基于GUI的模擬信號數(shù)字處理系統(tǒng)的設(shè)計

黃金鳳

摘要：《數(shù)字信號處理》這門課程是電子和通信專業(yè)的主干課程，涉及的原理和公式比較多，學(xué)生掌握和應(yīng)用難度較大，本文將課程中模擬信號數(shù)字處理這部分的內(nèi)容，通過GUI的可視化操作演示，幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握這部分的相關(guān)知識點。

關(guān)鍵詞：模擬信號數(shù)字處理 ；GUI

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0236-03

隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論與應(yīng)用得到了飛躍式的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)形成一門極其重要的獨立學(xué)科體系。數(shù)字信號處理是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字處理設(shè)備，采用數(shù)值計算的方法對信號進(jìn)行處理的一門學(xué)科，它包括數(shù)據(jù)采集，以及對信號進(jìn)行變換、分析、綜合、濾波、估值與識別等加工處理，以便于提取信息和應(yīng)用。與傳統(tǒng)的模擬處理方法相比較，數(shù)字處理具有無法比擬的優(yōu)點。因此，傳統(tǒng)的模擬信號處理系統(tǒng)正逐步地被數(shù)字信號處理系統(tǒng)所取代。相關(guān)專業(yè)學(xué)生在掌握這門課程時，往往對于其中涉及的計算公式和原理感到枯燥乏味，學(xué)習(xí)積極性不高，針對這種情況，教師在上這門課程時，盡量將原理公式和實際應(yīng)用相結(jié)合，多用圖形等直觀體現(xiàn)，少用計算公式等復(fù)雜推導(dǎo)。

本文以模擬信號數(shù)字處理理論知識為基礎(chǔ)，以MATLAB的GUI設(shè)計為開發(fā)平臺，通過GUI的可視化操作演示，幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握這部分的相關(guān)知識點。

1 基于GUI的模擬信號數(shù)字處理系統(tǒng)

1.1 數(shù)字處理系統(tǒng)處理模擬信號

數(shù)字處理系統(tǒng)處理模擬信號的原理框圖如圖1所示。

在工程實際中，將采樣和量化編碼兩部分集成在一起，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其功能是將模擬信號變換成數(shù)字信號。量化編碼器的作用是將采樣得到的每個信號樣值變換成有限位二進(jìn)制編碼。

隨著計算機(jī)和專用數(shù)字處理系統(tǒng)的字長不斷增加，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化誤差、數(shù)字處理系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)量化誤差，以及處理過程中的運算誤差越來越小，如果忽略這些誤差，模數(shù)轉(zhuǎn)換器就與采樣等價，數(shù)字處理系統(tǒng)與時域離散系統(tǒng)等價，圖1可以簡化為圖2，即用時域離散系統(tǒng)處理模擬信號的原理方框圖。在工程實際應(yīng)用中，可以先根據(jù)要求設(shè)計圖2所示的時域離散系統(tǒng)，再根據(jù)對信號處理的精度要求，選取合適的量化位數(shù)，對采樣信號和時域離散系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行量化，就將時域離散系統(tǒng)變成了數(shù)字系統(tǒng)。因此本文用GUI實現(xiàn)的是圖2所示的原理框圖。

圖2中，模擬信號的預(yù)處理，又稱為預(yù)濾波或者前置濾波，濾除輸入模擬信號中無用的頻率成分和噪聲，避免采樣后發(fā)生頻譜混疊失真。采樣是將模擬信號轉(zhuǎn)換成時域離散信號；時域離散系統(tǒng)可以對輸入的信號進(jìn)行各種運算、變換等。平滑濾波又稱為恢復(fù)濾波，作用是將時域離散信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。

2 GUI界面設(shè)計

利用MATLAB新建GUI 文件，設(shè)計出模擬信號數(shù)字處理系統(tǒng)框圖如圖3所示。

對于整個系統(tǒng)的模擬演示如圖4所示。

圖4中，輸入信號表達(dá)式為[x（t）=g0.6（t）+sin（12πt）]，其中，矩形信號[g0.6（t）]頻率為3Hz，正弦信號[sin（12πt）]頻率為6Hz；通過模擬低通濾波器進(jìn)行預(yù)濾波，將頻率超過3Hz的信號濾除掉，得到矩形信號[g0.6（t）]；接著對該信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為15，得到時域離散信號[g9（n）]；最后對[g9（n）]進(jìn)行插值（恢復(fù)濾波），還原成原先的矩形信號。

圖3中，當(dāng)點擊GUI界面各按鈕時，會彈出相應(yīng)的對話框進(jìn)行參數(shù)選擇與設(shè)置，具體操作如下所示。

當(dāng)點擊輸入信號按鈕時，彈出信號選擇窗口，可以選擇典型信號，也可以自定義信號波形，如圖5所示。當(dāng)點擊預(yù)處理按鈕時，會彈出如圖6所示的對話框，可以輸入模擬低通濾波器的截止頻率，從而對輸入信號進(jìn)行濾波。當(dāng)點擊采樣按鈕時，會彈出如圖7所示的對話框，可以輸入采樣頻率，從而將模擬信號轉(zhuǎn)換成時域離散信號。當(dāng)點擊恢復(fù)濾波按鈕時，會彈出如圖8所示的對話框。對于時域離散系統(tǒng)這個按鈕，可以添加DTFT、DFT、FFT、頻域分析、Z域分析、數(shù)字濾波器設(shè)計等內(nèi)容，方便學(xué)生邊學(xué)邊用。這部分內(nèi)容本文不詳細(xì)闡述。

上述按鈕選擇說明，以自定義信號[x（t）=Sa（t）+sin（12πt）]為例，輸入信號有正弦信號，矩形信號，三角波信號， [Sa（t）]采樣信號和自定義信號，選擇自定義信號，彈出如圖9所示的自定義窗口，進(jìn)行波形參數(shù)設(shè)置，波形如圖5所示；對該輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，如圖6所示，左邊波形為輸入信號，右邊波形為預(yù)濾波后的輸出信號，將正弦信號[sin（12πt）]濾除掉，得到[Sa（t）]信號；接著對[Sa（t）]信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為15Hz，生成如圖7所示的波形；對該波形接著進(jìn)行插值，恢復(fù)出原始的模擬信號，如圖8所示，左圖為待插值的離散序列，右圖為插值后的模擬信號。由圖8所示的恢復(fù)結(jié)果和圖4所示的對矩形序列進(jìn)行插值得到的恢復(fù)結(jié)果進(jìn)行對比，可以看出，當(dāng)插值函數(shù)采用[Sa（t）]函數(shù)進(jìn)行恢復(fù)時，矩形信號的恢復(fù)結(jié)果和原模擬信號有一定誤差，主要是出現(xiàn)了過渡帶和邊帶波紋，而[Sa（t）]信號的恢復(fù)結(jié)果與原模擬信號無誤差，我們可以用其他信號進(jìn)行恢復(fù)，最終得出一個結(jié)論，當(dāng)用[Sa（t）]函數(shù)進(jìn)行恢復(fù)時，恢復(fù)結(jié)果波形上會出現(xiàn)過渡帶和邊帶波紋這一特點。

3 結(jié)語

通過GUI可視化的操作演示，學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬信號數(shù)字處理這部分內(nèi)容時，可以邊學(xué)習(xí)理論知識，邊將理論知識用MATLAB加以實現(xiàn)，通過GUI設(shè)計，可以更宏觀地察看信號之間的處理關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉艷.基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理仿真平臺的設(shè)計[J].電子世界，2013，30（17）：133-134.

[2] 張俊勇.基于GUI的MATLAB數(shù)字信號處理[J].輕工科技，2014，186（5）：71-72.

[3] 劉明君，邵貴成，南素華.信息處理類課程教學(xué)改革研究[J].高師理科學(xué)刊，2017，37（2）：74-76，91.

[4] 程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：85-90.

[5] 丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

【通聯(lián)編輯：唐一東】