58 •电子技术与软件工程  Electronic Technology & Software Engineering
软件开发
• Software Development
●基金项目：青岛农业大学本科实验教学研究课题（SYJK16-16）。
【关键词】数字信号处理 MATLAB 仿真平台 图形用户界面
《数字信号处理》是高校为电子通信类专业开设的核心专业基础课，对于学生整个课程体系的建立起着重要作用。课程主要包含序列傅里叶变换、Z 变换、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换及数字滤波器的设计等内容，具有理论丰富、公式繁琐及物理概念抽象的特点，需要学生具备较好的复变函数和信号与系统的理论基础，因此，造成了目前学生普遍认为该课程内容难以理解学习的现状。
实验教学作为理论教学的一个辅助手段，引用得当可以帮助学生更深入地理解和掌握本门课程理论知识。为了提高教学效果，结合多年的教学经验，本文基于Matlab 强大的图形用户界面（Graphical User Interface ，GUI ）和丰富的数字信号处理工具箱，设计开发了一个数字信号处理实验仿真平台。借助该平台，教师可以在课堂上以交互的方式进行实时仿真，将抽象的理论清晰、感性地再现，有效地提高了学生的学习兴趣和课堂教学效果；学生可以通过自主编程的方式进行滤波器的设计及应用实验，更能促进他们
不断深入学习和研究，提高其设计应用能力。
1 实验仿真平台结构
数字信号处理实验仿真平台旨在为教师和学生提供一个交互式的用户界面，能够将数字信号处理课程的基础理论和方法通过动态演示的方法展现在学生面前，亦可以通过学生操作及自主编程来验证多个实验现象。因此，实验平台内容可分为演示和实验两大类，其中实验类按学生的认知规律可进一步细分为验证性实验和设计性实验。即该平台从结构上包括基础知识演示、验证性实验和设计性实验三大模块，涵盖数字信号处理课程的主要教学内容。其中，基础知识演示模块主要用于课堂演示，将抽象内容通过仿真演示形象化，激发学生学习兴趣；验证性实验模块主要用于验证数字信
基于MATLAB GUI 的数字信号处理实验仿真平台设计
文/胡新艳  霍文晓  车晓岩  张爱英  曹红波
号处理的基本理论知识，加深学生理解；设计性实验主要用于学生自行选择参数进行滤波器的设计，从而提高其解决问题能力。
2 实验仿真平台实现
MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、 数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和以及交互式的集成环境，其编程简单且功能强大，在各工程领域得到了广泛应用，同时具有图形用户界面功能，向用户提供一系列创建用户图形界面的工具，设计简便灵活，便于进行人机交互。因此本课题基于MATLAB GUI 设计数字信号处理实验仿真平台。2.1 主界面设计
数字信号处理虚拟实验平台是由多个实验GUI 界面构成，其中实验平台主界面设计分为登陆界面和演示实验主界面两部分。登陆界面如图1(a)所示，界面设有两个按钮，点击“进入系统”按钮，输入学号，进入演示实验主界面，如图1(b)所示；点击“退出系统”按钮，则关闭整个系统。
演示与实验主界面中具体的实验内容设计成菜单项。当进入演示与实验主界面后，选择相应的实验内容菜单项，进入对应实验模块的子界面；点击“退出实验”菜单，则关闭演示实验主界面返回到登陆界面。2.2 实验平台模块设计与实现
（1）基础知识演示模块。利用GUI 设计的基础知识演示菜单包含序列产生和序列傅里叶变换及基本性
质两个菜单项。选择序列产生菜单，进入到典型序列产生及基本运算的子界面，主要实现典型序列（正弦、指数、矩形、冲激及阶跃等）的产生以及基本运算的演示；选择序列傅里叶变换及基本性质菜单，进入到如图2所示子界面。
界面图形窗口整体分为左右两部分，左侧为离散傅里叶变换及性质参数选择区，右侧为对应波形显示区域。其中参数选择区域包含4部分，分别为：①序列及其频谱，按下相应的按钮可依次在右侧波形区显示长度为8的斜坡序列x(n)时域波形、序列连续频谱DTFT 的幅度谱、序列4点DFT 及8点DFT 的幅度谱，如图3所示，演示了序列连续谱DTFT 和离散谱DFT 的关系，体现了DFT 的物理意义；②尺度变换性质；③循环移位性质，通过动画的形式演示DFT 的循环移位过程，加深对循环的认识；④循环卷积性质，通过按下按
钮和选择单选框的组合操作，可在右侧波形显示区域上方显示参与卷积的两个序列及其各自的DFT ，下方显示相应的循环卷积序列及其DFT ，帮助学生从本质上理解循环卷积性质，同时增加教学的趣味性。
（2）验证型实验模块。验证型实验主菜单包含系统稳定性分析、时域抽样和频域抽样3个实验，每个实验都下设“实验要求”和“实验运行”子菜单。单击“实验指导”，可以通过WORD 服务器打开该实验的实验指导书文档，学生可预先浏览，为实验做预习准备；单击“实验运行”菜单项，打开相应的实验运行界面，指导学生进行实验。
①系统稳定性分析，主要用于系统响应的确定及稳定性的分析。系统响应确定可采用卷积法和滤波器法两种方法实现，每一种方法对应一个面板区，面板中有相应的按钮和文字描述。其中卷积法确定系统响应，首先按下“单位样值响应”、“输入信号”按钮，在右侧区域显示相应的时域波形，接着按下“系统响应”按钮，则采用卷积法计算系统的零状态响应，并将波形显示在右侧区域，运行结果如图3所示；系统稳定性分析区域，同一系统给定两个
不同输入，通过对照观察时域波形结果，判断系统是否稳定，将稳定这一抽象的概念直观表
示，便于学生理解。
②时域抽样，运行界面如图4所示，通过下拉列表框选择不同的抽样频率，观察抽样信号及其频谱与原连续信号及其频谱之间的关系，掌握时域与频域的对应关系。
(a)登陆界面
(b)演示实验主界面
图1
Software Development  •
软件开发
Electronic Technology & Software Engineering  电子技术与软件工程• 59
③频域抽样，与②对偶，不作详细介绍。（3）设计型实验模块。该模块包括IIR 滤波器和FIR 滤波器设计2个实验。点击“IIR 滤波器设计”，打开如图5所示的运行界面。点击“FIR 滤波器设计”，打开FIR 滤波器设计运行界面。以IIR 滤波器设计为例进行说明，IIR 滤波器设计窗口按其功能可分为两个区域，左侧为滤波器设计选择区域，分别包含滤波器类型、模拟滤波器设计方法选择及参数设置区域，右侧为波形
显示区域，主要用于显示按参数要求设计的滤波器损耗特性曲线，测试信号及其频谱，以及滤波输出信号。具体操作过程：首先产生具有加性噪声的信号，显示信号及其频谱，然后根据频谱及目标信号频谱特点，确定设计滤波器的类型，并在IIR Filter Type 按钮组中做出相应选择，最后选择模拟滤波器设计方法，同时在参数选择区文本框中输入计算得到的截止频率及衰减指标后，按下“IIR Filter Design ”按钮，会在右侧波形显示区域显示设计的滤波器幅度损耗特性曲线，同时显示出测试信号经滤波器的输出曲线，从图中可看出，设计的低通椭圆滤波器能够很好地满足文本框中设置的参数要求，有效地将有用信号从含噪信号中提取出来。按下“Close ”按钮，关闭当前图形窗口，返回到主界面。该实验巧妙地将设计与应用合二为一，锻炼了学生的滤波器设计能力以及综合应用能力。
3 结语
数字信号处理实验教学仿真平台作为数字信号处理课程理论教学的有效辅助手段，涵盖了该课程的主要教学内容。教学实践表明，该实验平台通过演示和实验，既可以帮助学生更深入地理解本门课程抽象理论和概念，又能提高学生利用MATLAB 编程解决问题的能力，取得了较好的教学效果。
参考文献
[1]高西全，丁玉美. 数字信号处理教程[M].
西安：西安电子科技大学出版社,2015．[2]基于 Matlab GUI 的信号与系统
实验平台设计[J].实验技术与管理,2016,33(01):100-103.
[3]曹建玲，刘焕淋，雷宏江.基于Matlab
的“数字信号处理”仿真实验[J].中国电力教育,2012(32):88-89.
[4]易婷.基于 Matlab 的“数字信号处
理”课程实验设计[J].电气电子教学学报,2017,39(02):111-113.
作者简介
胡新艳（1977-），女，山东省青岛市人。现为青岛农业大学讲师。主要研究方向为信号与信息处理。
作者单位
青岛农业大学  山东省青岛市  266109
图5：IIR 滤波器设计运行界面
chexiao图2：序列傅里叶变换及基本性质子界面
图4：时域抽样定理实验运行界面
图3：卷积法确定系统零状态响应