基于MATLAB_App_...字信号处理教学辅助系统设计_曾惠霞.pdf
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1、 ,基金项目微型电脑应用 年第 卷第期基金项目:广州城市理工学院(原华南理工大学广州学院)校级高等教育教学改革项目()作者简介:曾惠霞(),女,硕士,讲师,研究方向为信号处理。文章编号:()基于 的数字信号处理教学辅助系统设计曾惠霞(广州城市理工学院,电子信息工程学院,广东,广州 )摘要:针对“数字信号处理”课程概念抽象、公式繁琐的特点,利用 控件多、界面友好、交互性强等特点设计了一款教学辅助系统。包含了数字信号处理课程内容中的常见信号及其运算、傅里叶变换及分析、滤波器设计、综合应用等方面。通过输入参数或修改参数,就能显示相应的响应结果,从而将数字信号处理抽象的数学运算,变成直观的、可视过程,
2、有利于学生增强对理论的理解。设计的程序可添加在 中随时调用,也可形成脱离 环境的可执行文件,经过年在教学演示、实验辅助等方面的应用,取得了良好的效果。关键词:数字信号处理;辅助教学系统;中图分类号:文献标志码:(,):,:;引言“数字信号处理”是一门理论性强、概念抽象、公式繁琐、内容复杂的课程。在教学过程中,学生很难通过教师的语言描述或者课本的图文学习直观理解复杂的理论,理解不了就很难掌握和应用理论。针对这些问题,人们利用 设计的数字信号处理辅助教学平台,或者提出将多生理信号 采 集 与 分 析、语 音 信 号 处 理 等 工 程 案 例 引 入 教学,从而帮助学生更直观的理解基本理论和概念,
3、提高学生学习兴趣,提高教学质量方面都取得不错的成效。本文提出利用 设计的一款数字信号处理辅助教学系统,针对信号采集、信号分析、信号处理的过程,结合数字信号处理课程的特点,将常见信号及其运算、傅里叶变换及分析、滤波器设计、综合应用等功能进行可视化处理。教师用本系统作课堂教学的演示以及用在实验辅助上,现象直观生动,教学更深入浅出、浅显易懂。系统的界面简洁友好、操作简单,实验现象图文并茂,增强了学生的学习兴趣,降低了理解难度,提高了教学效率,达到了激发学生学习兴趣、节省学习时间、增强理解记忆的目的。系统的设计本文基于 开发的系统,将“数字信号处理”过程的理论设计成代码的形式,用户在 界面设置输入参数
4、,实现功能的图像化输出。提供了设计视图和代码视图,设计视图用来放置控件,代码视图进行回调函数的编写,设计视图代码视图区可以切换。系统设计好以后,可以用 软件提 供的“共享”对系统进行打包发布成 形式或者独立的桌面 应用。设计视图本设计采用自顶向下的设计方法,整体框架如图所示。数字信号处理教学辅助系统分为四部分,其中滤波器设计又分 滤波器设计、滤波器设计,综合应用分为语音处理和图像处理。的设计创建步骤如下。()根据需要,确定好需要设计的总体框架,并设计好 的文件和帮助菜单。放置相应的标签设计 的标题,选择选项卡组,可以让每个功能独立一个界面,允许用户在不同的选项卡组之间自由选择。,基金项目微型电
5、脑应用 年第 卷第期图系统的整体框架()布置每个选项卡组界面,放置相应的基本控件并排列美观整洁。放置好控件后通过属性查看器修改控件的大小、形状、背景颜色、字体等属性。()编写控件的回调函数并调试功能。回调函数是实现交互的关键。代码视图如果设计视图进行 框架和外形的设计,那么代码视图特别是回调()函数则是 设计的灵魂,是实现整个设计按键交互功能的关键。具体实现的方法:在设计视图中,选中组件比如按键();然后右键选择添加这个组件的回调函数,进入代码视图,灰色区域代码是在拖入组件后自动生成,不可修改。白色区域是可以编辑的部分,在此处添加代码。中,通过添加回调函数、函数和属性对 进行代码编写。回调函数
6、响应用户交互,例如当点击按钮即执行某些操作。函数可以是实现某些功能的辅助函数,属性是创建了用来存储在回调和函数之间共享数据的变量。函数和属性都分公有和私有。私有函数和属性都是只在 内部使用。系统的实现结合数字信号处理的教学内容和信号处理的基本过程所涉及的概念和原理,分信号及其基本运算、傅里叶变换和分析、滤波器设计、综合应用 个部分介绍本设计的实 现过程。信号及其基本运算由于数字信号是自变量和幅度都是离散的信号,为了能够利用数字系统处理连续时间信号,要对连续时间信号进行抽样,转换成离散时间信号,离散时间信号再进行量化编码得到数字信号。在这一部分,设计了利用 生成所需要的正弦波、方波、锯齿波、离散
7、序列等信号的波形,以及序列的基本运算如相加、相乘、移位、延拓、卷积。界面如图所示,演示的是指数序列 和矩形序列 的卷积的结果。通过设计动态的计算过程,可以直观看到其结果,也可以看到序列的起点和终点、序列长度等,任何复杂的信号都可以转换成为对基本信号的基本运算的分析。图常见信号的认识和序列的基本运算 傅里叶变换和分析信号的傅里叶变换建立了信号的时域和频率的对应关系,信号的频域分析在滤波、检测方面有更加清晰的物理概念。对信号进行频谱分析时,要对信号做傅里叶变换得到信号对应的频谱函数。在实际的研究工作中,计算机采集有限长的序列,根据信号抽样定理可以将四种信号的频谱分析转换成有限长序列的离散傅里叶变换
8、(),用 对连续非周期信号进行近似分析时,会出现混叠、泄露和栅栏现象,这些现象都可以通过本系统进行直观的演示。本设计 以 信 号()为 例,以 抽 样 频 率 分 别 为 、对()进 行 等 间 隔 抽 样,得 到,观察不同抽样频率下的抽样信号 及其幅频特性函数,以及抽样频率和混叠程度的关系。设连续信号为()()()若利用有限长序列的 分析()的傅里叶变换(),要先对()离散化,得到的信号用 表示。为抽样间隔,()()离散信号 的频谱()与连续信号()的频谱()之间的关系:()()()其中,。,基金项目微型电脑应用 年第 卷第期由以上公式可知,抽样信号的频谱函数是原来模拟信号的频谱函数的周期延
9、拓。采样频率 必须大于倍的模拟信号的最大频率。抽样后得到的()才不会发生混叠失真。如图所示,其中采样频率可以通过对话框输入,当输入 时,得到的抽样序列及幅度谱。若输入 以下,开始清楚地看到频谱的混叠较大,随着采样频率的减小,混叠现象加大。图信号的采样及其频率 滤波器设计滤波器设计包含 滤波器和 滤波器,分为低通、高通、带通和带阻。根据给定的滤波器技术指标,设计符合要求的滤波器。滤波器设计窗口按功能可分为两个区域:滤波器设计选择区域,包含滤波器类型、模拟滤波器模型选择及参数设置区域;滤波器波形显示区域显示按输入参数要求设计的滤波器幅度响应特性曲线。数字滤波器,以模拟低通滤波器为基础,模拟滤波器再
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