【文章內容簡介】 83。 46 工作總結 46 工作展望 46 致謝 48 參考文獻 49 1 1 緒 論 研究目的及意義 數字信號處理是通信類專業(yè)核心主干課程，該課程是一門理論與實踐、原理與應用緊密結合的課程。它涵蓋內容多、概念抽象、原理復雜、推理繁瑣，僅靠課堂上的理論教學和習題演練，學生根本無法將所學的內容與實踐、應用相結合，同時，傳統(tǒng)模式的教學也早已滿足不了 新時代學生的興趣。在計算機快速發(fā)展的今天， MATLAB 的交互式界面為數字信號處理課程的教學提供了很大的幫助，其數值計算功能強大，擁有可視化信號處理能力和建模仿真功能，為數字信號處理的學習提供了良好的氛圍：將抽象理論知識運用圖像、文字、數據等多種形式展現，而且為實驗教學提供一個界面美觀、操作簡便的虛擬環(huán)境。在課堂教學中老師運用 MATLAB GUI 設計的平臺對所講內容進行仿真演示，同時適量結合多媒體課件進行理論講解，使學生從直觀形象的角度，理解和鞏固了所學知識。課后學生可以將課堂中的重點、難點及部分課后練習用 MATLAB GUI 進行可視化計算機模擬與仿真實現。學生也可以自己進行設計和編程，既提高了動手能力，又充分激發(fā)學習數字信號處理的積極性。 國內外研究現狀 數字信號處理是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科 ,廣泛地應用在通信、控制、生物醫(yī)學、遙測遙感、地址勘探、航空航天、自動化儀表等領域，國內外高校都為相關專業(yè)的學生開設了這門課程。該課程本身是通信類專業(yè)核心主干課程，同時也是學習后續(xù)專業(yè)課程的基礎。它涵蓋內容多、概念抽象、原理復雜，推演繁瑣，僅依靠教師在黑板上的板書理論教學，學生對概念難以理 解，難以將所學的知識和原理很好的與實際相結合。雖然各高校在與這門課對應的實驗上投入大量的設施，但是發(fā)現其效果并不是很好 , 學生只是單純地驗證實驗，對實驗原理與所涉及的數學基礎往往只是一知半解。而且大部分時間學生僅依靠做習題來鞏固和理解教學內容，對課程中大量的應用性較強的內容不能實際動手操作嚴重影響和制約了教學效果。 MATLAB 是當今最優(yōu)秀的科技應用軟件之一。在國外，數年前就已經將 MATLAB應用在了教學領域，尤其在數字信號處理的教學中， MATLAB 的可視化交互界面為數字信號處理的學習提供了一個卓越的平臺， 它強大的數值運算能力有助于數字信號處理中的復雜運算，同時，它將傳統(tǒng)模式的一維黑板教學完成不了的二維、三維信號處理展現的清晰、 直觀 ，在一定程度上影響學生對知識的深入了解與掌握。課后學生也可以將課 2 堂中的重點、難點及部分課后練習用 MATLAB GUI 進行可視化計算機模擬與仿真。學生也可以自己進行設計和編程，既提高了動手能力，又充分激發(fā)學習數字信號處理的積極性。 MATLAB GUI 簡介 圖形化用戶界面（ Graphical User Interfaces，簡稱 GUI），是一種圖形化人機交互界面，通過用戶與計 算機或者計算機程序進行通信、交互的方式來完成相應的操作。在 GUI中，可以自行設計按鈕，滑動條，下拉菜單，窗口，對話框等， MATLAB 全面支持 GUI的編程，用戶可以根據自己設計的界面來編程 M 文件，通過 M 文件的編譯實現可以實現相應的操作方式。 圖形用戶界面是由圖形對象構成的界面，在 MATLAB 中，最典型的就是通過 GUIDE（ Graph User Interface Development Environment）建立 GUI， GUIDE 能幫助用戶方便設計出的各種符合用戶需求的圖形用戶界面。 在 MATLAB 中，打開 GUIDE 的方法有兩種，第一種是在 MATLAB 界面中點擊GUIDE按鈕直接進入，第二種是在命令窗口輸入命令 Guide來實現調用。在打開的 GUIDE窗口中可以新建 GUI 或者打開已存在的 GUI 的 .fig 文件，而后，通過菜單編輯器（ Menu Editor）、對象瀏覽器（ Object Browser）、屬性設計器（ Properties Inspector）、控件布置編輯器（ Alignment Objects）、網格標尺（ Grid and Rulers）設置編輯器以及 GUIDE 屬性（ GUIDE Application Options）設置編輯器對 GUI 進行編輯。 對于建立好的對象，可以通過雙擊修改對象的屬性（背景顏色、字體顏色、字體大小等），同時也可以通過右擊對象，在出現的菜單欄中選擇 callback 對相應的對象進行 M文件內的編程，使相應對象實現相應的功能。 本文研究內容 本設計主要完成數字信號處理實驗平臺的設計，該實驗平臺的設計的內容有：離散系統(tǒng)時頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、 IIR 濾波器和 FIR 濾波器設計，通過利用 MATLAB 語言完成圖形用戶界面（ GUI）的編程，將數字信號處理課程中的重點、難點 內容用交互式、實時、可視化實驗平臺進行展示，以便于學生在數字信號處理課堂上的學習。 本文的主要內容安排如下： 第 1 章是緒論。主要介紹課題研究的背景與意義，并簡述了 MATLAB GUI 軟件。 3 第 2 章是數字信號處理平臺的設計，主要涉及實驗系統(tǒng)的主界面和子界面。數字信號處理實驗平臺的主界面主要有 離散系統(tǒng)的時頻域分析界面、離散傅里葉變換界面、快速傅里葉變換界面、 IIR 數字濾波器設計界面、 FIR 數字濾波器設計界面 第 3 章是數字信號處理實驗平臺的系統(tǒng)測試，即對設計出的各個界面進行測試，通過觀察輸入不同參數時信號顯示區(qū)的 輸出波形，驗證和分析實驗的合理性、正確性。 第 4 章是結論，即對本設計進行總結，對今后工作進行展望。 4 2 數字信號處理實驗平臺設計 實驗平臺分析 本設計以 MATLAB 為軟件開發(fā)平臺，利用它可視化、可編程的圖形用戶界面 GUI，按照實驗內容設計出相應的界面模塊與菜單模塊，通過主界面與子界面的調用選擇進行不同實驗的操作，通過菜單模塊的選擇與響應，完成子界面中分模塊的操作，點擊界面上的按鈕，來操作實驗的開始、結束與視圖分析。 實驗平臺的基本結構 本設計將數字信號處理實驗系統(tǒng)的整體結構劃分由兩部分： 界面模塊和菜單模塊。界面模塊包括 6 大部分：開始引導界面、實驗主界面（進行實驗項目選擇）、 離散系統(tǒng)的時頻域分析界面、離散傅里葉變換界面、快速傅里葉變換界面和數字濾波器設計界面 。如圖 所示為實驗平臺的基本結構 。 圖 數字信號處理實驗平臺結構圖 開始引導界面 常見信號的時頻域分析 常見信號的時域運算 LTI 離散系統(tǒng)時頻域分析 離散時間序列傅里葉變換 離散傅里葉變換 周期信號離散傅里葉變換 實驗主界面 離散系統(tǒng)時頻域分析 離散傅里葉變換 快速傅里葉變換 數字濾波器設計 IIR 濾波器設計 FIR 濾波器設計 5 實驗平臺設計的步驟 本設計的實驗平臺按照樹形結構的步驟進行設計，先完成開始引導界面與后續(xù)的實驗主界面的搭建，而后依次展開對各個子界面的建立（ 離散系統(tǒng)的時頻域分析界面、離散傅里葉變 換界面、快速傅里葉變換界面和數字濾波器設計界面 ） ,在各個子界面的搭建過程中，要按照以下步驟進行 [1]： 1) 建立一個圖形用戶界面，并為之命名。 2) 根據界面的需求，先在草稿紙上對界面進行預先的設計，而后，通過 MATLAB的圖形用戶界面（ GUI）在界面中放入相應的 GUI 對象，并合理的布局安放這些對象，以及設置對象的屬性，如字體，大小，顏色等。 3) 根據 GUI 對象的功能在 M 文件中編輯相應的 Callback，并保存、調試、運行，確保其能實現預定的功能。 圖形界面的設計要滿足以下幾條原則 [2]： 1) 簡單性 。 要求設計界面時應該力求簡潔直接清晰地體現界面的功能和特點。對于可有可無的功能最好刪除，確保界面的整潔。窗口數目盡量少，力避不同窗口間來回切換，設計的界面要直觀，應多采用圖形。 2) 一致性。確保設計的界面風格前后要盡量保持一致。 3) 習慣性。要求設計的界面應該盡量使用人們熟悉的標志和符號，保持界面的自然，使用戶能見而習之。 開始引導界面 與 實驗主界面 設計 開始引導界面主要是引導實驗的開始，通過開始引導界面中的開始按鈕進入實驗主界面，實驗主界面主要是完成實現子界面的選擇與調用功能，通過點擊選擇進入各 個子界面。 作為數字信號處理實驗平臺的第一個界面，開始引導實驗界面必須包含實驗開始、退出按鈕，通過點擊開始、退出按鈕分別完成進入實驗主界面、退出實驗系統(tǒng)的功能。在界面的頂部加入一個 Axes 對象，用來讀取并顯示本學校的校徽圖案，開始引導界面也可以加入 Static Text 對象（靜態(tài)文本編輯器），用這個對象制作開始界面的歡迎標題和介紹實驗平臺的文字。圖 (a)所示為開始引導界面。 在開始引導界面中通過點擊開始按鈕可以進入實驗主界面，實驗主界面主要的功能是選擇并進入實驗子界面，因此需要在該界面中添加 5 個 Push Button 對象（按鈕），通過點擊它們來打開不同的實驗子界面， 例如：點擊實驗主界面上的 “FIR濾波器設計 ”按鈕，則進入該實驗子界面，然后進行仿真實驗。 如 圖 (b)所示為實驗主界面效果圖。 6 (a) 開始引導界面 (b) 實驗主界面 圖 開始引導界面與實驗主界面 子界面的設計 根據試驗系統(tǒng)的內容要求，本實驗平臺的子界面劃分為 離散系統(tǒng)的時頻域分析界面、離散傅里葉變換界面、快速傅里葉變換界面、 IIR 數字濾波器設計界面、 FIR 數字濾波 器設計界面共五個子界面的設計 [3]~[6]。 離散系統(tǒng)時頻域分析實驗界面設計 離散系統(tǒng)時頻域分析界面主要完成常見離散信號的時頻域分析、常見離散信號的運算和 LTI 系統(tǒng)的時頻域分析。該實驗子界面展示了離散信號的時頻域分析功能，通過菜單欄的選擇可以分別打開離散信號的運算界面和 LTI 系統(tǒng)時頻域分析界面。 圖 常見時間離散信號時頻域分析界面 7 在常見離散時間信號時頻域分析界面中要展示 8 種常見離散時間信號的時、頻域函數圖，其中實指數序列底數 a 值與正弦序列的頻率 f 值是可變的，通過 a、 f 的變化觀察輸出函 數圖的變化可以分析常見離散信號的的時域信號圖與有限長度序列的傅里葉變換頻譜，因此構建該界面需要用到以下 GUI 對象：（ 1）通過 Pushbutton 對象（按鈕）分別選用不同的信號進行分析。（ 2）通過 Edit Text 對象（編輯框）完成相關信號參數的編輯。（ 3）用兩個 Axes 對象分別繪制所選信號時域圖、頻域圖，外加一個 Pushbutton 對象用來完成返回實驗主界面功能。設計出來的常見離散時間信號的時頻域分析界面如圖 所示。 通過菜單欄選擇，點擊它們可以分別進入離散信號的基本運算界面和 LTI 離散系統(tǒng)時頻域分析界 面。 在離散信號的基本運算界面中主要完成常見信號的時域尺度變換運算、常見離散信號的加、減、乘運算和正余弦信號的卷積運算，并展現基本運算的輸出圖形。因此，構建該界面需要以下的 GUI 對象：（ 1）運用到了 Popup Menu 對象完成對常見離散信號的選擇。（ 2）運用 Pushbutton 對象完成對所選信號的尺度變換、平移、翻轉、加法、減法、乘法等運算功能。（ 3）運用 Axes 圖表繪制所選原始信號圖以及運算結果圖。設計出來的離散信號的基本運算界面如圖 所示。 圖 離散信號的基本運算界面 在離散 LTI 系統(tǒng)的 時域系統(tǒng)分析中，通過改變說明區(qū)給定的二階 LTI 系統(tǒng)方程的系數與激勵來分析離散 LTI 系統(tǒng)的輸出響應圖，借此達到離散系統(tǒng)的時域分析。因此，構建該界面主要需要用到以下 GUI 對象：（ 1）運用 Static Text 對象來輸出說明 LTI 系統(tǒng)方程。（ 2）運用 Edit Text 對象來編輯 LTI 系統(tǒng)函數的系數。（ 3）運用 Pushbutton 對象完成 8 激勵的選擇與界面返回。（ 4）運用 Axes 對象展現 LTI 系統(tǒng)響應輸出波形分析。所設計的LTI 系統(tǒng)的時域分析界面如圖 (a)所示。 在離散 LTI 系統(tǒng)的頻域系統(tǒng)分析中，通過改變說明區(qū) 給定的二階 LTI 系統(tǒng)方程的系數或者改變給定給定二階 LTI 系統(tǒng)函數的系數，然后分析離散 LTI 系統(tǒng)的輸出響應圖與其零、極點圖，借此達到離散系統(tǒng)的頻域的分析。因此，構建該模塊界面主要需要有以下的 GUI 對象：（ 1）運用 Static Text 對象來輸出說明 LTI 系統(tǒng)方程和系統(tǒng)函數。（ 2）運用 Edit Text 對象來編輯 LTI 系統(tǒng)函數的系數。（ 3）運用 Pushbutton 對象完成系統(tǒng)函數運算與界面返回。（ 4）運用 Axes 對象展現 LTI 系統(tǒng)零極點、響應輸出波形分析。所設計的LTI 系統(tǒng)的時域分析界面如圖 (b)所示。 (a) 離散 LTI 系統(tǒng)的時域分析界面 (b) 離散 LTI 系統(tǒng)的頻域分析界面 圖 離散 LTI 系統(tǒng)的時頻域分析界面 離散信號傅里葉變換實驗界面設計 離散信號傅里葉變換實驗界面主要完成常見信號的離散信號傅里葉變換、離散時間序列傅里葉變換、周期性序列的離散傅里葉變換，根據實驗內容要求， 該界面需要需要展示常見離散信號的離散傅里葉變換的相關信號圖像（如原信號的時域圖、信號變換后的幅頻特性信號圖與相頻信號圖），因此， 構建此界面需要以下 GUI 對象：（ 1）運用 Popup Menu 對象完成對常見離散信號的選擇。（ 2）運用 Pushbutton 對象完成對所選離散信號的相關 運算與界面返回。（ 3）運用 Axes 對象展現所選對象的時頻域相關譜線（如信號時域圖、信號變換后的幅頻圖、相頻圖）。 根據實驗要求，這里 所設計的離散傅里葉變換界面如圖 所示。 9 圖 離散信號傅里葉變換界面 離散序列快速傅里葉變換實驗界面設計 圖 快速傅里葉變換界面 離散序列快速傅里葉變換實驗界面主要完成可編輯的 8點離散序列快速傅里葉變換，根據實驗的內容，構建此界面需要用到以下 GUI 對象 :（ 1） 運用 Edit Text 對象完成可編輯序列的輸入。（ 2） 運用 Pushbutton 對象完成對所輸入離散信號的運算與界面返回。（ 3） 10 運用 Axes 對象展現所輸入序列與其快速傅里葉變換后