數(shù)字信號處理可視化平臺設(shè)計(jì)探討

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摘要：針對數(shù)字信號處理課程公式繁多，內(nèi)容晦澀難懂，文章設(shè)計(jì)了基于MATLABGUI的數(shù)字信號處理課程可視化平臺設(shè)計(jì)。平臺設(shè)計(jì)的界面里包含著主界面和子界面，內(nèi)容包括離散系統(tǒng)的時(shí)域和頻域的分析，快速傅里葉(FFT變換，有限長脈沖響應(yīng)(FIR和無限長脈沖響應(yīng)(IIR數(shù)字濾波器四大模塊，涉及數(shù)字信號處理課程的主要內(nèi)容。該系統(tǒng)有良好的交互性和可擴(kuò)展性，實(shí)踐證明，該平臺的使用增強(qiáng)學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；圖形用戶界面；交互性

數(shù)字信號處理[1-4]是全世界范圍內(nèi)廣泛要求學(xué)習(xí)的信息類學(xué)科的基礎(chǔ)課，主要通過數(shù)學(xué)手段對信號進(jìn)行分析和處理，達(dá)到優(yōu)于模擬信號的傳輸和儲存的目的。現(xiàn)在用于通信、航天、地質(zhì)、控制和生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域。但是該課程的特點(diǎn)是公式繁多，推導(dǎo)復(fù)雜，概念難以理解，所以學(xué)生掌握起來會有非常大的困難。本文研究的是數(shù)字信號處理平臺的GUI設(shè)計(jì)，運(yùn)用MATLABGUI[5-6]完成教學(xué)和實(shí)驗(yàn)兩大主要部分的界面的設(shè)計(jì)。在教學(xué)界面部分，用下拉菜單添加了數(shù)字信號處理所有的課件；在實(shí)驗(yàn)界面部分，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號處理的教學(xué)中的主要實(shí)驗(yàn)。

1平臺設(shè)計(jì)的框架

根據(jù)數(shù)字信號處理課程的內(nèi)容，本文的設(shè)計(jì)平臺主要設(shè)計(jì)四大模塊，包括離散系統(tǒng)的時(shí)域和頻域的分析，快速傅里葉(FFT變換，有限長脈沖響應(yīng)(FIR和無限長脈沖響應(yīng)(IIR數(shù)字濾波器。在平臺設(shè)計(jì)時(shí)，通過仿真界面觀察繪制出實(shí)驗(yàn)仿真圖像，進(jìn)行直觀地對比和分析，深刻理解和總結(jié)數(shù)字信號處理的理論知識。為了遵循盡量簡潔的原則采用了樹狀的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，最上層是登錄界面，輸入的信息確認(rèn)符合后，進(jìn)入主界面，四大實(shí)驗(yàn)?zāi)K都放在主界面下，通過主界面調(diào)用各個(gè)子界面，并通過點(diǎn)擊按鈕可返回到上級界面。圖1所示是平臺的界面設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)圖。其中，離散信號時(shí)域和頻域分析子界面設(shè)計(jì)包括基本時(shí)間離散信號的生成、基本離散信號的運(yùn)算、采樣、內(nèi)插、線性卷積、LSI系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)、系統(tǒng)的零極點(diǎn)分析、系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)等子界面；快速傅里葉變換子界面包括離散傅里葉變換和快速傅里葉變換子界面；有限長脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器子界面包括窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和等波紋最佳逼近法兩種設(shè)計(jì)方法，還添加了兩種方法設(shè)計(jì)濾波器的驗(yàn)證界面；無限長脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器子界面包括脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法兩種設(shè)計(jì)方法。

2平臺測試與仿真

2.1平臺主界面。在登錄界面設(shè)計(jì)時(shí)使用了可編輯文本框，分別獲得“名字”和“學(xué)號”的輸入信息；使用了兩個(gè)按鈕“確定”和“取消”，“確定”按鈕進(jìn)入主界面，“取消”按鈕關(guān)閉登錄界面；判斷符合進(jìn)入信息要求時(shí)可以進(jìn)入主界面，不符合信息要求時(shí)，界面將會報(bào)錯(cuò)，提示“請輸入正確信息”。如圖2所示就是登錄界面。圖2登錄界面為了方便課堂教學(xué)和演示使用，在主界面設(shè)計(jì)時(shí)，添加了“授課”和“實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)主菜單，在“授課”菜單下，可以打開課堂使用的PPT文件；而“實(shí)驗(yàn)”菜單下可以選擇四大實(shí)驗(yàn)?zāi)K中不同的實(shí)驗(yàn)，完成課堂教學(xué)。2.2平臺仿真測試。1離散信號時(shí)域和頻域分析界面的測試離散信號時(shí)域和頻域分析子界面設(shè)計(jì)包括“基本時(shí)間離散信號的生成”“基本離散信號的運(yùn)算”“卷積采樣內(nèi)插”和“離散信號頻域分析”子界面。其中，“離散信號的生成”中包括生成單位脈沖序列、階躍序列、矩形序列、正弦序列，指數(shù)序列等基礎(chǔ)的離散信號；“基本離散信號的運(yùn)算”包括序列的加法、乘法、移位、翻轉(zhuǎn)和尺度變換等基礎(chǔ)的序列運(yùn)算；“卷積采樣內(nèi)插”實(shí)現(xiàn)了序列的采樣、內(nèi)插和卷積運(yùn)算，；“離散信號頻域分析”完成了時(shí)域脈沖響應(yīng)、零極點(diǎn)分析、頻域脈沖響應(yīng)和單位脈沖響應(yīng)等。其中，在“卷積采樣內(nèi)插”子界面中，實(shí)現(xiàn)了采樣、內(nèi)插和卷積運(yùn)算。首先通過主界面進(jìn)入子界面，如圖3所示就是實(shí)現(xiàn)卷積、采樣和內(nèi)插功能的界面。2快速傅里葉變換(FFT界面的測試時(shí)域離散信號的頻域仍然是連續(xù)函數(shù)，要想在頻域也進(jìn)行數(shù)字化處理，就需要將頻率域離散化，而DFT就是將有限長的時(shí)域離散信號的頻域也離散化的運(yùn)算，而FFT就是DFT快速算法中性能優(yōu)良的運(yùn)算方法，所以設(shè)計(jì)了DFT和FFT兩個(gè)實(shí)驗(yàn)演示子界面。如圖4所示為DFT設(shè)計(jì)界面，其中，信號的輸入可以通過panel進(jìn)行修改，用來分析不同信號的頻域特征；通過輸入不同的N1,N2值，改變DFT的點(diǎn)數(shù)，觀察頻域的變化，便于學(xué)生的理解。3有限長脈沖響應(yīng)(FIR數(shù)字濾波器界面的測試數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是數(shù)字信號處理課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分。在FIR濾波器設(shè)計(jì)[7]界面中，包括了窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和等波紋逼近法，并設(shè)置了窗函數(shù)法和等波紋法的功能驗(yàn)證部分。圖5所示就是FIR數(shù)字濾波器窗函數(shù)實(shí)現(xiàn)法子界面。界面中最上面有兩個(gè)下拉菜單，第一個(gè)菜單對應(yīng)著濾波器的四種狀態(tài)，第二個(gè)菜單對應(yīng)著六種窗函數(shù)；可以通過選擇菜單生成低通等不同狀態(tài)的濾波器和實(shí)現(xiàn)的窗函數(shù)，對于采樣頻率及其通帶阻帶的截至頻率，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入，而由于輸入數(shù)據(jù)較多，所以在界面的最下方還加上了“清除”按鈕，隨時(shí)更新設(shè)計(jì)參數(shù)。上圖設(shè)計(jì)的是低通濾波器，還可以進(jìn)行其他窗函數(shù)及高通、帶通和帶阻濾波器的實(shí)驗(yàn)。4無限長脈沖響應(yīng)(IIR數(shù)字濾波器界面的測試IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有兩種，一種直接設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，另一種先設(shè)計(jì)模擬濾波器在轉(zhuǎn)化成數(shù)字濾波器，本設(shè)計(jì)用的是間接法實(shí)現(xiàn)的IIR數(shù)字濾波器[8]。在IIR數(shù)字濾波器界面的設(shè)計(jì)中主要包括脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法兩種演示界面。圖6所示是采用脈沖響應(yīng)不變法實(shí)現(xiàn)IIR低通數(shù)字濾波器的演示子界面。在參數(shù)設(shè)置中，選擇巴特沃斯低通濾波器，并將通帶截止頻率設(shè)置為2000Hz，將阻帶截止頻率設(shè)置為3000Hz，演示結(jié)果顯示，根據(jù)要求設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的數(shù)字濾波器。

3結(jié)束語

《數(shù)字信號處理》可視化教學(xué)平臺，作為對數(shù)字信號處理課程的輔助，主要完成了可視化平臺的設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括時(shí)間離散信號的時(shí)域和頻域的分析界面、FFT變換界面、FIR和IIR數(shù)字濾波器界面的設(shè)計(jì)，通過MATLAB的人機(jī)交互功能用圖片的方式展示書中難以理解的概念和實(shí)驗(yàn)，將公式的推導(dǎo)變得簡單，降低學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理課程的難度。實(shí)踐證明，通過實(shí)驗(yàn)平臺的演示，能夠更好地促進(jìn)學(xué)生的知識掌握，加深對課本知識的理解，并取得了較好的教學(xué)效果。

作者:劉倩 單位:山東理工大學(xué)