数字信号处理实时动态实验演示系统设计与实现

1、数字信号处理实时动态实验演示系统设计与实现韩 萍,李 响(中国民航学院智能信号与图像处理天津市重点实验室,天津 300300摘 要:介绍了 数字信号处理 实时动态实验演示系统的设计与实现方法。利用M atlab 的图形界面设计功能和相应的信号处理工具箱,将课程中枯燥的原理、理论及计算方法等内容分别设计成独立的演示模块,最后综合成一个完整的交互式实时动态演示系统。在课堂上通过多媒体展示给学生,加深了学生对所学知识的理解,激发了学生的学习兴趣,有效地提高了课堂教学质量。关键词:数字信号处理;动态演示;M atlab中图分类号:T P391 文献标识码:B 文章编号:1002 4956(200608

2、 0050 03De monstrati on syste m desi gn and realizati on for di g ital si gnal processi ng courseHAN Pi n g ,L I X iang(T ian ji n K ey L ab for A dvanced S i gna l P rocessi ng ,C ivilA v iati on U n i ve rs i ty o f Ch i na ,T ian jin 300300,Chi naAb stract :real ti m e demo syste m fo r d i g ita

3、 l si gna l process i ng course is i ntroduced .The de m o desi gned w ith M atlab consists o f several GU I m odules ,w hich are used t o show the key conten ts of the course .By show i ng the de m o to st udents i n class ,they can understand the course m ore easily .T eaching e ffects are i m pro

4、v ed effi c i entl y .K ey w ords :d i g ita l si gna l pro cessi ng ;dyna m i c de m onstrati on ;M atl ab收稿日期:2005 10 10作者简介:韩萍(1966!,女,天津市人,博士,副教授数字信号处理是20世纪60年代以来,随着大规模集成电路和计算机技术的发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它以精度高、灵活性大、可靠性强、易于大规模集成等优点在通信、雷达、地震、声纳、遥感和生物医学等领域得到了越来越广泛的应用。它不仅是电子信息、通信类专业的主干课程,也是工科学生受益较多的一门课程。数字信

5、号处理研究的是用数字的方法,正确快速地处理信号提取各类信息。该课程的特点是理论性强,涉及到的数学理论、公式很多,知识面非常广泛,既讨论理论问题,又讨论理论的应用。学生学习起来感到很抽象、难于理解,学习的积极性和学习质量都受到一定影响,因此,对这门课程的教和学的难度系数都很大。本文介绍了 数字信号处理 实时动态实验演示系统的设计与实现方法,利用M atlab 的图形界面设计功能和相应的信号处理工具箱,将课程中枯燥的原理、理论及分析方法等内容分别设计成独立的模块,最后综合成一个完整的交互式实时动态演示系统,以实时可变的动态图形通过多媒体展示给学生,一方面直观地验证了相关原理、方法的正确性,另一方面

6、加深了学生对所学知识的理解,更重要的是激发了学生的学习兴趣,从而达到提高课堂教学质量目的。1 交互式动态演示系统的组成及功能本课程选用的教材是北京理工大学王世一教授编写的数字信号处理#1。根据教学大纲要求,我们将重点内容放在第2章到第5章。第2章主要讲解离散时间信号与系统的基本概念、时域、频域和Z 域分析方法,用到了卷积和、序列傅立叶变换、z 变换等数学工具。第3章和第4章主要讲解利用离散傅立叶变换(快速傅立叶变换分析时域和频域的离散对应关系、频谱特性以及它们在实际中的应用。第5章主要讲解模拟滤波器和II R (i n finite i m pulse response ,简称II R 、FI

7、 R (fi n ite i m pu lse response ,简称FI R 数字滤波器的设计与实现方法。根据课程的主要内容,我们将演示系统设计成3个模块,即:离散信号与系统的频域分析,包括序列的傅立叶变换、离散付立叶变换及其性质等;各种窗函数的频谱分析及其应用;数字滤波器的设ISSN 1002-4956CN11-2034/T实 验 技 术 与 管 理Experi m entalT echnol ogy and M anage m ent第23卷 第8期 2006年8月Vo.l 23 No .8 Aug .2006计及应用。每一模块内容都由默认参数演示和随机输入参数演示2部分组成。 考虑到

8、M atlab 语言是当前较流行的软件工具,它编程简单,功能强大,在数字信号处理领域得到了广泛的应用。同时它还具有图形用户界面(GraphicalU ser I nterface ,GU I编写功能,设计简便、灵活、内容丰富,便于进行人机交互,可用来开发相应的教学软件2。因此,我们选用M atlab语言完成交互式动态演示系统的设计。通过设计不同的界面,将课程中的难点内容通过实例动态的显示给学生。演示系统具有交互功能,可随时更改参数以便观察相应的变化。2 主界面设计本演示系统的主界面选择用M atlab 的GU I 编写。主界面包括欢迎界面和实验内容主界面,如图1、图2所示。主界面中的每一个按钮

9、通过添加控件的方式进行设计,其中,在欢迎界面中设计了一个音乐按钮,点击该按钮可以播放、选曲、暂停或停止乐曲。运行演示系统时,系统会在优美的轻音乐中进入主界面,将学生带入一个轻松的、愉快的学习环境。演示系统中预先存放了多首轻音乐曲,点击 音乐 按钮,可随意更换曲目。实验内容主界面设计了3个模块按钮,可分别链接到课程的3部分主要内容,点击每个按钮可以进入相应的演示子系统,完成相应的实验内容演示和内容设计。 图1 演示系统欢迎界面3 主要模块设计3.1 离散傅立叶变换及其性质演示模块离散傅立叶变换是数字信号处理课程的重要内容之一,其许多性质都到了广泛的应用,本演示模块的设计思想是将离散傅立叶变换的几

10、个重要性质图2 演示系统主界面的应用举例通过图形方式直观地、动态地向学生演示,并通过变换相应的参数使学生达到对相关知识点的验证和理解。具体包括6个部分内容:即延长序列的DFT 、圆周移位、圆周卷积、圆周相关、滤波器特性、频域取样与内插。其中每一个实验演示界面都设计成4个区域:参数选择与输入区、实验结果图形演示区、实验结果数据显示区、知识要点讲解区4个主要区域。演示形式包括默认演示和设计演示2部分,当进入某一个实验内容时,演示系统首先自动进入默认演示界面,给出典型的实验参数、实验结果和相应概念的讲解。由于演示系统具有交互性,学生可以自行选择输入参数验证有关性质。例如,在演示离散付立叶变换性质中的

11、圆周卷积内容时,我们将时间序列的圆周移位过程、卷积计算过程和卷积结果均以图形计算方式通过屏幕动态地展示给学生,使学生一目了然,很容易理解圆周移位和圆周卷积的概念,掌握它们与线性卷积的区别,同时还可控制移位的快慢、选择卷积序列的类型、长度等。另外,在界面的右侧还显示了实验内容涉及到的相关知识点,用来帮助学生巩固和复习之用。圆周卷积演示设计界面如图3所示。3.2 窗函数及其应用演示模块窗函数在滤波器设计、功率谱估计以及处理长序列时具有非常重要的应用。常用的窗函数有矩形窗、三角形窗、汉宁窗、海明窗、布拉克曼窗等,不同的窗函数具有不同的时域和频率特性。本演示模块设计了各种常用窗函数时域和频域波形(幅频

12、和相频在显示窗口,通过选择窗宽及窗的类型分析比较各种窗函数的频谱特性。另外,我们将窗函数的典型应用(有限长冲激响应滤波器的窗函数设计法也添加在该演示模块中,在给定技术指标下,通过选用不同的窗函数完成滤波器的设51韩 萍,等:数字信号处理实时动态实验演示系统设计与实现 图3 圆周卷积运算演示界面图4 窗函数及其应用演示模块计,比较窗函数、窗宽对滤波器特性的影响。设计结果用不同颜色显示在同一图形界面上,使学生很清楚地比较各种窗函数的特性。设计举例如图4所示。3.3 数字滤波器设计及应用演示模块数字滤波器在数字信号处理课程中占有很重要的位置。本演示模块包括了几种常用的滤波器设计方法和典型的滤波器类型

13、。可以完成低通、高通、带通、带阻等滤波器的设计,滤波器的类型包括巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器等。学生可以自行定义滤波器指标,选择滤波器的类型和设计方法完成设计,设计结果通过图形(时域、频域和数据方式直接显示在演示界面中。为了让学生对滤波器的作用有更直观的理解,我们在这一部分还设计了滤波器应用模块,主要实现对含有噪声的实际语音信号进行滤波。实验中,我们分别将噪声信号、不含噪声的语音信号及二者混合后的信号形成数据文件,存放在系统中。演示模块可将上述3个信号的频谱显示出来,通过调整滤波器的参数设计滤波器,从而完成滤除噪声的作用。同时,演示模块还将每一个信号通过扬声器传送出来,感受到实际的滤波效果,

14、使学生对滤波器的作用有一个更直观的理解。该部分的演示界面如图5所示,该演示界面包括滤波器参数输入区、信号频谱及滤波器频谱特性显示区、实际语音信号输 入、滤波器设计区、相关只是要点讲解区等组成。图5 II R 数字滤波器设计及在语音信号噪声滤除中的应用(下转第68页计思路的框图如图10所示,在仿真电路中单刀双掷开关掷零端实现初始状态掷高电平端开始工作,交通灯用发光二极管仿真显示。此设计题目中,既有时序电路计数器的设计,也有组合电路逻辑关系的设计,是学生对所学数字电路知识综合应用能力 的体现。图9 交通灯仿真控制系统图10 交通灯仿真设计思路框图3 教学效果学生的反映说明将EDA 技术引入电工学教

15、学并开展研究型教学的效果良好。学生的收获主要有以下几点。(1更好地理解和掌握了所学的知识 学生说 用软件来研究电路问题还是第1次,M u ltisi m 是一个非常好用的电路仿真软件,可以在没有器材的条件下让我们清楚的分析比较抽象的电路特性,这次所研究的两个电路是很基本的电路,平时的研究方法是比较麻烦的,但是M u ltisi m 提供了强大的图形支持,我们可以很容易的找出相位关系通频带。(2培养了学生研究问题和解决问题的能力 学生说:本次模电仿真作业,我选的题目是晶体管的输出特性曲线的仿真。首先,是对电路线路的设计,其中的矩形波形成电路、锯齿波形成电路、i-v 转换电路是使我自己设计的,原件

16、参数通过计算初步预定。最主要的难点是阶梯波形成电路的设计。该电路比较复杂,我开始没有设计出来。通过请教和查阅有关资料,才最终将其设计出来。(3培养了创新意识,激发了学生的创造性 学生说 我选的题目是交通灯电路的设计。因为这个题目有着相当大的现实意义和一定的难度。完成整个设计零零碎碎地花了我一个月的时间,而为了煅炼我的思维能力和创造能力。这次设计我花了很大的心血和精力,力求做到尽善尽美,并以现实模型为最终设计目标。4 结束语EDA 教学内容,从2001年开始至今已经使用了5年,取得了良好的教学效果。这些措施有力地培养了学生分析和解决问题的能力,激发了学习的积极性。实践证明,EDA 是一种可以实现

17、研究型教学模式的良好软件环境,在这个环境里,研究型教学是可以大有作为的。参考文献(R eferences:1唐庆玉,刘廷文,卢瑞英,等.电工技术与电子技术实验指导M .北京:清华大学出版社,2004.2段玉生,王艳丹,何丽静.电工电子技术与EDA 基础M .北京:清华大学出版社,2004.(上接第52页4 结束语合理利用现代化教学手段对于教学时间相对减少、教学内容不断增加的今天无疑是提高教学质量的有效途径。常言道:百闻不如一见 。据有关资料表明,在人类感知的外界信息中,70%来源于眼睛的直观形象。随着计算机技术的发展,多媒体技术得到了迅速普及并日趋完善。根据数字信号处理#这门课程的特点及教学过程中的难点,不失时机的利用现代化教学手段辅助课堂教学,可以使抽象问题具体化,理论知识感性化,从而达到强化记忆、加深理解的效果。实践证明,我们在课堂教学中结