虚拟仿真技术在数字信号处理课程教学中的应用研究

黄琳 杨铁军

摘  要：数字信号处理是电子信息类专业重要的专业基础课程，具有概念多、数学公式多、理论性强等特点，对学生的逻辑推理能力、抽象思维能力、动手能力提出了比较高的要求。学生在学习过程中存在学习难度大、涉及内容繁多、实验设备有限等问题，从而影响了学习积极性与学习效果。虚拟仿真技术以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。Matlab中的Simulink能提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。利用Simulink将虚拟仿真技术带入课程有助于提高课程教学效果，使学生可以不受场地与设备的限制，更容易掌握相关知识点、技能及操作，有效提高学生学习的兴趣和参与度，从而提升教学质量。

关键词：数字信号处理;虚拟仿真;Simulink

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）06-0122-03

Abstract： Digital signal processing is an important professional basic course for electronic information majors. It has many concepts， many mathematical formulas， and strong theoretical strength. It puts forward relatively high requirements for students' logical reasoning ability， abstract thinking ability and practical ability. In the process of learning， students have problems such as difficulty in learning， involving a variety of contents， and limited experimental equipment， which affects the enthusiasm for learning and the effect of learning. Virtual simulation technology is increasingly used and popularized for its high efficiency， low cost， rich content， effective performance and security. Simulink in Matlab provides an integrated environment for dynamic system modeling， simulation and comprehensive analysis. Bringing virtual simulation technology into the course with Simulink can help improve the teaching effect of the course， so that students can be free from the limitations of the venue and equipment， and it is easier to grasp relevant knowledge points， skills and operations， effectively improve students' interest and participation in learning， and improve teaching quality.

Keywords： digital signal processing; virtual simulation; Simulink

数字信号处理[1]是电子信息类专业重要的专业基础课程，主要讲述内容有：信号的数字处理、数字信号在时域和变换域的分析及其相互变换的基本理论和特征，具有概念多、数学公式多、理论性强、学生接受度低等特点，传统的“板书+多媒体”的授课方式难以满足教学需要。虚拟仿真[2]教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。而这种教学方法生动形象，很接近现实工作场景，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实的体验在现实生活中进行操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的，而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作场景，使学生掌握更多的操作技能[3，4]。Simulink[5，6]是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。利用Simulink将虚拟仿真技术带入课程有助于更直观地展示和传授抽象理论和知识点，提高课程教学效果，使学生可以不受场地与设备的限制，更容易掌握相关知识点、技能及操作，有效提高学生学习的兴趣和参与度，从而提升教学质量。

一、Simulink介绍

Simulink 是一个对动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统）进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，是MATLAB的一个附加组件，其特点是模块化操作、易学易用，而且能够使用MATLAB提供的丰富的仿真资源。在SIMULINK环境中，用户不仅可以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响，而且也可以在仿真进程中改变感兴趣的參数，实时地观察系统行为的变化，因此已在许多领域，如通信、信号处理、电力、金融、生物系统等获得重要应用。对电子信息专业的学生来说，无论是学习专业课程或相关课程设计，还是在今后的工作中，Simulink都是一个重要的仿真建模工具。

二、教学中的应用

数字信号处理课程主要讲述内容有：信号的数字化处理、数字信号的运算，数字信号及其系统的时域分析、频域分析（DTFT）、离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、IIR滤波器的设计、FIR滤波器的设计等。其重要内容可借助Simulink设计出一些对应的仿真应用，帮助学生掌握相关知识点，提高学生学习兴趣。

根据以上知识点，下面给出一些仿真应用。

应用1：数字信号的相加和差分。产生一个频率为1Hz的正弦信号和直流信号，并进行简单相加和差分运算。对应模型为图1（a），相加以及差分结果为图1（b）。

应用2：连续信号的数字化模型。图2（a）给出了具体模型，其中信号产生器产生一个250Hz的正弦信号，通过一个模拟低通滤波器后再通过一个零阶保持器把此连续信号数字化，最后分析此数字信号的频谱。虚线左边部分表示连续信号，虚线右边部分表示数字信号;图2（b）示波器显示出延迟了的连续信号与对应数字信号;图2（c）显示了数字正弦信号的频谱，主要频谱成分为250Hz的信号，还包含了750Hz、1250Hz等谐波成分，这些谐波成分是由于数字化过程中信号截断引起频谱泄露。

应用3：滤波器的设计。MATLAB集成了一套功能强大的滤波器设计工具FDATool（Filter Design & Analysis Tool），可以完成多种滤波器的设计、分析和性能评估。在Matlab命令窗口输入fdatool即可进入如图3界面，能用于设计FIR和IIR滤波器，也提供了低通、带通、带阻、高通等滤波器的设计与分析，如利用该工具设计一个低通滤波器，只需简单设置通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减、阻带衰减等几个参数，后选择具体设计方法，再点击“Design filter”按钮就可以完成滤波器的设计，简单方便又有效。最终设计好的滤波器系统函数H（z）的分子分母多项式系数可保存到工作空间，存入变量中，以便后续使用该滤波器进行滤波。

应用4：去噪。图4（a）给出了一个具体的多频率混合正弦信号去噪模型，整个信号由1kHz正弦信号、15KHz正弦信号和高斯白噪声组成，可由FDATool设计一个低通滤波器或者双击Lowpass，打开图4（b）所示界面，设置好低通滤波器的通带截止频率、阻带截止频率等参数设计好该滤波器;图4（c）给出了未滤波前与滤波后频谱对比结果，显示滤波后低频的1KHz与低频的白噪声基本保持不变，而高频的15KHz的正弦信号降至大约80db，白噪声的高频部分大约降至90db，达到了滤除高频信号的目的。

三、结束语

除了上述应用，还可以利用Matlab-Simulink设计出更多应用，如：利用From Multimedia File、Audio Device Writer等模块实现对声音的读取和播放，再结合频谱分析和滤波可设计出应用从视听角度给学生更直观的感受;利用Downsample模块可实现降采样信号等。Matlab新版本的Simulink 3D Animation提供了强大的虚拟现实技术支持，可用它制作三维动画制作，能设计出三维立体球、汽车或机器人等，并设计出对应系统来控制它们的运动轨迹，进一步提升视觉体验，化繁为简给学生更具体的体验，它将作为进一步的研究计划。总之，将Simulink虚拟仿真技术引入数字信号处理课程，能更直观地展示和传授抽象理论和知识点，提高学生实践能力，提升课程教学效果。

参考文献：

[1]黄琳，程小辉，董明刚，等.数字信号处理课程中侧重應用的教学实践与探索[J].电子世界，2012（24）：103.

[2]中国电子技术标准化研究院，虚拟现实和增强现实技术[EB/OL]， http：//www.cesi.cn/201701/2135.html，2017-04-18.

[3]王思宇，徐建国，张丽红，等.微生物学虚拟仿真实验教学模式初构[J].高教学刊，2018（22）：104-106.

[4]刘小花，唐贵进，吉新村.基于虚拟仿真平台的信息电子技术实验教学研究[J].软件导刊，2018（11）：1-4.

[5]丁亦农.Simulink与信号处理（第2版）[M].北京航空航天大学出版社，2014.

[6]何炜琨，韩萍，庞勇，等.SIMULINK仿真技术在《数字信号处理》教学中的应用与实践[J].武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：261-266.