基于MATLAB GUI的数字信号处理实验仿真平台设计分析

丁睿 甘金来 陈浩

【摘    要】新时代发展背景下，数字信号处理在数字通信、计算机、人工智能等多个领域被广泛应用，扮演着重要角色，发挥了至关重要的作用。本文主要利用MATLAB GUI设计数字信号处理实验仿真平台，帮助大家更加深刻的理解和研究，提升相关设计应用能力。

【关键词】MATLAB GUI  数字信号处理  实验仿真平台  设计分析

中图分类号：TP3      文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.20.066

基于MATLAB强大的图形用户界面结合多样的数字信号处理工具箱，创新设计开发出的数字信号处理实验仿真平台，能为用户提供更加优质的服务。

一、MATLAB特点及应用优势

（一）特点

MATLAB属于当前流行的科学计算语言之一，具有高性能的科学计算语言，集数据可视化、程序设计、计算于一体，能够采用用户熟悉了解的数字符号展示相关复杂问题和解决方案，对其进行灵活应用过程中，促进程序转变得更加简短。MATLAB具有结构化的控制语句，同时具有面向对象编程的特点，编写完成的程序具有良好的可移植性，几乎不进行修改就能在不同型号计算机和操作系统上顺利运行。[1]MATLAB自身的工具箱具有强大功能，主要包含功能性和学科性工具箱，前者主要扩充其符号计算、图示建模仿真、文字处理、硬件实时交互等功能;后者呈现出较强的专业性，主要通过相关领域学术水平较高的专家编写，用户不需要编写相关学科范围的基础程序，直接开展研究。另外，MATLAB源程序展现出良好的开放性，其核心和工具箱文件都是可读可修改的源文件。用户在实际应用过程中，能够结合自身的实际需求，适当修改源文件，增加自己需要的文件形成新的工具箱，具有强大的图形功能，数据的可视化比较简单，有利于二维、三维图的绘制。

（二）优势

伴随信息时代的到来，数字化和智能网络化迅速发展。人们在日常工作和生活中遇到電视、导航和广播等多种类型的信号，包含数字和模拟信号。MATLAB平台属于商业化计算软件，支持链接库模块封装，具有高质量和效率编程的特点。用户可以借助MATLAB平台简单的控制C语言，提升质效。同时，MATLAB平台可以在人机交互过程中为用户带来良好的体验，该平台操作界面将命令窗口集成一体，促进用户更加便捷的操作应用。用户在编写代码的过程中，该平台能够为其提供高级模块和专业工具箱。[2]另外，MATLAB平台具有强大的图形处理能力，针对相关信息数据实现可视化处理，采用图表的方式更加直观全面的展示，显示矩阵和向量数据，发挥MATLAB平台可视化应用功能的最大利用价值。同时，能够支持更加高级的图形应用，实现软件和图形的对话，支持用户采用第三方工具有效拓展该平台的相关使用功能，全面提升平台便利程度。

二、数字信号处理实验仿真平台结构分析

该平台的设计主要为用户提供交互式的用户界面，有利于用户在实践过程中充分发挥该平台的重要作用，将数字信号处理的相关专业基础理论和方法采用动态演示的方式更加全面清晰的展示给用户。同时通过用户的实践操作和自主编程更好的验证多种实验现象，让用户更加深刻的理解和掌握基础理论，提高应用效果。实验仿真平台设计过程中，其内容主要包含演示和实验两大类型，尤其是还按照用户的认知规律详细划分成验证性和设计性实验。实验仿真平台从结构上分成基础知识演示、验证和设计性实验模块，全面涵盖数字信号处理的关键教学内容。基础知识演示模块主要在课程教学的课堂上进行演示，将抽象性、理论性强的专业知识内容采用仿真演示形象化、具体化，能有效增强用户学习热情和积极性。[3]验证性实验模块主要在数字信号处理基础理论知识验证教学中应用，加深用户的理解和记忆。设计性实验模块主要在用户自主选择参数设计滤波器中应用，能有效提升用户解决问题和设计应用等能力。

三、数字信号处理实验仿真平台设计实现

MATLAB属于商业软件，主要用于算法开发、数据可视化、数值计算和数据分析的高级技术计算语言、交互式的集成环境。其编程简单，具有强大功能，在相关工程领域中被广泛应用，获得了理想的应用效果，并且包含图形用户界面工具，设计简洁灵活，有利于更好的进行人机交互。下面主要基于MATLAB GUI设计实现数字信号处理试验仿真平台进行相关分析。

（一）平台整体框架

数字信号处理实验仿真平台系统中以数字信号处理课程中的关键知识点为主，有效实现信号量化、编码、解调、误码率分析、窗函数和滤波器处理。针对信号进行相关处理，更加生动直观的展现系统对信号处理过程，提高用户对数字信号处理的学习兴趣。该平台系统主要包含基础流程、误码率、序列图形、频谱分析、窗函数和滤波器几大模块，同时不同模块相对应的操作界面不同，各个界面具有自身所需功能。[4]基于MATLAB语言进行GUI编程，迅速有效绘制数字信号处理的具体图形，全面展示出数字信号处理过程中图形的实际变化情况。

（二）主界面设计

数字信号处理实验仿真平台包含不同实验GUI界面，其中主界面设计主要由登录和演示实验主界面两部分构成。登录界面设计两个按钮，电机“进入系统”按钮，输入账号和密码，直接进入到演示实验主界面，之后点击“退出系统”按钮，进而有效关闭整个系统。演示和实验主界面中包含详细的实验内容设计成菜单项。用户登录系统进入演示与实验主界面之后，选择相对应的实验内容菜单项，进而顺利进入实验模块对应的子界面，之后点击“退出实验”菜单，有效关闭演示实验主界面直接返回到登录界面。

（三）模块设计

1.基础知识演示。

相关设计人员在采用GUI设计基础姿势演示模块的过程中，该菜单项主要包括序列产生、傅里叶变换和基础性质的菜单项。用户选择序列产生菜单，能够直接进入到典型序列产生、基本运算子界面，能够有效实现典型序列的产生，如正弦、矩形、阶跃等，同时实现基础运算的演示。[5]用户选择系列傅里叶变换与基础性质菜单项，能够直接进入到系列傅里叶变换与基础性质的子界面。该界面的图形窗口整体包含左右两个部分，左半部分主要对应离散傅里叶变换及性质参数选择区域，右半部分为波形显示区域。

左侧参数选择区域主要包含序列及其频谱，用户在应用过程中按下对象的按钮能够一次在右侧波形显示区域显示出斜坡序列x（n）时域波形，其长度为8、序列连续频谱DTFT的幅度谱、序列4点DFT和8点DFT的幅度谱，更好的演示了离散谱DFT和序列连续谱DTFT之间的关系，展示了DFT的物理意义。参数选择区域还包含循环移位和循环卷积性质，前者主要采用动画的方式演示DFT的循环移位过程，有效增强用户对循环的正确认识。后者主要是用户按下相应按钮和选择单选框的组合操作时，在基础知识演示模块右侧波形显示区域上方展示参与卷积的两个序列及其各自的DFT，下方展示出相对应的循环卷积序列及其DFT，有效帮助用户从实质上掌握循环卷积性质。

2.设计型实验模块。

实验仿真平台模块主要包含IIR和FIR滤波器设计实验。用户单击“IIR滤波器设计”按钮，打开其运行界面，点击“FIR滤波器设计”按钮，直接打开FIR滤波器设计运行界面。我们结合“IIR滤波设计”为例进行分析，该设计窗口按照使用功能进行分析，主要包含左侧滤波器设计选择区域：滤波器类型、设计方法选择及参数设置;右边为波形显示区域，主要更加直观形象的显示按照参数标准的设计滤波器损耗特性曲线，测试信号及其频谱、滤波输出信号。

用户在实践操作过程中，需要按照以下步骤：第一，产生呈现出加性噪声的信号、显示信号及其频谱。第二，结合频谱和目标信号频谱的实际特性，明确滤波器设计类型，同时在IIR Filter Type按钮组中进行针对性的选择。第三，正确选择模拟滤波器设计方法，在参数选择区文本框中相对应的输入计算获得的截止频率、衰减指标。之后按下IIR Filter Type按钮，在右边波形显示区域清晰的展现出滤波器幅度损耗特性曲线，并且展现出测试信号经滤波器的输出曲线。由此得知，设计的低通椭圆滤波器能够更加符合文本框中设定参数要求，进而有效的从含噪信号中提取相关有用信号。用户完成相关操作按下“Close”按钮，关闭当前图形显示窗口，直接返回到主界面。设计型实验模块能够有效融合设计和应用，有利于用户滤波器设计能力和灵活应用等综合能力的提升。

设计人员为了更加直观的展现出数字滤波器应用、语音信号滤波降噪效果，可以在造成菜单栏下指定相应的信号特定噪声。同时在音效菜单项中针对原始信号实现“回声”“重金属”等相关音效处理，进行顺利播放。用户在使用过程中，可以结合实际需求调整参数，更改幅值，获得相应的语音信号。另外，滤波器设计过程中，设置参数不同，对滤波器幅频响应曲线的改变产生直接影响，同时和滤波后信号波形和播放语言效果具有直接关系。用户调整参数，能够在平台系统上观察相关改变，获得更加直观的认识，同时根据语言信号频谱图、滤波器幅度响应曲线，更好地了解滤波器频谱参数正确设置方法，有效提升用户对数字滤波器设计和应用的能力。

3.验证型实验模块设计。

该实验模块主菜单主要包含系统稳定性分析、频域和时域抽样这三个实验，实验设计中又都设定相应的“实验要求”、“试验运行”子菜单。用户在应用过程中，单击“实验指导”就能够利用WORD服务器打开实验的实验指导书文档，便于用户预先浏览，为相关实验活动开展进行针对性的有效预热做准备。同时单击“实验运行”菜单项，能够打开相关实验运行界面，对用户开展实验进行科学有效的指导。

实验仿真平台的验证型实验模块是对主菜单中系统稳定性分析，主要在系统响应确定和稳定性的分析中有效应用。用户可以应用卷积法和滤波器两种方法实现系统响应的确定，不同方法相对应一个面板区，面板中包含相应的按钮和文字描述。卷积法确定系统响应，用户点击“单位样值响应”“输入信号”按钮，在右边区域显示出相对应的时域波形，接着点击“系统响应”按钮，能够利用卷积法计算系统的零状态响应，进而在右边区域有效现实波形，展现出详细运行结果。另外，系统稳定性分析区域，相同系统设定两个不同输入的情况下，采用时域波形结果的对比分析，有效判定系统是否稳定，进而将稳定的抽象概念生动形象的展示给用户，便于用户对稳定这一概念更深刻的理解和正确认知。[6]

验证型实验主菜单中时域抽样实验，主要通过下拉列表框选择相应的抽样频率，详细观察抽样信号及其频谱和原连续信号及其频谱之间的关系，更好的掌握时域和频域之间的对应关系。

四、结束语

基于MATLAB GUI的数字信号处理实验仿真平台，在数字信号处理中发挥的重要作用，包含设计相应的主界面和实验平台模块，充分发挥基础知识演示、验证型实验和设计型实验模块的重要优势，帮助用户更加深层次的理解和掌握该课程抽象基础理论和概念，同时提升用户综合应用能力，获得理想的实践成效。

参考文献

[1]胡新艳，霍文晓，车晓岩，等.基于MATLAB GUI的数字信号处理实验仿真平台设计[J].电子技术与软件工程，2019（8）：002.

[2]黄婷婷，冯锋.基于Matlab GUI的数字信号处理仿真系统研究与设计[J].无线互联科技，2019（9）：003.

[3]张丽丽，陈福佳，牛群.基于MATLAB GUI的数字滤波仿真平台设计[J].计算机科学与应用，2021（4）：011.

[4]黄婷婷，冯锋.基于MatIab GUI的数字信号处理仿真系统研究与设计[J].无线互联科技，2019（09）：026.

[5]李俊、张淑玲、帅晶.基于Matlab GUI界面的数字信号处理辅助教学系统[J].信息通信，2020（8）：002.

[6]肖菊蘭.数字信号处理虚拟实验平台在教学中的应用[J].成都工业学院学报，2019（1）：005.