:128-129

[12] 王依恺．基于Chirp-z变换的快速谱峰搜索方法[J]．移动通信，2012,36(14):59-62

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.009

TN911.72文献标示码：A

1672-7274（2017）12-0029-03

祁雪梅，女，汉族，1977年生，安徽萧县人，副教授，博士，主要研究方向为地球探测与信息技术，地震勘探。