何朝霞++李永全

摘要：《數(shù)字信號處理》課程是電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論性強、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多的特點，傳統(tǒng)的理論教學(xué)學(xué)生容易感到枯燥。文章基于MATLAB的GUI設(shè)計了一個輔助教學(xué)系統(tǒng)——信號時頻分析儀，介紹了系統(tǒng)的功能模塊，并對系統(tǒng)做了相關(guān)的實驗演示。該系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)，可以讓學(xué)生更好地將理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；理論性強；MATLAB；信號時頻分析儀

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）21-0098-02

1 概述

《數(shù)字信號處理》是電子信息工程、通信工程等專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。它立足于數(shù)字信號處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)，主要介紹了離散時間信號和系統(tǒng)的時域分析、變換域分析、離散傅立葉變換理論及其快速算法、無限長單位脈沖響應(yīng)濾波器和有限長單位脈沖響應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法等內(nèi)容[1-2]。課程理論性較強，課程內(nèi)有大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo) [3-4]，單一的課堂理論講授，學(xué)生容易感到乏味，逐漸喪失對課程的學(xué)習(xí)積極性和興趣。

鑒于《數(shù)字信號處理》課程的特點以及高校目前所面臨的理論教學(xué)現(xiàn)狀，作者設(shè)計了基于MATLAB的課程教學(xué)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MATLAB為平臺，將數(shù)字信號處理課程和語音信號的時頻分析有機地結(jié)合到一起，在掌握基本理論算法的基礎(chǔ)上，利用MATLAB強大的計算能力和信號處理工具箱，把教材上枯燥的公式、算法以及信號函數(shù)，變?yōu)橐粋€個可調(diào)的程序和簡潔友好的GUI界面[5]。學(xué)生通過系統(tǒng)，不僅可以驗證理論原理，而且通過自己編程、修改參數(shù)，進一步加強對序列的產(chǎn)生、時域分析、頻域分析、實際音頻信號的時頻分析等知識的理解和掌握[6]。實驗演示可以讓學(xué)生找到理論計算與實際現(xiàn)象的聯(lián)系，既鞏固了課堂知識，增加了學(xué)生對課程的興趣，又激發(fā)了學(xué)生課外自主動手的能力。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

利用 MATLAB 2008A的GUIDE 工具箱設(shè)計和實現(xiàn)了數(shù)字信號處理課程教學(xué)演示系統(tǒng)平臺的圖形用戶界面，系統(tǒng)由1個GUI界面構(gòu)成，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計的思路和流程如下：1）設(shè)計交互式教學(xué)演示系統(tǒng)的主界面，界面的設(shè)計可以使用MATLAB中的GUIDE所提供的用于建構(gòu)用戶圖形界面的一系列工具；2）用回調(diào)函數(shù)編制各個模塊中的所有控件對象所需的一系列程序，以達到實現(xiàn)控件所對應(yīng)的控制功能，實現(xiàn)可通過界面上的控件直接控制數(shù)據(jù)的輸入，并直接、方便地實現(xiàn)對實驗內(nèi)容和結(jié)果進行對照分析[7]。數(shù)字信號處理課程教學(xué)演示系統(tǒng)平臺——信號時頻分析儀的圖形用戶界面如圖2所示。

3 系統(tǒng)演示

信號時頻分析儀的信號輸入方式有三種類型：1）計算機自帶的聲卡錄制的音頻信號；2）已經(jīng)錄制好的WAV格式的音頻文件；3）產(chǎn)生特定屬性的信號（包括正弦信號，方波信號，三角波信號和鋸齒波信號等）。對各種信號進行時頻分析的時候采樣頻率是可以調(diào)節(jié)設(shè)置的，其中時域特征包括周期、頻率、幅值、相位、峰值、均值、均方差、方差等，頻域特征包括幅頻特性、相頻特性、實頻特性、虛頻特性、功率譜等。

1）用計算機自帶的聲卡錄制的一段音頻信號，選擇輸入方式為聲卡，錄制時間為1秒，點擊開始錄音，錄制內(nèi)容為“0”，采樣頻率為5120 Hz。圖3（a）～（c）為演示系統(tǒng)的各部分結(jié)果顯示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個數(shù)字信號處理的GUI平臺，實現(xiàn)了對信號進行時頻分析的功能。該系統(tǒng)可以處理三種不同輸入類型的信號，不但可以在教師相關(guān)理論教學(xué)過程中起到輔助作用，而且可以很好地完成學(xué)生的實踐、考核工作，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的學(xué)習(xí)興趣。不足之處在于，系統(tǒng)只完成了數(shù)字信號處理的第一個核心內(nèi)容——信號的時頻分析，而對于數(shù)字濾波器的設(shè)計沒有完成，在今后的研究中將進一步完善該系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理[M].3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[3] 薛年喜.MATLAB 在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4] 李永全，楊順遼，孫祥娥，數(shù)字信號處理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[5] 劉衛(wèi)國.MATLAB 程序設(shè)計與應(yīng)用[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 沈捷，王莉.數(shù)字信號處理教學(xué)實驗軟件包的 GUI 設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2008，25（2）：88-91.

[7] 杜留峰.數(shù)字信號處理方法設(shè)計與實驗平臺設(shè)計[D]. 天津： 天津大學(xué)，2013.