多层次的数字信号处理实验系统设计与实现

王奎奎 甘辉 郭铁梁 于健海 姚高华 陆晶晶

摘要：针对数字信号处理课程内容多、学时少、学生层次差异、实验内容无法满足工程实践的问题，利用Matlab GUI设计了实验内容逐层递进的数字信号处理交互式实验系统。该实验系统包括基础、拓展和工程应用实验。实验内容由浅到深，由基础到工程实践，将抽象的基础知识点用图形表示，使其更加直观。课堂使用结果表明：该系统交互性较好、操作方便，改善了教学效果，激发了学生的学习兴趣，同时学生的工程实践能力有所提高。

关键词：数字信号处理;Matlab GUI;基础实验;拓展实验;工程实验

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0008-03

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1 引言

数字信号处理是通信工程、电子信息工程专业的专业基础课程。该课程知识体系严谨，基本概念抽象，公式推导烦琐，配套实验内容较为基础，在工程应用实践方面设计内容较少[1-3]。较多高校采取板书教学同时利用Matlab软件完成基础知识的验证性实验。此时虽然学生得到了一定的练习，但是无法真正了解数字信号处理的工程应用，最终导致学生学一门忘一门的境地。所以本文设计了递进型实验仿真系统，基础实验可以完成课堂教学基础知识的验证;拓展实验可以达到数字信号处理的具体应用的验证;工程实验可以满足数字信号处理的工程方面的应用。通过三个递进层次的设计，可以使不同层次的学生完成相应的实验内容，做到因材施教。

2 数字信号处理实验系统设计

2.1 实验系统的基本框架

该实验系统主要包括三种不同层次实验类型，即基础性实验篇、拓展性实验篇、工程性应用篇。基础实验包括：离散系统时频域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换FFT、FIR滤波器的设计;拓展实验包括：通信号调制及其处理、DFT参数对谱分析的影响、加噪正弦信号滤波;工程性应用实验包括：语音信号滤波处理、DTMF电话拨号系统、数字图像处理。如图1所示。

2.2 软件结构设计

该实验系统采用层次化设计，整个系统包括3层，分别为基础性实验、拓展性实验和工程性实验。每一层可分解为多个独立小实验。设计思想采用各层之间逐级调用的方式。系统界面有4层，引导界面（1个），主界面（1个），基本实验模块界面（3个），子实验界面（多个）。其中引导界面包括三个控件，静态文本Static Text控件完成系统名称设计，两个Push Button按鈕完成系统的引导设计，其中“开始”按钮点击后可以进入系统主界面，“退出”按钮可以退出系统，如图2（a）图所示。系统主界面如图2（b），设置了4个按钮，其中基本实验模块按钮3个，“返回”按钮可以返回上一级界面。以工程性应用实验模块为例，在主界面点击“工程性应用”时，进入实验模块界面图2（c），设置了3个子实验，不同的子实验的界面是不同的。如点击数字图像处理实验，可以进入子实验界面完成相应的实验操作如图2（d）所示。

3 实验系统测试

由于设置了较多的子实验，而各个子实验设计方法上类似。所以在3个实验模块中各取一个子实验进行测试。

（1）基础性实验——FIR滤波器及应用。FIR滤波器的设计是数字信号处理课程的重难点，FIR滤波器是用窗函数法来设计[4-5]。

本模块中以矩形窗设计的带通滤波器和哈明窗设计的低通滤波器为例，带通滤波器参数为Fs=300Hz，Fp=100Hz，Fst=60;低通滤波器参数Fs=200Hz，Hp=30Hz;滤波器的阶数N都为40，若Fp和Fst的衰减都接近-6dB滤波器达标，本模块中设计的滤波器都接近-6dB。测试结果如图3（a）和图3（b）所示，可观察到滤波器的幅频响应特性和相频响应特性，该实验结果表明，达到实验预期要求。

FIR滤波器在通信系统中有着许多的用处。比如信号去噪、分离不同频带信号等，在这里以信号去噪为例，展示FIR滤波器在实际应用中的用处。本模块是以叠加不同归一化频率的正弦信号为噪声信号，归一化频率0.1，0.3，0.6，0.8。设计一个低通滤波器，截止频率为0.45，阻带频率为0.5。Rp为1，As为36。设计结果如图4所示，从实验测试结果中的滤波后信号的幅频特性曲线可看出，与原始信号的幅频响应特性曲线对比可知，高频成分被滤除，留下低频成分。因此，该实验测试结果达到了预期要求。

（2）拓展性实验——通信信号调制及其处理

该界面设计运用了FFT知识点对模拟调制和数字调制进行频谱分析，在这里以模拟调制AM和数字调制2FSK为例，实验测试结果如图5所示：

这里以模拟调制中的AM，数字调制中2FSK进行测试。由于在本界面中模拟调制中限定了在显示时间范围2e3内进行采样，这里是以采样频率fs为1e5Hz，调制信号频率为200Hz，载波频率为3200Hz，AM的直流分量A为2。对AM已调信号的频谱进行搬移，AM信号频谱频率成分只包含载频分量、上边带和下边带，将原始信号的频谱搬移到载波的位置上。图5（b）为2FSK调制后的频谱图。

（3）工程性应用实验——数字图像处理[6-8]。数字图像处理主要是进一步巩固fft傅里叶变换，因为图像为二维信号，所以运用了fft2二维傅里叶变换;同时完成了图像灰度化、图像加噪、去噪和旋转。

4 软件打包

以上测试达到了各个界面预期功能后按照设计框架步骤将主界面与各个子界面连接成一个完整的实验系统后，通过Matlab编辑器，可以将Matlab的m文件直接打包为独立可执行的程序应用exe，不需要依赖Matlab的仿真环境[24]，相比来说程序应用exe更加优化。打包时在命令窗口输入“deploytool”点击回车键后弹出compiler界面，点击Application Campiler进去之后再“Add main file”添加主文件，选择Runtime included in package，然后“Files required for your application to run”看全部m文件和所用到的图片是否齐全，点击package进行打包，详细内容如图7所示。

5 结论

基于Matlab GUI的数字信号处理实验系统包含了基础知识、拓展知识和面向工程的工程类实验。同时不同层次的实验，可以满足不同层次的学生进行理论知识验证、知识的拓展和工程类的实践经验;同时该实验平台经过打包生成exe文件，不再受限于Matlab环境，可以解决课程学时少内容多的问题，学生可以在不同的学习环境下进行学习。目前该系统已用于本校数字信号处理课程当中，学生学完理论知识后，可以在课堂上直接进行实验以验证理论知识，大大激发了学生的学习兴趣。

参考文献：

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[3] 饶伟.基于Matlab GUI的数字信号处理教学平台研究[J].贵阳学院学报（自然科学版），2020，15（4）：86-89.

[4] 沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现[J].实验技术与管理，2008，25（2）：88-91.

[5] 马月红，孙晓云，刘素艳.基于Matlab GUI“数字信号处理”实验平台设计[J].电气电子教学学报，2021，43（1）：164-167，171.

[6] 林冬梅，杨富龙，陈晓雷.案例讲解图像傅里叶变换[J].教育现代化，2019，6（70）：211-214.

[7] 朱亚培，龙祖强，刘灿.傅里叶变换在数字图像处理中的教学方法探讨[J].轻工科技，2016，32（2）：165-166.

[8] 曹斌芳，许百灵，李建奇，等.《数字信号处理》课程辅助教学平台的开发和应用探索[J].武汉轻工大学学报，2019，38（4）：94-98，106.

【通联编辑：王力】