基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理仿真平臺的設計

1.引言

數(shù)字信號處理，是現(xiàn)今應用成效最顯著、應用領域最廣的新科學之一，國內(nèi)外各高校均開設了數(shù)字信號處理課程。這門課程相應的特點是：公式特別多、性質(zhì)的推導復雜繁瑣、概念性的東西比較多，還需要以信號與系統(tǒng)等諸多課程為基礎，被很多同學認為大學最難的課程之一，學生因跟不上老師的進度和本身對學習內(nèi)容的理解不到位而對這門課程失去興趣。傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)遠遠滿足不了新時代教學的需求，在計算機技術(shù)快速發(fā)展的今天，計算機輔助教學己經(jīng)逐步成為教師授課的主要方式。MATLAB為數(shù)字信號處理課程的教學提供了很大的實驗幫助。很早之前，國外就開始把交互式軟件MATLAB用于數(shù)字信號處理的教學中，并采用功能強大的系統(tǒng)開發(fā)平臺。本文利用MATLAB的圖形界面設計工具(GUI)，以數(shù)字信號處理理論知識為基礎，設計了與課堂教學、實驗內(nèi)容相配套的輔助工具。該輔助工具可用于《數(shù)字信號處理》課程的實驗輔助教學、課堂教學演示，也可作為學生課后自學平臺，真正的將實驗內(nèi)容融入教學過程中。

2.MATLAB GUI簡介

GUI是當今計算機軟件的發(fā)展趨勢。

MATLAB為表現(xiàn)其基本功能而設計的演示程序demo是使用GUI的最好范例。MATLAB全面支持GUI編程，可自行設計窗口、菜單、對話框、滑動條等。在MATLAB的命令窗口中運行g(shù)uide,即進入交互式編程。

Guide可以根據(jù)用戶GUI的版面設計過程直接自動生成M文件框架，這樣就簡化了GUI應用程序的創(chuàng)建工作，用戶可以直接使用這個框架來編寫自己的函數(shù)代碼。

GUI設計可以采用兩種方法，一種是利用GUIDE工具進行設計。這種方法的優(yōu)點是上手容易;缺點是對于有些復雜功能的實現(xiàn)比較困難。另一種方法是基本代碼法，即在M文件中用MATLAB代碼寫出所有的圖形對象控件所對應的代碼，通過各個參數(shù)的控制可以靈活地實現(xiàn)所需要的功能。這種方法的缺點是上手困難;優(yōu)點是功能強大，可以實現(xiàn)許多復雜的功能，而且調(diào)試程序也比較容易。

3.基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理仿真平臺的構(gòu)建方案

采用MATLAB開發(fā)平臺，利用圖形用戶界面GUI,設計出結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，系統(tǒng)的主界面一共有七個主要子模塊，分別代表了七個教學內(nèi)容。通過單擊主界面上子模塊相應的按鈕即可啟動相應的子窗口。

該仿真平臺具有如下一些特點：

首先，該平臺的結(jié)構(gòu)設計層次分明，用戶界面是完全圖形化的，只需要點擊鼠標，輸入數(shù)據(jù)就能夠能完成所有的實驗。

其次，在內(nèi)容的安排上，此平臺使學生對本課程的內(nèi)容有一個整體統(tǒng)一的認識，用戶既可以在較短的時間內(nèi)完成實驗內(nèi)容，又可以做創(chuàng)新性實驗、設計性實驗，從而達到輔助教學的目的。

另外，傳統(tǒng)實驗是用示波器來觀察相應的圖形，與傳統(tǒng)實驗相比，此平臺的實驗結(jié)果更準確。

最后，只需要一臺計算機和MATLAB軟件即可，因此突破了傳統(tǒng)實驗模式中受時間地點限制的缺點。

4.基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理仿真平臺的實現(xiàn)

(1)軟件主界面

各界面的設計主要采用了靜態(tài)文本框、列表框、可編輯文本、面板和坐標軸等控件來實現(xiàn)一些功能。各個控件的功能通過編寫其相應的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)。主界面是軟件開始運行的主要界面，如圖2所示。

(2)軟件子界面

數(shù)字信號處理在各子模塊的內(nèi)容和分析過程雖有不同，但其設計思想基本類似，下面以快速傅立葉變換和FIR數(shù)字濾波器的設計為例。

1)快速傅立葉變換

在主界面中，點擊快速傅立葉變換及其應用，進入子模塊。只需要在界面輸入所需要的序列，點擊繪制，便能得到序列的FFT結(jié)果。

如圖3所示，當輸入x(n) = {1;2;3;4;5;6;7;8}時。

2)FIR數(shù)字濾波器的設計

對該平臺完成控件布局之后，開始編制回調(diào)程序。該模塊的界面如圖4所示。

該模塊的主要功能有，可以采用窗函數(shù)和頻率采樣兩種方法來設計FIR濾波器，只要輸入濾波器的性能指標或是濾波器的傳遞函數(shù)，但可得到相應濾波器的幅頻響應和相頻響應。

輸入通帶截止頻率：0.2Hz,通帶內(nèi)波動：1dB,阻帶截止頻率：0.4Hz,阻帶波動：30dB,即可得到濾波器的的幅頻響應及相頻響應圖。

在該系統(tǒng)中，每個模擬提供一個相對獨立的功能，可在交互界面中選擇不同的運行參數(shù)。

5.結(jié)論

此仿真平臺的制作是為了能夠更方便地進行數(shù)字信號處理的輔助教學，此平臺使得教學的內(nèi)容更加直觀，理論知識更容易理解，所以能夠有效地提高教師授課的效率。通過此仿真平臺，不僅能夠激發(fā)學生對數(shù)字信號處理課程的學習興趣，還能夠加深對理論公式等知識的理解。此外，有了這樣一個可以在計算機上操作的仿真平臺，不僅使學生容易掌握那些比較抽象的數(shù)字信號處理知識的內(nèi)容抽象，而且使教師的教學內(nèi)容更形象化、生動化。本系統(tǒng)擁有友好的MATLAB GUI界面設計，用豐富的畫面、簡潔的文字將數(shù)字信號處理中抽象的實驗內(nèi)容展現(xiàn)在學生面前，提高了學生的學習主動性和積極性。