數(shù)字信號(hào)處理可視化教學(xué)研究
時(shí)間:2022-05-16 10:21:37
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1課程教學(xué)內(nèi)容
“數(shù)字信號(hào)處理”課程涉及眾多理論和方法,如何在可視化系統(tǒng)中將其系統(tǒng)展示具有一定挑戰(zhàn)性。經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐,我們將該課程劃分為3個(gè)模塊,即信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理,分步進(jìn)行講授。信號(hào)采集部分。采用相應(yīng)傳感器及調(diào)理電路,獲取合理幅值的模擬信號(hào),依據(jù)奈奎斯特采樣定理,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便后續(xù)處理。信號(hào)分析部分。借助傅里葉變換等分析工具,對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,提取信號(hào)特征。信號(hào)處理部分。針對(duì)信號(hào)特征,設(shè)計(jì)各種類型的濾波器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。圖1所示,即為“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)內(nèi)容。
2課程可視化系統(tǒng)架構(gòu)
“數(shù)字信號(hào)處理”課程的可視化系統(tǒng)主要包含信號(hào)采集、信號(hào)分析、信號(hào)處理三部分,以矩形脈沖信號(hào)、脈搏信號(hào)和聲音信號(hào)為處理對(duì)象。系統(tǒng)整個(gè)架構(gòu)示于圖2。2.1信號(hào)采集系統(tǒng)。信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖3。圖3信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用虛擬儀器原理及其設(shè)計(jì)思想,以個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件和Windows操作系統(tǒng)為依托,借助藍(lán)牙無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線傳輸,利用LabVIEW2010設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集程序,從而將下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)引入個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中,然后利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存儲(chǔ)、運(yùn)算和顯示能力實(shí)現(xiàn)信號(hào)的保存和實(shí)時(shí)地顯示。一個(gè)脈搏信號(hào)采集和顯示界面如圖4所示。2.2信號(hào)分析系統(tǒng)。以矩形脈沖信號(hào)和脈搏信號(hào)為處理對(duì)象,建立三維傅里葉變換動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng),通過動(dòng)態(tài)疊加展示傅里葉變換實(shí)質(zhì),進(jìn)而展示信號(hào)頻域分析過程。根據(jù)傅里葉變換可知,任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)域信號(hào),都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的疊加。本設(shè)計(jì)以頻率為255Hz的矩形脈沖為處理對(duì)象,可以將其分解成N個(gè)正弦波(或者余弦波)疊加而成的。取若干個(gè)變換后的頻率分量進(jìn)行疊加,也就是對(duì)其進(jìn)行傅里葉逆變換,將矩形脈沖的頻域表示形式變換為時(shí)域表示形式,觀察其逆變換后的波形并與原始矩形波形對(duì)照,進(jìn)而分析傅里葉變換實(shí)質(zhì)及頻域分析過程。將矩形脈沖做256點(diǎn)的FFT變換,并進(jìn)行1-16,1-32,1-48……1-256順序疊加,觀測(cè)疊加結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)取低頻16點(diǎn)時(shí)其疊加時(shí)域波形即具有矩形脈沖信號(hào)輪廓,隨著疊加點(diǎn)數(shù)的增加其時(shí)域波形越來越逼近矩形信號(hào),高頻分量對(duì)時(shí)域波形邊沿影響明顯,如圖5所示。2.3信號(hào)處理系統(tǒng)。該濾波器可視化教學(xué)系統(tǒng)主要完成如下四個(gè)方面功能:①顯示零極點(diǎn)變化對(duì)濾波器性能的影響。通過零極點(diǎn)在單位圓上的變化,觀察濾波器幅頻特性和相頻特性的變化,以及脈沖信號(hào)和聲音信號(hào)的改變。②設(shè)計(jì)低通、高通、帶通和帶阻濾波器,從時(shí)域和頻域觀測(cè)其對(duì)信號(hào)的作用。③相頻特性對(duì)濾波器性能的影響。設(shè)計(jì)濾波參數(shù)相同的IIR濾波器、FIR濾波器和零相位濾波器,觀察其相頻特性的區(qū)別,進(jìn)而對(duì)比分析將脈沖信號(hào)和聲音信號(hào)通過三類濾波器后的變化。④濾波器階數(shù)對(duì)濾波器性能的影響至關(guān)重要,觀測(cè)相同類型濾波器不同階數(shù)和不同類型濾波器相同階數(shù)時(shí)濾波器性能的變化以及它們對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生的影響。具體界面如圖6所示。
3結(jié)語
本文按照“數(shù)字信號(hào)處理”課程的知識(shí)體系,以矩形脈沖信號(hào)、生理脈搏信號(hào)、聲音信號(hào)為處理對(duì)象,借助可視化開發(fā)軟件Matlab和LabVIEW平臺(tái),并結(jié)合藍(lán)牙無線傳輸技術(shù),設(shè)計(jì)出一套完整的可視化系統(tǒng)。借助該系統(tǒng)學(xué)生能夠生動(dòng)直觀的觀測(cè)到信號(hào)采集、無線傳輸、分析及處理的全過程,通過聽覺和視覺感受不同處理手段對(duì)信號(hào)的影響。通過課堂教學(xué)、學(xué)生反饋和成績(jī)統(tǒng)計(jì)等手段分析,認(rèn)為采用該系統(tǒng)進(jìn)行可視化教學(xué),對(duì)改變教師的教授方式、幫助學(xué)生理解數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)有著積極的作用和影響。
作者:楊富龍 張愛華 楊 彬 林冬梅 任崇玉 單位:蘭州理工大學(xué)