數(shù)字信號處理實時動態(tài)實驗演示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、數(shù)字信號處理實時動態(tài)實驗演示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)韓 萍,李 響(中國民航學院智能信號與圖像處理天津市重點實驗室,天津 300300摘 要:介紹了 數(shù)字信號處理 實時動態(tài)實驗演示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法。利用M atlab 的圖形界面設計功能和相應的信號處理工具箱,將課程中枯燥的原理、理論及計算方法等內(nèi)容分別設計成獨立的演示模塊,最后綜合成一個完整的交互式實時動態(tài)演示系統(tǒng)。在課堂上通過多媒體展示給學生,加深了學生對所學知識的理解,激發(fā)了學生的學習興趣,有效地提高了課堂教學質(zhì)量。關鍵詞:數(shù)字信號處理;動態(tài)演示;M atlab中圖分類號:T P391 文獻標識碼:B 文章編號: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作者簡介:韓萍(1966!,女,天津市人,博士,副教授數(shù)字信號處理是20世紀60年代以來,隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學科。它以精度高、靈活性大、可靠性強、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點在通信、雷達、地震、聲納、遙感和生物醫(yī)學等領域得到了越來越廣泛的應用。它不僅是電子信息、通信類專業(yè)的主干課程,也是工科學生受益較多的一門課程。數(shù)字信

5、號處理研究的是用數(shù)字的方法,正確快速地處理信號提取各類信息。該課程的特點是理論性強,涉及到的數(shù)學理論、公式很多,知識面非常廣泛,既討論理論問題,又討論理論的應用。學生學習起來感到很抽象、難于理解,學習的積極性和學習質(zhì)量都受到一定影響,因此,對這門課程的教和學的難度系數(shù)都很大。本文介紹了 數(shù)字信號處理 實時動態(tài)實驗演示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法,利用M atlab 的圖形界面設計功能和相應的信號處理工具箱,將課程中枯燥的原理、理論及分析方法等內(nèi)容分別設計成獨立的模塊,最后綜合成一個完整的交互式實時動態(tài)演示系統(tǒng),以實時可變的動態(tài)圖形通過多媒體展示給學生,一方面直觀地驗證了相關原理、方法的正確性,另一方面

6、加深了學生對所學知識的理解,更重要的是激發(fā)了學生的學習興趣,從而達到提高課堂教學質(zhì)量目的。1 交互式動態(tài)演示系統(tǒng)的組成及功能本課程選用的教材是北京理工大學王世一教授編寫的數(shù)字信號處理#1。根據(jù)教學大綱要求,我們將重點內(nèi)容放在第2章到第5章。第2章主要講解離散時間信號與系統(tǒng)的基本概念、時域、頻域和Z 域分析方法,用到了卷積和、序列傅立葉變換、z 變換等數(shù)學工具。第3章和第4章主要講解利用離散傅立葉變換(快速傅立葉變換分析時域和頻域的離散對應關系、頻譜特性以及它們在實際中的應用。第5章主要講解模擬濾波器和II R (i n finite i m pulse response ,簡稱II R 、FI

7、 R (fi n ite i m pu lse response ,簡稱FI R 數(shù)字濾波器的設計與實現(xiàn)方法。根據(jù)課程的主要內(nèi)容,我們將演示系統(tǒng)設計成3個模塊,即:離散信號與系統(tǒng)的頻域分析,包括序列的傅立葉變換、離散付立葉變換及其性質(zhì)等;各種窗函數(shù)的頻譜分析及其應用;數(shù)字濾波器的設ISSN 1002-4956CN11-2034/T實 驗 技 術 與 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計及應用。每一模塊內(nèi)容都由默認參數(shù)演示和隨機輸入?yún)?shù)演示2部分組成。 考慮到

8、M atlab 語言是當前較流行的軟件工具,它編程簡單,功能強大,在數(shù)字信號處理領域得到了廣泛的應用。同時它還具有圖形用戶界面(GraphicalU ser I nterface ,GU I編寫功能,設計簡便、靈活、內(nèi)容豐富,便于進行人機交互,可用來開發(fā)相應的教學軟件2。因此,我們選用M atlab語言完成交互式動態(tài)演示系統(tǒng)的設計。通過設計不同的界面,將課程中的難點內(nèi)容通過實例動態(tài)的顯示給學生。演示系統(tǒng)具有交互功能,可隨時更改參數(shù)以便觀察相應的變化。2 主界面設計本演示系統(tǒng)的主界面選擇用M atlab 的GU I 編寫。主界面包括歡迎界面和實驗內(nèi)容主界面,如圖1、圖2所示。主界面中的每一個按鈕

9、通過添加控件的方式進行設計,其中,在歡迎界面中設計了一個音樂按鈕,點擊該按鈕可以播放、選曲、暫停或停止樂曲。運行演示系統(tǒng)時,系統(tǒng)會在優(yōu)美的輕音樂中進入主界面,將學生帶入一個輕松的、愉快的學習環(huán)境。演示系統(tǒng)中預先存放了多首輕音樂曲,點擊 音樂 按鈕,可隨意更換曲目。實驗內(nèi)容主界面設計了3個模塊按鈕,可分別鏈接到課程的3部分主要內(nèi)容,點擊每個按鈕可以進入相應的演示子系統(tǒng),完成相應的實驗內(nèi)容演示和內(nèi)容設計。 圖1 演示系統(tǒng)歡迎界面3 主要模塊設計3.1 離散傅立葉變換及其性質(zhì)演示模塊離散傅立葉變換是數(shù)字信號處理課程的重要內(nèi)容之一,其許多性質(zhì)都到了廣泛的應用,本演示模塊的設計思想是將離散傅立葉變換的幾

10、個重要性質(zhì)圖2 演示系統(tǒng)主界面的應用舉例通過圖形方式直觀地、動態(tài)地向?qū)W生演示,并通過變換相應的參數(shù)使學生達到對相關知識點的驗證和理解。具體包括6個部分內(nèi)容:即延長序列的DFT 、圓周移位、圓周卷積、圓周相關、濾波器特性、頻域取樣與內(nèi)插。其中每一個實驗演示界面都設計成4個區(qū)域:參數(shù)選擇與輸入?yún)^(qū)、實驗結(jié)果圖形演示區(qū)、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)顯示區(qū)、知識要點講解區(qū)4個主要區(qū)域。演示形式包括默認演示和設計演示2部分,當進入某一個實驗內(nèi)容時,演示系統(tǒng)首先自動進入默認演示界面,給出典型的實驗參數(shù)、實驗結(jié)果和相應概念的講解。由于演示系統(tǒng)具有交互性,學生可以自行選擇輸入?yún)?shù)驗證有關性質(zhì)。例如,在演示離散付立葉變換性質(zhì)中的

11、圓周卷積內(nèi)容時,我們將時間序列的圓周移位過程、卷積計算過程和卷積結(jié)果均以圖形計算方式通過屏幕動態(tài)地展示給學生,使學生一目了然,很容易理解圓周移位和圓周卷積的概念,掌握它們與線性卷積的區(qū)別,同時還可控制移位的快慢、選擇卷積序列的類型、長度等。另外,在界面的右側(cè)還顯示了實驗內(nèi)容涉及到的相關知識點,用來幫助學生鞏固和復習之用。圓周卷積演示設計界面如圖3所示。3.2 窗函數(shù)及其應用演示模塊窗函數(shù)在濾波器設計、功率譜估計以及處理長序列時具有非常重要的應用。常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角形窗、漢寧窗、海明窗、布拉克曼窗等,不同的窗函數(shù)具有不同的時域和頻率特性。本演示模塊設計了各種常用窗函數(shù)時域和頻域波形(幅頻

12、和相頻在顯示窗口,通過選擇窗寬及窗的類型分析比較各種窗函數(shù)的頻譜特性。另外,我們將窗函數(shù)的典型應用(有限長沖激響應濾波器的窗函數(shù)設計法也添加在該演示模塊中,在給定技術指標下,通過選用不同的窗函數(shù)完成濾波器的設51韓 萍,等:數(shù)字信號處理實時動態(tài)實驗演示系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 圖3 圓周卷積運算演示界面圖4 窗函數(shù)及其應用演示模塊計,比較窗函數(shù)、窗寬對濾波器特性的影響。設計結(jié)果用不同顏色顯示在同一圖形界面上,使學生很清楚地比較各種窗函數(shù)的特性。設計舉例如圖4所示。3.3 數(shù)字濾波器設計及應用演示模塊數(shù)字濾波器在數(shù)字信號處理課程中占有很重要的位置。本演示模塊包括了幾種常用的濾波器設計方法和典型的濾波器類型

13、。可以完成低通、高通、帶通、帶阻等濾波器的設計,濾波器的類型包括巴特沃斯、切比雪夫、橢圓濾波器等。學生可以自行定義濾波器指標,選擇濾波器的類型和設計方法完成設計,設計結(jié)果通過圖形(時域、頻域和數(shù)據(jù)方式直接顯示在演示界面中。為了讓學生對濾波器的作用有更直觀的理解,我們在這一部分還設計了濾波器應用模塊,主要實現(xiàn)對含有噪聲的實際語音信號進行濾波。實驗中,我們分別將噪聲信號、不含噪聲的語音信號及二者混合后的信號形成數(shù)據(jù)文件,存放在系統(tǒng)中。演示模塊可將上述3個信號的頻譜顯示出來,通過調(diào)整濾波器的參數(shù)設計濾波器,從而完成濾除噪聲的作用。同時,演示模塊還將每一個信號通過揚聲器傳送出來,感受到實際的濾波效果,

14、使學生對濾波器的作用有一個更直觀的理解。該部分的演示界面如圖5所示,該演示界面包括濾波器參數(shù)輸入?yún)^(qū)、信號頻譜及濾波器頻譜特性顯示區(qū)、實際語音信號輸 入、濾波器設計區(qū)、相關只是要點講解區(qū)等組成。圖5 II R 數(shù)字濾波器設計及在語音信號噪聲濾除中的應用(下轉(zhuǎn)第68頁計思路的框圖如圖10所示,在仿真電路中單刀雙擲開關擲零端實現(xiàn)初始狀態(tài)擲高電平端開始工作,交通燈用發(fā)光二極管仿真顯示。此設計題目中,既有時序電路計數(shù)器的設計,也有組合電路邏輯關系的設計,是學生對所學數(shù)字電路知識綜合應用能力 的體現(xiàn)。圖9 交通燈仿真控制系統(tǒng)圖10 交通燈仿真設計思路框圖3 教學效果學生的反映說明將EDA 技術引入電工學教

15、學并開展研究型教學的效果良好。學生的收獲主要有以下幾點。(1更好地理解和掌握了所學的知識 學生說 用軟件來研究電路問題還是第1次,M u ltisi m 是一個非常好用的電路仿真軟件,可以在沒有器材的條件下讓我們清楚的分析比較抽象的電路特性,這次所研究的兩個電路是很基本的電路,平時的研究方法是比較麻煩的,但是M u ltisi m 提供了強大的圖形支持,我們可以很容易的找出相位關系通頻帶。(2培養(yǎng)了學生研究問題和解決問題的能力 學生說:本次模電仿真作業(yè),我選的題目是晶體管的輸出特性曲線的仿真。首先,是對電路線路的設計,其中的矩形波形成電路、鋸齒波形成電路、i-v 轉(zhuǎn)換電路是使我自己設計的,原件

16、參數(shù)通過計算初步預定。最主要的難點是階梯波形成電路的設計。該電路比較復雜,我開始沒有設計出來。通過請教和查閱有關資料,才最終將其設計出來。(3培養(yǎng)了創(chuàng)新意識,激發(fā)了學生的創(chuàng)造性 學生說 我選的題目是交通燈電路的設計。因為這個題目有著相當大的現(xiàn)實意義和一定的難度。完成整個設計零零碎碎地花了我一個月的時間,而為了煅煉我的思維能力和創(chuàng)造能力。這次設計我花了很大的心血和精力,力求做到盡善盡美,并以現(xiàn)實模型為最終設計目標。4 結(jié)束語EDA 教學內(nèi)容,從2001年開始至今已經(jīng)使用了5年,取得了良好的教學效果。這些措施有力地培養(yǎng)了學生分析和解決問題的能力,激發(fā)了學習的積極性。實踐證明,EDA 是一種可以實現(xiàn)

17、研究型教學模式的良好軟件環(huán)境,在這個環(huán)境里,研究型教學是可以大有作為的。參考文獻(R eferences:1唐慶玉,劉廷文,盧瑞英,等.電工技術與電子技術實驗指導M .北京:清華大學出版社,2004.2段玉生,王艷丹,何麗靜.電工電子技術與EDA 基礎M .北京:清華大學出版社,2004.(上接第52頁4 結(jié)束語合理利用現(xiàn)代化教學手段對于教學時間相對減少、教學內(nèi)容不斷增加的今天無疑是提高教學質(zhì)量的有效途徑。常言道:百聞不如一見 。據(jù)有關資料表明,在人類感知的外界信息中,70%來源于眼睛的直觀形象。隨著計算機技術的發(fā)展,多媒體技術得到了迅速普及并日趨完善。根據(jù)數(shù)字信號處理#這門課程的特點及教學過程中的難點,不失時機的利用現(xiàn)代化教學手段輔助課堂教學,可以使抽象問題具體化,理論知識感性化,從而達到強化記憶、加深理解的效果。實踐證明,我們在課堂教學中結(jié)