《数字信号处理》可视化平台设计

来源:用户上传      作者:刘倩

　　摘要：针对数字信号处理课程公式繁多，内容晦涩难懂，文章设计了基于MATLAB GUI的数字信号处理课程可视化平台设计。平台设计的界面里包含着主界面和子界面，内容包括离散系统的时域和频域的分析，快速傅里叶（FFT）变换，有限长脉冲响应（FIR）和无限长脉冲响应（IIR）数字滤波器四大模块，涉及数字信号处理课程的主要内容。该系统有良好的交互性和可扩展性，实践证明，该平台的使用增强学习数字信号处理的效果。
　　关键词：数字信号处理;图形用户界面;交互性
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）01-0044-02
　　数字信号处理是全世界范围内广泛要求学习的信息类学科的基础课，主要通过数学手段对信号进行分析和处理，达到优于模拟信号的传输和储存的目的。现在用于通信、航天、地质、控制和生物医药等多个领域。但是该课程的特点是公式繁多，推导复杂，概念难以理解，所以学生掌握起来会有非常大的困难。本文研究的是数字信号处理平台的GUI设计，运用MATLAB GUI完成教学和实验两大主要部分的界面的设计。在教学界面部分，用下拉菜单添加了数字信号处理所有的课件;在实验界面部分，实现了数字信号处理的教学中的主要实验。
　　1平台设计的框架
　　根据数字信号处理课程的内容，本文的设计平台主要设计四大模块，包括离散系统的时域和频域的分析，快速傅里叶（Frr）变换，有限长脉冲响应（FTR）和无限长脉冲响应（IIR）数字滤波器。在平台设计时，通过仿真界面观察绘制出实验仿真图像，进行直观地对比和分析，深刻理解和总结数字信号处理的理论知识。为了遵循尽量简洁的原则采用了树状的设计结构，最上层是登录界面，输入的信息确认符合后，进入主界面，四大实验模块都放在主界面下，通过主界面调用各个子界面，并通过点击按钮可返回到上级界面。图1所示是平台的界面设计的主体结构图。
　　其中，离散信号时域和频域分析子界面设计包括基本时间离散信号的生成、基本離散信号的运算、采样、内插、线性卷积、LSI系统的时域响应、系统的零极点分析、系统的频率响应、系统的单位脉冲响应等子界面;快速傅里叶变换子界面包括离散傅里叶变换和快速傅里叶变换子界面;有限长脉冲响应数字滤波器子界面包括窗函数设计法和等波纹最佳逼近法两种设计方法，还添加了两种方法设计滤波器的验证界面;无限长脉冲响应数字滤波器子界面包括脉冲响应不变法和双线性变换法两种设计方法。
　　2平台测试与仿真
　　2.1平台主界面
　　在登录界面设计时使用了可编辑文本框，分别获得“名字”和“学号”的输入信息;使用了两个按钮“确定”和“取消”，“确定”按钮进入主界面，“取消”按钮关闭登录界面;判断符合进入信息要求时可以进入主界面，不符合信息要求时，界面将会报错，提示“请输入正确信息”。如图2所示就是登录界面。
　　为了方便课堂教学和演示使用，在主界面设计时，添加了“授课”和“实验”两个主菜单，在“授课”菜单下，可以打开课堂使用的PPT文件;而“实验”菜单下可以选择四大实验模块中不同的实验，完成课堂教学。
　　2.2平台仿真测试
　　1）离散信号时域和频域分析界面的测试
　　离散信号时域和频域分析子界面设计包括“基本时间离散信号的生成”“基本离散信号的运算”“卷积采样内插”和“离散信号频域分析”子界面。其中，“离散信号的生成”中包括生成单位脉冲序列、阶跃序列、矩形序列、正弦序列，指数序列等基础的离散信号;“基本离散信号的运算”包括序列的加法、乘法、移位、翻转和尺度变换等基础的序列运算;“卷积采样内插”实现了序列的采样、内插和卷积运算，;“离散信号频域分析”完成了时域脉冲响应、零极点分析、频域脉冲响应和单位脉冲响应等。
　　其中，在“卷积采样内插”子界面中，实现了采样、内插和卷积运算。首先通过主界面进入子界面，如图3所示就是实现卷积、采样和内插功能的界面。
　　2）快速傅里叶变换（FFT）界面的测试
　　时域离散信号的频域仍然是连续函数，要想在频域也进行数字化处理，就需要将频率域离散化，而DFT就是将有限长的时域离散信号的频域也离散化的运算，而FFT就是DFT快速算法中性能优良的运算方法，所以设计了DFT和FFT两个实验演示子界面。
　　如图4所示为DFT设计界面，其中，信号的输入可以通过panel进行修改，用来分析不同信号的频域特征;通过输入不同的N1，N2值，改变DFT的点数，观察频域的变化，便于学生的理解。
　　3）有限长脉冲响应（FIR）数字滤波器界面的测试
　　数字滤波器的设计是数字信号处理课程中的重点和难点部分。在FIR滤波器设计界面中，包括了窗函数设计法和等波纹逼近法，并设置了窗函数法和等波纹法的功能验证部分。图5所示就是FIR数字滤波器窗函数实现法子界面。
　　界面中最上面有两个下拉菜单，第一个菜单对应着滤波器的四种状态，第二个菜单对应着六种窗函数;可以通过选择菜单生成低通等不同状态的滤波器和实现的窗函数，对于采样频率及其通带阻带的截至频率，也可以根据设计要求输入，而由于输入数据较多，所以在界面的最下方还加上了“清除”按钮，随时更新设计参数。上图设计的是低通滤波器，还可以进行其他窗函数及高通、带通和带阻滤波器的实验。
　　4）无限长脉冲响应（IIR）数字滤波器界面的测试
　　IIR数字滤波器的设计方法有两种，一种直接设计数字滤波器，另一种先设计模拟滤波器在转化成数字滤波器，本设计用的是间接法实现的IIR数字滤波器。在IIR数字滤波器界面的设计中主要包括脉冲响应不变法和双线性变换法两种演示界面。图6所示是采用脉冲响应不变法实现IIR低通数字滤波器的演示子界面。在参数设置中，选择巴特沃斯低通滤波器，并将通带截止频率设置为2000Hz，将阻带截止频率设置为3000Hz，演示结果显示，根据要求设计出符合设计要求的数字滤波器。
　　3结束语
　　《数字信号处理》可视化教学平台，作为对数字信号处理课程的辅助，主要完成了可视化平台的设计，内容包括时间离散信号的时域和频域的分析界面、FFT变换界面、FIR和IIR数字滤波器界面的设计，通过MATLAB的人机交互功能用图片的方式展示书中难以理解的概念和实验，将公式的推导变得简单，降低学习数字信号处理课程的难度。实践证明，通过实验平台的演示，能够更好地促进学生的知识掌握，加深对课本知识的理解，并取得了较好的教学效果。
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