導(dǎo)語(yǔ)：數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理中信號(hào)表示部分包括基于奈奎斯特采樣定理的模擬到離散信號(hào)的抽樣，離散序列的基本運(yùn)算（重點(diǎn)是卷積和）；信號(hào)變換部分包括z變換，離散時(shí)間傅里葉變換DTFT，離散傅里葉變換DFT，三者之間的關(guān)系由頻域采樣定理確定，三種變換依次在z平面、單位圓、圓上采樣點(diǎn)的取值；信號(hào)處理部分主要是數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，包括有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)FIR濾波器和無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)IIR濾波器。奈奎斯特采樣定理決定了時(shí)域信號(hào)采樣后是否會(huì)發(fā)生頻譜的混疊，頻域采樣定理決定了頻域抽樣后是否會(huì)在時(shí)域序列產(chǎn)生混疊。本演示系統(tǒng)的構(gòu)建依照以上內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要通過(guò)七大模塊來(lái)展現(xiàn)：序列運(yùn)算、Z變換、離散傅里葉變換、奈奎斯特采樣定律、IIR濾波器設(shè)計(jì)、FIR濾波器設(shè)計(jì)以及窗函數(shù)繪制，并將此七個(gè)模塊集成在一個(gè)導(dǎo)航窗體中（圖1所示），層次清晰，功能明了。

二、模塊說(shuō)明與演示

信號(hào)從連續(xù)性的角度來(lái)說(shuō)可以分為連續(xù)信號(hào)、離散信號(hào)與量化信號(hào)。在通信工程本科信號(hào)處理理論教學(xué)中主要是以前兩者為主的，其中離散信號(hào)為離散時(shí)間信號(hào)，簡(jiǎn)稱序列。因而序列是學(xué)習(xí)《數(shù)字信號(hào)處理》課程的基礎(chǔ)，也是研究的主體。所以本平臺(tái)首先要對(duì)序列進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。在序列運(yùn)算模塊中包括序列的加、減、乘積、卷積。序列可以數(shù)列的形式直接輸入，或從文件直接導(dǎo)入，完成相應(yīng)的計(jì)算后可直接展示在該界面，或?qū)С龅轿谋局校嗫赏ㄟ^(guò)點(diǎn)擊“繪圖”按鈕在figure界面中直觀查看序列波形。為更加清楚地了解卷積過(guò)程，在“操作類型”中選擇“動(dòng)態(tài)卷積”，點(diǎn)擊“繪圖”后可動(dòng)態(tài)觀察序列的翻褶、移位、相乘、相加的過(guò)程。與序列的z變換緊密相連的是線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H（z），通過(guò)H（z）的零極點(diǎn)分布可以清楚地判定系統(tǒng)的因果穩(wěn)定性，并與后續(xù)IIR與FIR濾波器設(shè)計(jì)息息相關(guān)。本平臺(tái)將z變換演示界面分成上下兩部分。上部分通過(guò)回調(diào)函數(shù)直接調(diào)用ztrans.m計(jì)算給定因果序列的z變換，顯示計(jì)算結(jié)果（以z的降冪排列），并可繪制零極點(diǎn)圖；下部分是按照用戶定義的系統(tǒng)函數(shù)的分子、分母的系數(shù)（按照z降冪排列）確定其零極點(diǎn)分布，從而分析系統(tǒng)的因果穩(wěn)定性。DFT的本質(zhì)是有限長(zhǎng)序列的z變換在單位圓上的等間隔采樣點(diǎn)，間隔的角度為2π/N，離散傅里葉變換根據(jù)給出N點(diǎn)有限長(zhǎng)序列計(jì)算其N點(diǎn)DFT。在該界面中可以由用戶給出時(shí)域表達(dá)式以及點(diǎn)數(shù)，在圖形繪制區(qū)域繪制時(shí)域序列圖和頻域的幅度響應(yīng)柱狀圖。奈奎斯特采樣定律給出了帶限模擬信號(hào)離散抽樣后能夠恢復(fù)原信號(hào)的條件。在該演示界用戶給出直接的時(shí)間函數(shù)x（t），根據(jù)抽樣定理確定采樣頻率后可以得到離散信號(hào)，為了驗(yàn)證其正確性，本文利用插值法將離散信號(hào)又恢復(fù)為模擬信號(hào)，并與原有模擬信號(hào)進(jìn)行視頻域上的直觀比較。IIR濾波器模塊需要用戶自定義IIR濾波器類型、通帶類型、通帶邊界以及數(shù)字濾波器的采樣速率、通帶衰減和阻帶衰減等參數(shù)來(lái)生成相應(yīng)濾波器的幅頻響應(yīng)，可以方便、直觀地觀察所設(shè)計(jì)的濾波器的幅頻和相頻特性，同時(shí)也可以方便地比較不同參數(shù)對(duì)IIR濾波器幅頻或相頻響應(yīng)的影響。FIR濾波器界面是以窗函數(shù)法完成的。用戶可自定義窗口類型（包括矩形窗、漢明窗、漢寧窗與布萊克曼窗）、通帶類型、通帶邊界以及數(shù)字濾波器的采樣速率等參數(shù)，通過(guò)“濾波器幅頻響應(yīng)預(yù)覽”按鈕繪制幅頻和相頻響應(yīng)曲線，同時(shí)也可以通過(guò)“窗函數(shù)演示”按鈕跳轉(zhuǎn)到窗函數(shù)設(shè)計(jì)界面，觀察不同階數(shù)的窗函數(shù)。

三、平臺(tái)封裝

GUI完成設(shè)計(jì)后的文件包含兩種，包含窗體中各控件對(duì)應(yīng)代碼的.m文件與包含控件信息的.fig文件。本文使用mbuild-setup命令進(jìn)行編譯工具的部署，選擇本機(jī)中安裝的MicrosoftVisualC++2017（C）作為編譯器，利用mcc命令進(jìn)行聯(lián)合編譯，生成可執(zhí)行文件，方便用戶在無(wú)MATLAB環(huán)境中使用。在編譯時(shí)，需要將平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件一并打包生成安裝程序。

四、結(jié)論

本平臺(tái)利用MATLAB中的GUI功能，結(jié)合實(shí)際教學(xué)過(guò)程與重難點(diǎn)分布，有層次地展示了數(shù)字信號(hào)處理課程的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，有條理。通過(guò)多級(jí)菜單將課程中的主要內(nèi)容集合到一個(gè)演示界面下，并且為用戶提供了交互接口，可以自行設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，將抽象的理論進(jìn)行直觀演示，能夠?yàn)槭谡n環(huán)節(jié)添加助力，從某種程度上提高并刺激了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。同時(shí)為了更進(jìn)一步服務(wù)于教學(xué)，將該平臺(tái)封裝為執(zhí)行文件，可以在沒有相關(guān)環(huán)境的情況下，安裝在任一PC終端，完成平臺(tái)展示。

參考文獻(xiàn)：

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[3]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].第5版.北京:清華大學(xué)出版社,2017.

作者:高彥彥 張晶 李莉 賈英茜 單位:石家莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院