巧用MATLAB愉悦数字信号处理课堂教学

陈敏歌

摘 要 本文以MATLAB作为开发平台，设计了基于MATLAB的数字信号处理实验仿真平台，改变了传统的授课方式，将数字信号处理的算法实验集中在一个平台上，操作简单方便，结果直观准确。并采用友好的GUI界面设计，用简洁的文字、丰富的画面将抽象的内容展现在学生面前，提高了学生的学习积极性和主动性。

关键词 数字信号处理 仿真实验平台 MATLAB GUI

中图分类号：G434 文献标识码：A

Using MATLAB to Enjoy Digital Signal Processing Classroom Teaching

CHEN Min'ge

(College of Science, Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an, Shaanxi 710021)

Abstract This paper represents digital signal processing experiment simulation platform using MATLAB.It changes the traditional teaching methods and focuses the content on a platform. Operation is simple and convenient, and result is visual and accurate. MATLAB provides an open environment, highly functional graphical rendering. Toolbox and its features is easy to learn, which makes the system development simple and fast. The system uses a friendly GUI interface design, using simple language. Rich picture explaining the abstract content will be displayed in the front of the students to improve student's learning enthusiasm and initiative.

Key words digital signal processing; simulation experiment system; MATLAB; GUI

0 引言

《数字信号处理》是一门非常重要的课程，它阐述了离散信号的特性和时域离散系统，通过对IIR和FIR滤波器的设计，分析了数字信号处理的实现方法。但由于该课程概念多，公式、性质的推导和证明繁琐，还需其他相关课程的基础，被认为大学课程中较难的课程之一。

现在很多教师在课堂上都采用了多媒体教学，多媒体授课具有教学信息量大，信息传递便捷、交互性较强、感官刺激效果好等特点。但对于老师来说，要提高学生对这门课的认识，可从丰富教学手段入手，除了考虑制作具有动态效果的幻灯片之外，还可采用MATLAB这样的软件设计多媒体课件，而利用MATLAB强大的数值计算和信号处理功能直观地分析和比较系统的各项性能指标以及各种设计方法的优劣，方便学生理解算法和简化运算。在此我们利用MATLAB的图形用户界面（GUI）为设计工具，设计了与实验内容配套，与课堂教学相结合，将实验内容融入教学过程中的教学实验辅助软件。

1 基于MATLAB的教学平台设计

对于该课程中所牵扯到的一些算法和实验繁多、复杂，许多实验还需要输入参数，如果将系统设计成一个界面，使得系统繁重、拥挤，不能够实现友好、美化的界面设计要求。因此，在设计界面的时候，采用一个主界面和若干子界面，每个子界面是一个模块，实现一个实验或功能。设计界面总共包括八个模块：开始引导模块、主界面模块、序列计算与变换、典型序列产生模块、DTFT的计算及应用模块、Z变换的应用模块、DFT的变换与应用模块、FIR滤波器设计模块、IIR滤波器设计模块。

发挥MATLAB中GUI的强大功能，将工具与编程相结合创建软件界面。图形界面的操作可通过执行函数代码来完成。把函数代码放在一个自定义的M文件中，而在“callback”中只写上其文件名。当操作该控件时，系统会自动执行“callback”中所要求执行的内容，将子菜单界面所保存的文件名与主界面的菜单名关联起来，实现整个软件平台设计。

图 1 平台欢迎界面

图 2 平台主界面

设计中，我们力求界面简单，易操作。根据每个对象的句柄，找到对象（即图形组件）的各项属性，修改属性，可得到不同的图形效果。首先建立了一个静态文本框，通过属性设置可得到一个简单清晰的界面。建立两个按钮，进行实验按钮的回调函数设为SY_zjm，这样当点击按钮时会进入主界面。关闭按钮的回调函数中写入close，点击时关闭该界面。系统欢迎界面和平台主界面如图1、图2所示：

2 FIR滤波器的设计实验

图3 FIR滤波器设计的界面

以有限脉冲响应滤波器（FIR）设计为例，介绍使用该实验平台设计理想的滤波器。如：理想低通滤波器的频率特性应为，振幅特性在通带内为1，阻带内为0。在通带内的相位特性与 成线性关系。

为了构造特性接近理想低通滤波器的实际滤波器，选择不同的窗类型和窗长度，从图3中可以清楚看到三种不同的窗函数的设计效果。实验运行结果，如图3所示。

3 结论

经过一个学期的教学实践，我们发现：利用MATLAB的强大功能制作的仿真实验平台在很大程度上方便了课堂教学，使教学内容更直观，理论知识和数学公式更易于理解，从而有效地提高教师的授课效率。同时虚拟仿真实验与传统模拟实验相结合，有助于改善教学的薄弱环节，并可以作为实验内容的补充，激发了学员学习兴趣，加深了对理论知识的理解。同时，MATLAB语言简单易学、上手快，通过课堂学习和实验操作，学生能够很快掌握并且也能自己编写一些小程序。

参考文献

[1] 陈怀琛等.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

[2] [美]Vinay K.Ingle,John G.Proakis.数字信号处理—应用MATLAB（英文影印版）[M].科学出版社,2003.