基于MATLAB的《数字信号处理》实验教学平台设计

张胜利 李伟

【摘 要】数字信号处理是一个新的学科领域，其理论与技术是伴随半导体器件和计算机技术的发展而出现的，现在它己成为一门具有系统基础理论和广泛应用的学科。由于数字信号处理这门学科的抽象性，导致它处于一种难教、更难学的境况中。针对该课程抽象难懂、推导繁琐等特点，利用MATLAB工具开发并设计适合课堂教学的多媒体辅助系统。

【关键词】数字信号；教学平台；MATLAB

一、课程知识体系归纳

数字信号处理是一门以算法为核心，理论性和实践性均很强的课程，其基本方法和原理己广泛应用于数字信息处理的各个领域，因此教师教好和学生学好这门课程都非常重要。为了设计一个更合理的实验平台，系统将分模块进行设计。在兼顾系统性和全面性的原则下，将课程归纳以下几个知识点：1.离散系统的时域分析：序列、线性时不变系统、差分方程、离散卷积、因果性和稳定性。2.离散系统的z域分析：z变换及其收敛域、z反变换、差分方程的z域解法、离散系统的系统函数。3.离散信号的傅氏分析：离散傅立叶级数、DFT、循环卷积、FFT、快速卷积、利用FFT的数字谱分析（混叠现象、泄漏效应、栅栏效应）。4.数字滤波器：数字滤波器的实质、IIR数字滤波器的设计（冲激响应不变法、双线性变换法、频带变换），FIR数字滤波器的设计（线性相位、窗口法、频率采样法）、数字滤波器的实现结构。5.数字信号处理器和应用。

二、实验平台结构及特点

（一）试验平台的结构

本实验平台按照课程知识点分布，按照模块进行设计。主要的仿真实验模块有：1.基本信号的产生模块；2.序列基本运算模块；3.序列的离散傅里叶变换模块；4.Z变换的计算模块；5.滤波器设计模块与音频信号分析模块，本模块对一段语音信号进行采样、频谱分析、模拟传输、数字滤波和还原，通过时频域分析观察信号在各个过程中的变化，让大家理解数字信号处理的基本应用。

（二）系统的特点

本实验系统主要是用来辅助教学，系统按模块将书本知识进行了归类整合，这样有利于对学生本门课知识体系的构建，能够让学生通过实验了解知识点结构，通过实验掌握和理解基本理论。在最后特地设计了一个信号仿真程序，对信号进行仿真处理，这样学生可以直观的去听到，看到语音信号的频谱以及滤波器的作用，从而更好的去理解信号频谱的抽象概念，更好的去掌握滤波器的作用与意义。

三、实验平台的实现

（一）系统的整体界面设计

本系统设计利用MATLAB的GUIDE工具箱设计并实现了信号处理的图形界面GUI，设计主界面、子界面。界面以按钮、可编辑文本框、静态文本框、命令按钮等构成，可以方便使用，结果直观。

（二）各模块的设计与功能演示

1.主界面与菜单设计

本实验系统设计时，引导界面中不使用菜单，主界面中将所有实验项目做成菜单的形式，只要通过选择相应的菜单选项，就可以进入该实验。

本设计过程中直接使用了Menu Editor来设计菜单，在该编辑器中Label属性是用于设置菜单的名称，Tag属性是用于标记菜单。

2.数字滤波器设计与语音信号分析模块

在此模块中，用户可以自由的选取音频信号作为源信号，可以在信号中加入噪声，并且噪声幅度与类型可控，下面的例子中加入的是高斯白噪声。首先用户通过操作界面进入滤波与语音分析总界面。

进入此界面以后，可以选择相应的数字滤波器，系统将会根据相应的设置设计一个滤波器。在运行阶段，首先可以预先听到加入噪聲之前的音频信号，然后系统将会分别绘制加入高斯白噪声信号经过滤波器前后的时域波形，同时绘制出双线性变换法设计的巴特沃斯低通滤波器的频率响应函数。然后绘制出滤波前后信号的频谱图像。通过对图像的分析将会把抽象的知识具体的展现，方便理解。

四、总结

利用该实验平台，在课堂中我们可以把抽象的理论图形化，利用MATLAB图形界面工具以及绘图功能让学生能够在学习理论的同时直观地看到理论中包含的物理与现实意义，这样可以启发学生的思维，培养学生学习兴趣，实施形象教学。