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基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现_图文

基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现_图文

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中国科技论 文统 计源期刊  ( 中国科技 核心期刊)  











管 理 

Vo . 3 NO 5 J  2   . 

E XPE MENT RI AL  CHNOI TE   0GY  AND MANAGEMENT    

MAY.2 0   o6

现代教育技术 

基 于 M tb的数 字信号处理实验仿真 系统 的实现  aa l
李  强 ,明 艳 ,陈前斌 ,蹇  
( 重庆邮电学院 通信 学院 ,重庆

洁  

406 ) 0 0 5 

摘 要: 针对数字信号处理课程的特点和 M tb aa 软件在可视化编程和数值计算的优势,开发出一套能辅助  l 《 数字信号处理》教学的实验仿真系统 ,既能丰富老师的教学手段,又能提高学生学习质量。  
关键词 :数字信号处理 ;仿真系统 ;Ma a tb编程  l 中图分类号 : P 1  T 3  1 文献标识码 :   B 文章编号 : 0 245 ( 0 6 0 —0 1 0  10 -9 6 20 )5 0 8 — 3

I lme tt n o  P Ex ei n  i lt n S se Ba e   n Malb mpe nai   fDS   p rme tS mu ai   y tm  s d o   ta   o o
L  i g I a ,MIGY n H N Qa- i,JA  i Q n N   a ,C E   i Bn I NJ   n e
( h nqn  nvrt o ot adT l o m n a0 s h nq g 00 5,C ia  C og i U i sy f s  n  e cm u i t n ,C ogi ,4 0 6 g e i  P s e ci n hn )

Ab t a t a e   n t ec a a t r t   fDii lS g a  r c s ig c u s   n  h   d a tg   f MA L s r c :B s d o  h   h rc e si o   g t   in P o e sn   o re a d t e a v n a e o   T AB’ S Vi a  i c a l   sl u

p o m n   aac luain, De eo ig a sto  x e me ts lt n s s m  fD P w ih c n h l  u i ay r ̄a a d d t  ac lt o vlpn    e  fe p r n  i ai   yt o  S   hc   a   ep a xl r  i mu o e i
t a h n . h  y tm  a  n r a e ta h n   a s i r v   t d   u i   fs d n   s w l  e c ig T e s s e c n i c e s  e c i g me n , mp o e s y q a t o  t e t   e1 u l y u a .

Ke   r s i i  i n   rc si g smu ain s se ;p o r m n malb y wo d :d gt sg a p o e sn ; i lt  y t m l a l o r ga i  t   a

数字信号处理是应用最快 、成效最显著的新科 
学之一 ,广泛地应用在通信 、控制 、生物医学 、遥 

可以采用像 M t b aa 这样 的软件设计多媒体课件。 l  

测遥感、地址勘探 、航 空航天 、自动化仪 表等领 
域  ,国内外高校都 为相 关专业 的学生 开设 了这  J 门课程 。我校除通信电子信息类的专业外 ,计算机 

1 Malb工具简 介    t a
Maa tb是 M tWok 司 于 18 l ah rs公 92年 推 出 的 一 

科学与技术 、光信息科学与技术 、地理信息系统 、   信息安全 、生物医学工程 、测控技术与仪器等专业 
都在 教学 计 划 中相 继 设 置 了 《 字 信 号 处 理》 数  
课程 。  

套商陛能的数值计算和可视化软件 ,经过 2 O多年  的发展和各个领域 的专家的共 同努力 ,如今它已集 
数值分析 、矩阵运算 、信号处 理和 图形显 示于一  体 ,形成了用于各个领域的工具箱 函数 , 诸如模糊 

集 、神经网络 、小波分析 、控制 系统 、图像处理 、  
系统辩识 、信号处理等 ,其强大的扩展功能为各个 

《 数字信 号处理 》课 程 的特点 是概 念 多,公  式、性质的推导和证明繁琐 ,还需 《 信号与系统》   等相关课程的基础,被公认为大学课程中最难的课  程之一,学生对上课 内容的理解往往跟不上老师授  课的进度。现在很多大学教师在课堂上采用了多媒  体教学 ,多媒体授课具有教学信息量大 ,信息传递 

领域的应用提供 了基 础 ,被誉 为 “ 站在 巨人肩上 
的工具 ” 。    

M fb6 X引入 了 Maa 面 ,可用 来 管 理各  aa . l tb桌 l

种窗 口,有助于提高工作效率 ,消除了各种版本中   文本编辑器 的差异 ,提高运算速度。G I U 制作工具 

便捷 、交互性较强 、感官刺激效果好等特点。   对于讲授 《 数字信号处理》 课程的老师来说 ,  
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 
收稿 日期 : 0 5 0 -6 修改 1期:20 - 1 2  20-80 3 05 1- 5 作者简介 :李强 ( 9 8 ) 1 一 ,男,湖南人 ,硕士 ,副教授 ,研 究方  6

得到了极大的改进和扩展补充 ,使得图像制作更加  简便 ,图像质量也有很大提高。  
由于 M fb aa 在数字信 号处理领域 有着 巨大的  l 优势 ,比如 产生 波 形 、抽样 、D F与 Fv F f r变换 、   卷积 、滤波器设计等都可以很容易地实现 ,特别是 
随着 ST O P O L的推 出 ,这 种应 用 变得 更 为广 泛 ,本 

向:视频压缩 编码 与传输.  

系统 的设计采用 M tb开发。 aa l  

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8  2













理 

2 系统结构的设计 
2 1 实验 仿真 系统 结构  .

GI U 中选择所需的控件 ,再对每个控件的属性进行  设置,保存并编程。这里需要注意的是 ,属性设置 
中最 重 要 的是 psbt n控件 的 “abc ” ( uhut o clak l 回调 

开发一个系统 ,首先需要建立一个原型,即整 
个系统 的框架 ,它反映 系统 的体系结构 。建立原  型 ,需要确定系统的体系结构 由哪些模块组成 ,模  块间的调用关系如何 ,需要哪些全局变量等 。通过  分析 ,设计 出如 图 l 所示 的系统结构图,图中每个  方框代表一个图形用户界面 G I U ,箭头表示调用关  系。下面介绍各个基本模块的功能。  

函数 )属性 ,因为编程基本上都是对 p sbtn uh u o 控  t

件进行 ,若其 “ abc ”属性设置不好将 不能实  clak l 现对 它进 行 编程 。   界面设计好后 ,需要对一些控件进行编码 ,以 
实现相应 的功能。采用 M tb语言进行编程 比较  aa l 简单 ,许多地方与 c语言相似 ,且 由于 ST O 工  PO L 具箱 的开发 ,许多功能可直接调用 函数就 可实现。   限于篇幅,这里不作具体介绍 。  

3 仿真 系统 的测试 和演示 
测试也是系统开发中一个重要的环节 ,检查系  统能否正常运行 、模块问的调用是否正确 以及能否  实现用户预期 的要求。通过测试能够对隐藏在系统  中的错误作及时修改 ,使系统更加完善。在系统开  发过程中,对每一个开发好的模块均进行 了单元测  试 ,在模块组装成系统时进行 了集成测试 ,下面介  绍系统确认测试 ( 即性能测试 ) 和演示 过程 ,看  其是否完成了预定的功能。   ( )信号产生模块 1 在4 个动态文本框中输入 

正弦信号的幅度 和频 率参数 值 ( 参数 值可任选 )  , 如图 2 所示 ,信号 1 幅度为 1 ,频率为 l z   ;信号  H
2幅 度 为 2 ,频 率 为 2H ,点 击 po l和 po 2按   z l  t lt  

钮 ,在对应的坐标轴上显示该信号 ;点击 p t 产  l  o3
图 1 系统 结 构 框 图 

生叠加后 的信号 ;点击 “ et nx ”按钮 ,可进入 “ 抽 
样 模 块 ”  。

( )信号产生模块 1

根据用户输入 的参数 ,如 

幅度和频率,产生两个正弦信号 ,对这两个正弦信 

号叠加生成要处理的模拟信号。   () 2 抽样模块 根据用户设置的抽样频率对模  拟信号在时域上进行抽样 ,产生一时域离散信号。   ( )频谱演示模块  用 F T对时域离散信号  3 F 进行谱分析 ,用来显示信号的频谱 图。  
( )I 4 I R滤波器生成模块 根据用户输 入的截  止频率和衰减指标 设计 出巴特 沃斯 数字低通 滤波  器 ,并显示出滤波器的幅度特性 和相位特性 曲线 。  
( )FR 滤 波器 生成模 块 5 I 根据 输入 的 窗 口长 
图 2 信 号产 生 模 块 

度和截止频率用窗函数法设计 FR数字滤波器 ,可  I 供选择 的窗函数有矩形窗、布莱克曼窗、哈曼窗 、  
汉 宁 窗等 。  

( )抽样 模块 2

在如 图 3的文 本框 中输 入抽样 

22 实验仿真系统的实现  . 按照系统结构框图的要求 ,需制作 1 个 图形  5 用户界面 , 且要满足模块问的调用关系。先在每个 

时间间隔值 0 15 ( .2 秒 抽样频率为 8H )   z ,对叠加  的模拟 信号进行等间 隔抽 样 ,点击按 钮 “ 抽样后 

的信号” ,产生 一个 时域 离散 信 号。从 显 示结 果 

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强 ,等 :基:  Maa tb的数字信号处理实验仿真 系统 的实现  l

看 ,对模拟信号每秒抽取 r8   个点 ,结果正确。点 
击 “ et nx”按钮 ,进入 “ 生成滤波器模块”  。

图 5 IR滤波器演示模块    I

图 3 抽样模块 

( ) I 生成滤波器模块 5 FR

FR仿真 系统根据  I

输入窗口长度、截止频率和选定窗函数可以设计 出   ()I 3 I R生成滤波器模块 在文本框 中输入数  对应的低通滤波器。在文本框 中输入窗 I长度为  . J 3 点 ,截止频率为 0 4H ,点击 “ 2 .  z 矩形 窗”按钮 
就 可生 成 图 6所示 的 FR低 通 滤波 器 。在 FR滤 波  I I

字低 通 滤波器 指标 :通带 截 止频率 ∞ 0 3H    = .  z
( 耵进 行归 一化 ,下 同 ) 对 、阻带截 止频 率 ‘ = .  1 04 )   H 、通 带最 大 衰 减  。=lB、阻 带 最 小 衰 减 O   z d t  =

1d ,点击 “ 5B 生成滤波器”按钮 ,产生一个 I   I R 数字低通滤波器 ,其幅频和相频特性 曲线如图4所 


器演示模块 中,同时显示出设计出的滤波器的单位  取 样 响应波 形 、衰减 特性 、幅频 和相频 特性 。设 计 
q I 的滤 波器 特性 一 目了然 。 J  

示 。点击 “ et nx”按钮 ,进入 “ 演示模块”  。

图 6 FR滤 波器特 性演示模块    I

图 4 滤波器生成模块 

( )FR 滤 波 器 滤 波 演 示 模 块 6 I

对 FR 滤 波  I

( )演示模块 4

此模块可演示整个滤波过程 ,  

器滤波效果的演示 ,滤波 的对 象采用 了医学上人 

它将抽样模块产生 的离 散信号通过 “ 滤波器生成  模 块 ” 进 行 滤 波 ,并 显 示 出滤 波 前 后 的时 域 离 散 

体心 电图信 号,该信 号在测量 过程 中受 到 了工业 
高频干扰 ,通过所设计 的 FR低 通滤波器 后 ,滤  I 除丁 高频干扰 ,得到能 够作为判断心脏 功能 的有  用信息 。点击图 6所示 的 “ 波”按钮 后 ,心电 滤   图信号滤波 前后 的时域 信号 和频谱 如 图 7所示 。   滤波前信 号序列幅度起 伏较 大 ,不规则 ,存在 高   频 f扰 ,滤 波后 信 号 幅 度 平 滑 ,起 到 了滤 波 的作  用  从信号滤波前后 的频谱 图域 的 比较也可得 出 ,  
类 似结 论 
( 下转 第 14页)   l  

信号和滤波前后信号的频谱图,如图 5所示。通过 
截取序列前 52 1 点作 FT对信号作谱分析 , F r 求变换 
后序列的模值 ,显示 出信号 的幅度谱。如 图 5所  示 ,滤波前信号有对称的两条主谱线 ,分别对应滤  波前时域离散信号的两个频谱分量 ,通过低通滤波 

器 ,对应模拟信号频率为 2H 的频谱分量被滤除   z
了。滤波前后在频谱 图中主谱线两边产生 很多旁 
瓣 ,是由于对序列截断引起的谱间干扰。  

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14 1 













理 

共同解决问题 ,才能成功地完成实验。   【 )提高学习兴趣 5 实验题 目的宏观约束 小 ,   给学生充分的自由度 以实现学生兴趣 、能力等的最  佳配置 ,学生 学习热情 高,自主 、积极地查 阅资  料,确定解决方法。  

混流装配综合性 开放实验得 以顺利成功地完  成 ,与系领导的重视和支持是分不开的。  

5 结束语   
通过混流装配综合性开放实验的顺利实施 ,取  得 了一定的效果 ,受到了学生的广泛赞誉 ,实验既  锻炼 了学生综合运用知识的能力,也提高了学生的   创新意识和创造性解决问题的能力 ,培养 了学生的   团队精神和协作能力 ,为他们后续的学 习和企业实  习打下了良好的基础。   参考文献 ( e r cs : R f e e) en  
[ ]齐二石 ,刘 子先 . 田 生 产方 式 及 其 应 用 [ ] 企 业 管理 。 1 丰 J.  
19 ( ) 7 3 . 9 8 3 :3 - 8 

4 实验教 学体会 与总结 
在设计综合性实验时,实验指导教师要与任课  教师多交流、多沟通 、多讨论 ,此外也要了解实验  学生的知识背景 ,以便 明确 实验方案 和实施手段。  
对于 学生不 了解 的知 识点 ,需 要 在实验 指导 书 中指 

出。对于综合性开放实验 的指导 ,实验指导教师首  先要明确实验的教学 目的,针对性地进行指导 ,而  不是一味地示教 。要鼓励学生探索和创新。   综合性开放实验 的成绩 ,不能由于分组 、人多 
的原 因 而搞 “ 刀 切 ” 一 ,要 综 合 全 面地 考 虑 。 比如  混流装 配 实验从 以下 几个 方面 对学 生进 行评 价 :实 

[ ]张守 魁. 合性开 放实验——学 生素质教 育与能 力培养的好课  2 综 堂 []实验技术 与管理 , 02 9 ( ) 7 .4 J. 20 ,1 4 : 27 .  
[ ]李军 ,贵文龙 ,吕春梅.《 3 生产订 划 与控制 》课 程教学的改革  ‘ 与实践 . 桂林 电子 l业学 院学报 ,20 , 4 ( ) 2 .2 . r 04 2 4 :14 17  

验 的预习准备工作 、现场 的表现 、实验预习报 告 、  
正式报 告 、个人 总结 的内容等 。  

[ ]陈杰 . 4 工业 工程本 科教学 实验体 系研究 [ ]实验 室研究 与探  J.
索 。2 0 04,2 ( ):9 1 . 3 5 — 0 

以往过多的实验 内容均是在计算机上进行 的 ,   对于混流装配综合性开放实验 ,学生表现出极大 的   兴趣和积极性 ,表 明这种实验形式是值得肯定 的。   应该多提供学生 自己动手的机会和场所 ,发挥学生  的主观能动性 ,变被动学习为主动学习。  

[ ] 晓英 ,马伟 ,李济顺 ,等. 代工 业工程 教学实验 系统的规  5 杨 现 划设计 [ ] 河 南科 技 大 学学 报 ( J. 自然 科 学 版 ) 04 5 ,20 ,2 
( ) 7 2. 2 :1 — 0  

[ ]徐建一 , 凡 英. 编程 程序 控制 器 引入 电工学 教 学的 体会  6 冉 可
『 ] 实验技术与管理 ,2 0 J. 0 4,2 ( ) 0 — 0 . 4 1 :13 15  

( 上接 第8 3页)  

“I I R滤波器演示模块” ,演示用 FT对序列谱分析  F 的频谱 图,观测截断效应 中的谱间干扰和泄漏现象 

并分析原因;在讲数字滤波器 的设计时 ,根据不同  
的截止频率和衰减值设计出对应的 I I R滤波器 。选  择不同的窗函数 、窗口长度和截止频率设计出不同   的 FR滤波器 ,并显示滤波器 的幅度和相位特性等  I

等。这个系统的演示可把该课程的大部分内容联系 
起来 ,使学生对各个章节的内容能融会贯通。学生  得到这个软件 ,也可在 自己的微机上运行 ,通过设  置不同的参数 , 设计不同类型 的滤波器 ,对不同信  号进行滤波 ,观测并 自己分析波形特性 。   图7 滤波前后时 域波形图 和频谱图   参考文献 ( e r cs : R f e e) en  
[ ]丁玉美 ,高西全. 1 数字信 号处理 [ . M]西安 :西安电子科 技大 

4 实验仿真 系统对课 堂教学 的帮助 
本系统可使用在 《 数字信号 处理》整 个教学 
过程 中。比如,讲解信号 的抽样 、序列 的概念时 ,  
可使用信号产生模块 和抽样模块作演示;在讲授用  “F D T对 信 号 进 行 谱 分 析 内容 ” 时 ,通 过 调 用 

学 出 版 社 ,2 o . 01  

[ ]楼顺灭 ,李博菡  2 基于 M tb的 系统分 析 与设 计 [ . aa l M] 西安 :  
西安电子科技大学出版社 。19 . 98  

[ ]王艳芬 ,史 良,王 刚. 3 基于 M tb软件 环境 的 《 字信 号处  aa l 数
理》课 程新 实验 开发 [ ] 实验技 术  管理 ,20 ,1 ( ) J. 02 9 3 :  
6l 6 一 


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