原创《《数字信号处理》虚拟实验平台的设计》
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摘 要：大学在教学模式方面需要根据技术的发展来做一些改进,取其精华,去其糟粕,保留原有“教”的部分,加入更多“学”的部分,“学”即实验教学的部分.本文以MATLAB作为设计开发的软件,利用图形用户界面工具箱建立GUI界面,设计基于MATLAB的数字信号处理虚拟实验平台,将数字信号处理的实验内容集中在一个平台上,操作简单方便,结果直观准确,提高了数字信号处理课程的教学质量和效果.
关键词：数字信号处理；人机交互；虚拟实验环境；GUI界面
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）36-0274-03
一、数字信号处理的实验教学现状
数字信号处理（digital signal processing,DSP）是一门随着计算机和信息学科的快速发展而发展起来的新兴学科,现已成为大学本科电子及通信专业必修的专业基础课.数字信号处理就是以数字为载体对信号进行处理,通过专用的信号处理的硬件设备,将信号数字化,以利于信号的传输、分析与变换,来达到高效的传输与便捷的处理的目的.
二、MATLAB软件的简单介绍
MATLAB是美国MathWorks公司开发的商业数学软件,它用于向用户提供概念设计、算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计算语言以及交互式的集成环境,主要包含了MATLAB和Simulink两大部分.MATLAB的主要特点在于可以依据相对简捷的语言规则,编织出界面优美、功能强大且结果可靠的高质量的设计程序,而且程序的编写也相对其他设计语言简单了很多,有利于初学者的学习；并且调试简单,效率极高.MATLAB可以进行矩阵运算、实现算法、创建用户界面、绘制函数和数据等,主要应用于信号检测与分析、信号处理与通讯、图像处理、工程计算等领域.随着软件版本的不断升级,MATLAB包含的功能也越来越强大,它所应用的范围也越来越广阔.在此次数字信号处理虚拟实验平台的设计中,主要通过对MATLAB中图形用户界面工具箱的使用来进行对虚拟实验平台的设计.如图1所示,选择Blank GUI（Default）建立GUI对象.
建立GUI对象之后,进入GUI编辑界面,如图2所示.GUI编辑界面主要包括GUI对象选择区、GUI工具栏、GUI布局区、状态栏四个部分.通过对数字信号处理实验知识点的理解,设计出相应的实验界面.
三、基于
MATLAB的数字信号处理实验平台的设计
（一）设计目标
数字信号处理实验平台的设计的根本设计目标是建立一个涵盖数字信号处理基础理论知识和实践操作的集成虚拟实验平台,实现包括序列的运算、变换、频谱分析、滤波等多个实验内容,结合现代化的信息技术,将实验的硬件进行虚拟化,并将其所应用的方向进行延伸,用于课前预习、实物操作过程的辅助以及课后复习,对教学内容的理解和掌握等方面,学生可以对自己没有掌握的内容侧重复习,不仅提高了学习的效率,而且操作方面也更加方便.
（二）设计步骤
在本平台的设计中,平台布局的设计采用自顶向下的设计方法,也就是先设计主界面,确定主界面所要包含的内容和实验名称,然后根据主界面的实验进行子界面的实验内容、框架的设计.设计完成之后的界面,只是一些静态的界面,不能运用于教学实验的操作,若想达到教学的实验目的,必须进行回调函数的编写,插入实验所需的程序,运行之后就可得到教学实验结果.
其设计的具体步骤如下,包含几个部分：
1.先分析确定平台所要实现的基本功能,确定平台设计的整体框架,即主界面和包含实验内容和操作的实验子界面.
2.利用MATLAB软件中的图形用户界面工具箱进行GUI界面的设计,在GUI对象选择区选择“按钮”、“文本”、“坐标轴”、“面板”等控件,然后在GUI布局区对每一个实验界面进行设计.
3.完成平台布局设计之后,在GUI工具栏对界面控件的属性进行设置；
4.根据每个实验所要得到的结果,分别对每个实验界面的控件编写相对应的回调函数,然后运行得到结果.
5.将设计完成的实验主界面以及子界面利用程序连接起来,将一个个单一的界面整合成一个系统,即通过数字信号处理实验主界面的按钮控件就可以进入到它所包含的任何一个实验子界面进行实验.6.实验界面总体的调试和完善.
（三）虚拟实验平台的实现
1.实验平台的内容.数字信号处理虚拟实验平台是由多个实验GUI界面构成的,利用MATLAB中的图形用户界面工具箱建立GUI对象,通过对GUI的编辑来搭建实验平台界面.主界面包含对数字信号处理课程的简介和六个实验部分,如图3所示.目前包括序列的运算、快速傅里叶变换（FFT）实现、利用FFT做连续信号的频谱分析、离散傅里叶变换（DFT）、无限冲击响应滤波器（IIR）实现、有限冲击响应滤波器（FIR）实现,后续可继续增加.每个实验又包括实验指导书界面和实验操作界面,实验指导书界面有实验目的、实验原理以及实验操作所需要的函数,通过开始实验进入实验操作界面,通过对实验参数的设置,得到不同的实验结果,然后通过对结果进行分析比对,更加深刻地理解并掌握所学的理论基础知识.
2.实验平台的操作及实现.（1）实验平台的操作.在进行实验教学时,学生使用学号登录实验系统,点击数字信号处理课程的按钮进入实验课程主界面,如图3所示.浏览课程简介以及实验名称,选择需要做的实验,点击实验名称按钮,进入实验指导书界面,如图4所示,进入实验一的指导书界面.在实验指导界面包括实验目的、实验原理、实验函数和开始实验四个操作按钮.以实验一指导书界面为例,通过点击“实验目的”、“实验原理”、“实验函数”按钮,得到相应的界面,如图5、图6、图7所示.学生可以通过这些界面了解实验内容以及实验的操作方法.当然,学生也可通过工具栏的“首页”或“数字信号处理”按钮返回实验主界面.
阅读完实验指导书之后,学生就可以进入到实验的操作部分,点击实验指导书界面的“开始实验”按钮,进入到实验操作界面,以“ 序列的运算”实验为例,如图8所示.学生在操作界面选择运算类型,包括“序列相加”、“序列相乘”、“位移”、“反褶”、“卷积”和“尺度变换”,点击下拉菜单选择任一运算类型,点击“开始”按钮就可得到实验结果,如选择“尺度变换”得到实验结果如图9所示.当然,学生也可通过“重置”按钮清空实验结果,重新开始实验.
（2）实验平台的实现.对于实验平台的实现,采用MATLAB中的图形用户界面工具箱创建一个GUI对象,进入GUI编辑界面,如图2所示.在编辑界面的GUI对象选择区选择对象控件,然后在GUI布局区进行控件布局排版设计.以“离散傅里叶变换（DFT）”实验为例,在GUI编辑界面先放置三个实验面板区域,包括“实验信息”面板、“参数设置”面板和“结果显示”面板.在“实验信息”面板选择“静态文本标签”和“单选按钮”控件编辑实验的名称及变换序列的选择；在“参数设置”面板选择“弹出式菜单”和“按钮”控件编辑实验参数及实验开始和重置的按钮；在“结果显示”面板选择“坐标轴”控件进行实验结果的显示.“离散傅里叶变换（DFT）”实验整体布局如图10所示.对实验界面的整体布局设计完成之后,在GUI工具栏设置对象属性.比如采用检查器工具对控件进行“FontSize”、“FontWeight”、“BackgroundColor”、“String”、“Visible”等属性的设置,如图11所示.
完成界面的以上编辑之后,还须进行回调函数的编写,插入实验所需的程序.选择实验控件,点击检查器中“Callback”属性,编写该控件的回调函数,如图12所示.编写完所有控件的回调函数之后,对程序进行调试运行,就可得到实验操作界面,对该界面的实验参数进行选择或设置,就可得到该实验的实验结果,如图13所示,为离散傅里叶变换（DFT）的实验结果.
本文讲述了基于MATLAB设计的数字信号处理课程实验仿真平台,系统地阐述了课程部分实验的具体操作过程.虚拟实验平台的设计,不仅展示了MATLAB的GUI界面在数字信号处理课程辅助教学中的优点,而且交互性的实验界面以及其参数的可设置性使得数字信号理解分析的过程变得更加容易控制,实验结果更加直观,因而将其应用到数字信号处理课程辅助教学中可使得学生对理论公式和数值计算更易于理解并掌握.
信号处理论文参考资料：
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