数字信号处理教学演示系统的研究与实现

何朝霞++李永全

摘要：《数字信号处理》课程是电类专业的专业基础课，具有理论性强、数学推导多的特点，传统的理论教学学生容易感到枯燥。文章基于MATLAB的GUI设计了一个辅助教学系统——信号时频分析仪，介绍了系统的功能模块，并对系统做了相关的实验演示。该系统应用于教学，可以让学生更好地将理论知识与实际应用相结合，提高学习兴趣。

关键词：数字信号处理；理论性强；MATLAB；信号时频分析仪

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）21-0098-02

1 概述

《数字信号处理》是电子信息工程、通信工程等专业本科生必修的专业基础课。它立足于数字信号处理的基本概念、基本分析方法和处理技术，主要介绍了离散时间信号和系统的时域分析、变换域分析、离散傅立叶变换理论及其快速算法、无限长单位脉冲响应滤波器和有限长单位脉冲响应滤波器的结构和设计方法等内容[1-2]。课程理论性较强，课程内有大量的数学推导 [3-4]，单一的课堂理论讲授，学生容易感到乏味，逐渐丧失对课程的学习积极性和兴趣。

鉴于《数字信号处理》课程的特点以及高校目前所面临的理论教学现状，作者设计了基于MATLAB的课程教学演示系统。该系统以MATLAB为平台，将数字信号处理课程和语音信号的时频分析有机地结合到一起，在掌握基本理论算法的基础上，利用MATLAB强大的计算能力和信号处理工具箱，把教材上枯燥的公式、算法以及信号函数，变为一个个可调的程序和简洁友好的GUI界面[5]。学生通过系统，不仅可以验证理论原理，而且通过自己编程、修改参数，进一步加强对序列的产生、时域分析、频域分析、实际音频信号的时频分析等知识的理解和掌握[6]。实验演示可以让学生找到理论计算与实际现象的联系，既巩固了课堂知识，增加了学生对课程的兴趣，又激发了学生课外自主动手的能力。

2 系统方案设计

利用 MATLAB 2008A的GUIDE 工具箱设计和实现了数字信号处理课程教学演示系统平台的图形用户界面，系统由1个GUI界面构成，整个系统结构示意图如图1所示。

教学演示系统设计的思路和流程如下：1）设计交互式教学演示系统的主界面，界面的设计可以使用MATLAB中的GUIDE所提供的用于建构用户图形界面的一系列工具；2）用回调函数编制各个模块中的所有控件对象所需的一系列程序，以达到实现控件所对应的控制功能，实现可通过界面上的控件直接控制数据的输入，并直接、方便地实现对实验内容和结果进行对照分析[7]。数字信号处理课程教学演示系统平台——信号时频分析仪的图形用户界面如图2所示。

3 系统演示

信号时频分析仪的信号输入方式有三种类型：1）计算机自带的声卡录制的音频信号；2）已经录制好的WAV格式的音频文件；3）产生特定属性的信号（包括正弦信号，方波信号，三角波信号和锯齿波信号等）。对各种信号进行时频分析的时候采样频率是可以调节设置的，其中时域特征包括周期、频率、幅值、相位、峰值、均值、均方差、方差等，频域特征包括幅频特性、相频特性、实频特性、虚频特性、功率谱等。

1）用计算机自带的声卡录制的一段音频信号，选择输入方式为声卡，录制时间为1秒，点击开始录音，录制内容为“0”，采样频率为5120 Hz。图3（a）～（c）为演示系统的各部分结果显示。

4 结束语

本文设计了一个数字信号处理的GUI平台，实现了对信号进行时频分析的功能。该系统可以处理三种不同输入类型的信号，不但可以在教师相关理论教学过程中起到辅助作用，而且可以很好地完成学生的实践、考核工作，激发学生学习这门课的学习兴趣。不足之处在于，系统只完成了数字信号处理的第一个核心内容——信号的时频分析，而对于数字滤波器的设计没有完成，在今后的研究中将进一步完善该系统。

参考文献：

[1] 程佩青.数字信号处理教程[M].3版.北京：清华大学出版社，2007.

[2] 高西全，丁玉美.数字信号处理[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[3] 薛年喜.MATLAB 在数字信号处理中的应用[M].2版.北京：清华大学出版社，2008.

[4] 李永全，杨顺辽，孙祥娥，数字信号处理[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[5] 刘卫国.MATLAB 程序设计与应用[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的 GUI 设计与实现[J].实验技术与管理，2008，25（2）：88-91.

[7] 杜留峰.数字信号处理方法设计与实验平台设计[D]. 天津： 天津大学，2013.