Matlab ActiveX技術(shù)在“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)中的應(yīng)用

王雪飛，王昌盛，馬月紅

(軍械工程學(xué)院1.光學(xué)與電子工程系2.教育技術(shù)中心，河北石家莊050003)

“數(shù)字信號(hào)處理”課程是電子工程與信息類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程。Matlab作為一門具有科學(xué)計(jì)算和可視化能力的軟件工具，在“數(shù)字信號(hào)處理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用［1，2]。教師可根據(jù)課程設(shè)計(jì)在基于PowerPoint的教學(xué)課件與Matlab之間進(jìn)行切換。但是，頻繁的切換常常會(huì)干擾授課思路，打斷學(xué)生的連續(xù)性思維。為此，我們利用Matlab ActiveX自動(dòng)化技術(shù)與PowerPoint相結(jié)合，實(shí)時(shí)輸入Matlab計(jì)算指令，實(shí)時(shí)顯示計(jì)算結(jié)果，可達(dá)到教學(xué)課件與Matlab計(jì)算無縫鏈接的效果。

1 Matlab ActiveX與PPT相結(jié)合

ActiveX是一種基于windows操作系統(tǒng)的各種面向?qū)ο蠹夹g(shù)的集合。借助ActiveX，開發(fā)商和用戶可以把來自不同商家的ActiveX組件無縫地集成在自己的應(yīng)用程序中。Matlab支持ActiveX控件和ActiveX自動(dòng)化兩種技術(shù):其中，ActiveX自動(dòng)化使Matlab能施控或受控于其他組件。當(dāng)Matlab受控于其他組件時(shí)，Matlab表現(xiàn)為自動(dòng)化服務(wù)器(Automation Server)，它的功能是:使應(yīng)用程序可以在Matlab空間執(zhí)行指令，并與Matlab空間交換數(shù)據(jù)［3]。

Microsoft Windows應(yīng)用程序與Matlab ActiveX自動(dòng)化技術(shù)相鏈接，需要采用基于Microsoft的軟件編程語言:VBA(Visual Basic for Application)。VBA是Micorsoft Visual Basic的派生體，語言結(jié)構(gòu)和編程環(huán)境基本相同。唯一的區(qū)別是VBA與特定的應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)，不能用來編寫?yīng)毩⒌膽?yīng)用程序，只能在支持某個(gè)VBA的宿主程序中，建立和應(yīng)用VBA項(xiàng)目。

下面本文將以設(shè)計(jì)圖1和圖2所示的幻燈片為例，介紹如何采用VBA在PowerPoint中建立Matlab ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器的具體過程。

1)配置控件

圖1中主要有三個(gè)控件，這是通過在PowerPoint中選擇“工具”—“自定義”菜單項(xiàng)，在“工具欄”標(biāo)簽頁中選擇“控件工具箱”。在幻燈片適當(dāng)位置上拖動(dòng)鼠標(biāo)，產(chǎn)生所需的控件，調(diào)整控件的大小、位置和名稱等屬性。定義輸入命令串文本框inputBox，輸出結(jié)果文本框resultBox，執(zhí)行按鈕exeButton。

2)VBA編程

雙擊“執(zhí)行”按鈕，彈出VBA編程界面，在該按鈕的exeButton_Click事件中輸入以下代碼:

dim matlab as object%聲明對(duì)象

h=inputBox.value%獲取輸入文本框inputbox中的matlab指令字符串

result=matlab.execute(h);%執(zhí)行matlab命令

resultBox.value=result;%將執(zhí)行結(jié)果顯示在文本框resultBox中

set matlab=createobject(“matlab.application”)%createobject(class)用于創(chuàng)建并返回一個(gè)服務(wù)器對(duì)象，參數(shù)calss是服務(wù)器的外部對(duì)象名;matlab.execute(h)是服務(wù)器的自動(dòng)化方法，h為執(zhí)行指令，以“指令串”作為輸入?yún)⒘浚⒁源男问捷敵鲇?jì)算結(jié)果。

3)實(shí)時(shí)計(jì)算

保存后返回PPT設(shè)計(jì)界面。點(diǎn)擊“放映”圖標(biāo)，進(jìn)入幻燈片放映狀態(tài)，在輸入文本框中輸入Matlab指令后，點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，則在輸出框中顯示計(jì)算結(jié)果，如圖1所示。輸入窗口的命令可以在線修改和編輯，輸出結(jié)果實(shí)時(shí)刷新。

4)嵌入圖形

如需將Matlab繪制的圖形嵌入到幻燈片中，可按照以下步驟實(shí)現(xiàn):

(1)點(diǎn)擊“控件工具箱”上的“其他控件”圖標(biāo);

(2)選擇Microsoft Forms 2.0 Image，拖拉鼠標(biāo)創(chuàng)建圖形顯示框Image1，并設(shè)置相應(yīng)屬性;

(3)雙擊按鈕，彈出VBA編程界面，在該按鈕的exeButton_Click事件中嵌入代碼(略)。

完成以上步驟后，保存幻燈片。在“放映”狀態(tài)下，輸入matlab畫圖的指令，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 離散傅立葉變換的頻率分辨率

頻率分辨率定義為Δf=1/T，其中T為時(shí)域信號(hào)有效時(shí)長［4]。

由于頻域離散化是對(duì)無限長信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)嘣斐傻模灶l率分辨率直接受到窗函數(shù)的長度的影響。通過例題，對(duì)某信號(hào)進(jìn)行不同信號(hào)點(diǎn)數(shù)的DFT，觀察頻譜圖形的變化，窗長和分辨率的關(guān)系一目了然。

［例1] 定義一個(gè)包含兩個(gè)諧波分量信號(hào):f1=0.2Hz和f2=0.21Hz，計(jì)算N取不同值時(shí)的DFT，觀察頻譜形狀。

為滿足分辨率要求，理論上至少應(yīng)選取的窗長為T=1/(f2－f1)=100，當(dāng)信號(hào)長度N=50＜100時(shí)，頻譜分析的結(jié)果是兩個(gè)間隔為0.01Hz的頻率成分混疊在一起，如圖3所示。

在命令輸入?yún)^(qū)修改參數(shù)，令N=200，增大信號(hào)的時(shí)域有效長度，DFT幅度譜如圖4所示。觀察圖4發(fā)現(xiàn)，相鄰的兩個(gè)頻率成分被分辨開來。由此可以得出信號(hào)的頻率分辨率隨著信號(hào)長度的增加而提高的結(jié)論。

2.2 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)和極零分布

數(shù)字濾波器的極零點(diǎn)的位置確定了該系統(tǒng)的濾波特性。頻率響應(yīng)為傳遞函數(shù)的傅立葉變換，反映了濾波器對(duì)輸入信號(hào)的不同頻率分量在幅度和相位上的調(diào)制作用［4，5]。將濾波器的頻響曲線和極零點(diǎn)分布可視化，可幫助學(xué)生理解極零點(diǎn)位置對(duì)濾波器濾波特性的影響。

［例2] 給定濾波器的傳遞函數(shù)的系數(shù)矢量，試確定濾波器的極零分布和幅頻特性。

幻燈片設(shè)計(jì)有兩個(gè)圖形顯示區(qū)，Matlab指令及顯示結(jié)果如圖5所示。在極點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率處，其幅頻響應(yīng)幅度出現(xiàn)峰值，即系統(tǒng)對(duì)此頻率處的信號(hào)有較高的增益，表現(xiàn)為通帶;在零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率處，幅頻響應(yīng)幅度出現(xiàn)凹谷點(diǎn)，即系統(tǒng)對(duì)該頻率處的信號(hào)實(shí)現(xiàn)抑制，表現(xiàn)為阻帶。

如果修改極零點(diǎn)位置，查看濾波器的幅頻曲線變化，可以輸入圖6“命令輸入?yún)^(qū)”的命令。

圖6運(yùn)行結(jié)果顯示，在單位圓上零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率處，幅頻響應(yīng)為0，系統(tǒng)對(duì)此頻率處的信號(hào)完全抑制;而在離零點(diǎn)越遠(yuǎn)的頻率處，幅頻響應(yīng)幅值越高同理可以得到極點(diǎn)位置對(duì)濾波器濾波特性的影響。原點(diǎn)處的極零點(diǎn)不改變?yōu)V波特性。

3 結(jié)語

Matlab ActiveX技術(shù)將Matlab與PPT無縫連接，充分利用了多媒體的圖文并茂和Matlab的數(shù)值計(jì)算能力，由Matlab指令構(gòu)成的例題、演示，可以在線修改參數(shù)，將重點(diǎn)和難點(diǎn)直觀地展示出來，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)中實(shí)驗(yàn)不足的缺陷。實(shí)踐證明，基于Matlab ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器的電子課件制作方法，保持了授課思路的連貫性，同時(shí)加強(qiáng)了學(xué)生理解、分析和解決問題的能力。

［1] 崔靈智等.Matlab在數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J] .日照:山東水利職業(yè)學(xué)院院刊，2008(3)

［2] 張萌，武攀.基于Matlab的多采樣率信號(hào)處理教學(xué)設(shè)計(jì)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4)

［3] 張志涌等.精通Matlab6.5版［M] .北京:航空航天大學(xué)出版社.2003

［4] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理導(dǎo)論［M] .北京:清華大學(xué)出版社.2005

［5] 劉波.MATLAB信號(hào)處理［M] .北京:電子工業(yè)出版社，2006