采用MATLAB推进《数字信号处理》课程的实验教学

田熙燕+杜留锋

摘要：该文借助MATLAB丰富的工具箱函数，完成了《数字信号处理》课程基础运算的仿真设计。系统分为主界面设计和分类界面设计两部分，使用者点击相应实验界面，输入参数可以完成相应运算实验内容，操作简单，结果形象直观，灵活性强。

关键词：数字信号处理；MATLAB；图形用户界面

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）30-7132-03

随着现代各种电子信息技术的发展，数字化应用越来越广泛的，人们的生产生活方式呈现出全新的面貌，其核心就是数字信号的处理。《数字信号处理》课程是电子、通信以及电气等多个理工科专业必修的一门专业基础课。该课程内容多为复杂难理解的的数学理论和公式推导，在教学中穿插实验能帮助对理论的掌握和应用，而传统的实验教学模式，大部分也都是验证性的，学生按部就班照本操作，不能很好地将理论与实践的真正结合，达不到强化学生掌握基本知识理论的目的。根据我多年教学经验，发现太简单和太难的实验内容，学生都不会表现出太大的学习兴趣，实验教学改革的基本原则应该是适合学生的学习难度，提高学生兴趣。

MATLAB仿真图形界面，实现功能多，便于学生自己动手设计，适合大多数学生快速掌握和应用，可作为学生学习《数字信号处理》课程的实验工具，帮助学生解决课程中遇到的问题。

1 实验项目的GUI设计

1.1基本模块

利用MATLAB的GUIDE工具箱，系统界面以各类按钮、文本说明、编辑对话框和坐标轴等构成，即使学生不是很精通MATLAB，也可以很方便地操作使用。

整个系统总体设计结构如图1所示。

该实验系统设计六个GUI项目，课程知识概括全面，操作简单易学，结果直观。具体的层次结构划分以下四个模块：

1） 实验主界面模块：显示系统所能实现的实验项目，点击项目按钮进入对应实验详细内容。

2） 实验项目模块：所对应的六个实验项目的具体内容。

3） 实验内容模块：指导对当前实验项目的操作，主要以文本形式出现。

4） 实验结果显示模块：以图形和文本形式输出。

完整的实验界面包括整个系统的主界面和分类项目界面，点击主界面的选项可以进入任一个子实验项目界面，任一个子界面都能回到主界面。如图2所示，用户可以根据自己的需要点击相应的按钮，进入实验项目子界面，点击“退出”按钮，可直接退出该实验系统，通过界面上各个控件就可以控制数据的输入、图形的演示等功能，方便对实验内容及结果的对照分析。

1.2界面平台部分功能演示

下面选取几个实例，对上述GUI界面功能进行演示，以展示其设计效果。

1） 序列的基本运算

序列自身运算包含翻转、移位和尺度变换，设置对应的参数，对指定序列进行变换。

打开GUIDE编辑界面，从控件工具栏拖拽按钮PushButton、文本编辑框Edit Text、坐标系Axes和静态文本Static Text等控件。双击弹出属性对话框，设置分布位置与控件大小比例。界面见图3。

上图分为左、右两个区域。左边区域实现的是序列的翻转、移位和尺度变换，点击“产生序列x（k）={1，2，3，4，5；k=0，1，2，3，4}”按钮，可产生演示序列，输入参数，可进行相应的演示，其中，对尺度变换部分用静态文本Static Tex进行了详细说明；右边区域，实现的是序列加法和乘法的演示，因为加乘运算较为简单，故演示序列设为固定的两个，没有进行任意序列的设计。

“实验说明”按钮同样是弹出实验原理简介，帮助对理论知识的先行复习；点击“返回”将弹出实验主界面并关闭该子界面；“退出”关闭该子界面。

2） 序列的卷积和界面演示

离散卷积和，可以计算系统的零状态响应，即系统零状态响应等于激励与系统单位取样响应的卷积，卷积运算在离散序列处理领域应用广泛，关系式如下：

[y（k）=x（k）*h（k）=m=-∞∞x（m）h（k-m）]

本部分GUI实现的是有限长序列的卷积，这也和实际信号处理情况相吻合。通过界面演示两给定序列的卷积，深刻理解卷积的运算步骤过程：翻转、移位，相乘，累加。实验操作为打开GUIDE编辑界面，从控件工具栏拖拽按钮PushButton、坐标系Axes、按钮组Button Group和单选按钮RadioButton等控件，按钮组和两个单选按钮组合“演示速度”选择面板。设置控件属性，设计控件分布位置与大小比例。

界面在进行卷积过程演示时，由于循环和暂停延迟控制，界面为动态显示，如图4截取了演示过程中的4张图，演示速度设置为“慢”。界面演示时，除了显示序列h（m）的翻转、移位外，还在图的下方给出各个y（k）值的对应计算简式，便于结合卷积定义式对过程的理解。

2 界面设计部分

另外，界面还提供了操作者自行进行设计部分。通过点选相应按钮，把文件名填入到edit框中，由操作界面读取作为参考，该部分的每个操作实现，都需要自己编程、调试再运行，实现的流程，在界面上都用“=》”做了简单指示，具体步骤，可点选按钮“设计说明”进行查看，过比较来加深认识设计方法的优越性和简便性。

3 总结

本文设计了一个学习滤波器的实验平台，实现了实例演示和自主设计两部分功能，操作简单，结果直观，可作为学生学习相关课程内容的辅助工具，帮助学生解决课程中遇到的问题，增强学习基础理论知识的兴趣。

参考文献：

[1] 李光平，韩一石.地方工科院校数字信号处理课程的教学思考[J].科技信息，2011（18）：6-7.

[2] 程佩青.数字信号处理教程[M]. 3版.北京：清华大学出版社，2007.

[3] 夏平，向学军，吉培荣，基于MATLAB的信号与系统、数字信号处理实验体系教学实践[J].电气电子教学学报，2004，26（5）：73-74.

[4] 张刚，贺利芳.基于Matlab的“数字信号处理”课程教学探索[J].高等教育研究：成都，2007，24（2）：45-46.

[5] 李筠，钱雯磊.具有图形用户界面的数字信号处理实验教学设计[J].光学技术，2007，33（11）：299-302.

[6] 张登奇，杨慧银.信号的频谱分析及MATLAB实现[J].湖南理工学院学报：自然科学版，2010，23（3）：29-33.

[7] 沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现[J].实验技术与管理，2008，25（2）：88-91.endprint

摘要：该文借助MATLAB丰富的工具箱函数，完成了《数字信号处理》课程基础运算的仿真设计。系统分为主界面设计和分类界面设计两部分，使用者点击相应实验界面，输入参数可以完成相应运算实验内容，操作简单，结果形象直观，灵活性强。

关键词：数字信号处理；MATLAB；图形用户界面

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）30-7132-03

随着现代各种电子信息技术的发展，数字化应用越来越广泛的，人们的生产生活方式呈现出全新的面貌，其核心就是数字信号的处理。《数字信号处理》课程是电子、通信以及电气等多个理工科专业必修的一门专业基础课。该课程内容多为复杂难理解的的数学理论和公式推导，在教学中穿插实验能帮助对理论的掌握和应用，而传统的实验教学模式，大部分也都是验证性的，学生按部就班照本操作，不能很好地将理论与实践的真正结合，达不到强化学生掌握基本知识理论的目的。根据我多年教学经验，发现太简单和太难的实验内容，学生都不会表现出太大的学习兴趣，实验教学改革的基本原则应该是适合学生的学习难度，提高学生兴趣。

MATLAB仿真图形界面，实现功能多，便于学生自己动手设计，适合大多数学生快速掌握和应用，可作为学生学习《数字信号处理》课程的实验工具，帮助学生解决课程中遇到的问题。

1 实验项目的GUI设计

1.1基本模块

利用MATLAB的GUIDE工具箱，系统界面以各类按钮、文本说明、编辑对话框和坐标轴等构成，即使学生不是很精通MATLAB，也可以很方便地操作使用。

整个系统总体设计结构如图1所示。

该实验系统设计六个GUI项目，课程知识概括全面，操作简单易学，结果直观。具体的层次结构划分以下四个模块：

1） 实验主界面模块：显示系统所能实现的实验项目，点击项目按钮进入对应实验详细内容。

2） 实验项目模块：所对应的六个实验项目的具体内容。

3） 实验内容模块：指导对当前实验项目的操作，主要以文本形式出现。

4） 实验结果显示模块：以图形和文本形式输出。

完整的实验界面包括整个系统的主界面和分类项目界面，点击主界面的选项可以进入任一个子实验项目界面，任一个子界面都能回到主界面。如图2所示，用户可以根据自己的需要点击相应的按钮，进入实验项目子界面，点击“退出”按钮，可直接退出该实验系统，通过界面上各个控件就可以控制数据的输入、图形的演示等功能，方便对实验内容及结果的对照分析。

1.2界面平台部分功能演示

下面选取几个实例，对上述GUI界面功能进行演示，以展示其设计效果。

1） 序列的基本运算

序列自身运算包含翻转、移位和尺度变换，设置对应的参数，对指定序列进行变换。

打开GUIDE编辑界面，从控件工具栏拖拽按钮PushButton、文本编辑框Edit Text、坐标系Axes和静态文本Static Text等控件。双击弹出属性对话框，设置分布位置与控件大小比例。界面见图3。

上图分为左、右两个区域。左边区域实现的是序列的翻转、移位和尺度变换，点击“产生序列x（k）={1，2，3，4，5；k=0，1，2，3，4}”按钮，可产生演示序列，输入参数，可进行相应的演示，其中，对尺度变换部分用静态文本Static Tex进行了详细说明；右边区域，实现的是序列加法和乘法的演示，因为加乘运算较为简单，故演示序列设为固定的两个，没有进行任意序列的设计。

“实验说明”按钮同样是弹出实验原理简介，帮助对理论知识的先行复习；点击“返回”将弹出实验主界面并关闭该子界面；“退出”关闭该子界面。

2） 序列的卷积和界面演示

离散卷积和，可以计算系统的零状态响应，即系统零状态响应等于激励与系统单位取样响应的卷积，卷积运算在离散序列处理领域应用广泛，关系式如下：

[y（k）=x（k）*h（k）=m=-∞∞x（m）h（k-m）]

本部分GUI实现的是有限长序列的卷积，这也和实际信号处理情况相吻合。通过界面演示两给定序列的卷积，深刻理解卷积的运算步骤过程：翻转、移位，相乘，累加。实验操作为打开GUIDE编辑界面，从控件工具栏拖拽按钮PushButton、坐标系Axes、按钮组Button Group和单选按钮RadioButton等控件，按钮组和两个单选按钮组合“演示速度”选择面板。设置控件属性，设计控件分布位置与大小比例。

界面在进行卷积过程演示时，由于循环和暂停延迟控制，界面为动态显示，如图4截取了演示过程中的4张图，演示速度设置为“慢”。界面演示时，除了显示序列h（m）的翻转、移位外，还在图的下方给出各个y（k）值的对应计算简式，便于结合卷积定义式对过程的理解。

2 界面设计部分

另外，界面还提供了操作者自行进行设计部分。通过点选相应按钮，把文件名填入到edit框中，由操作界面读取作为参考，该部分的每个操作实现，都需要自己编程、调试再运行，实现的流程，在界面上都用“=》”做了简单指示，具体步骤，可点选按钮“设计说明”进行查看，过比较来加深认识设计方法的优越性和简便性。

3 总结

本文设计了一个学习滤波器的实验平台，实现了实例演示和自主设计两部分功能，操作简单，结果直观，可作为学生学习相关课程内容的辅助工具，帮助学生解决课程中遇到的问题，增强学习基础理论知识的兴趣。

参考文献：

[1] 李光平，韩一石.地方工科院校数字信号处理课程的教学思考[J].科技信息，2011（18）：6-7.

[2] 程佩青.数字信号处理教程[M]. 3版.北京：清华大学出版社，2007.

[3] 夏平，向学军，吉培荣，基于MATLAB的信号与系统、数字信号处理实验体系教学实践[J].电气电子教学学报，2004，26（5）：73-74.

[4] 张刚，贺利芳.基于Matlab的“数字信号处理”课程教学探索[J].高等教育研究：成都，2007，24（2）：45-46.

[5] 李筠，钱雯磊.具有图形用户界面的数字信号处理实验教学设计[J].光学技术，2007，33（11）：299-302.

[6] 张登奇，杨慧银.信号的频谱分析及MATLAB实现[J].湖南理工学院学报：自然科学版，2010，23（3）：29-33.

[7] 沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现[J].实验技术与管理，2008，25（2）：88-91.endprint

摘要：该文借助MATLAB丰富的工具箱函数，完成了《数字信号处理》课程基础运算的仿真设计。系统分为主界面设计和分类界面设计两部分，使用者点击相应实验界面，输入参数可以完成相应运算实验内容，操作简单，结果形象直观，灵活性强。

关键词：数字信号处理；MATLAB；图形用户界面

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）30-7132-03

随着现代各种电子信息技术的发展，数字化应用越来越广泛的，人们的生产生活方式呈现出全新的面貌，其核心就是数字信号的处理。《数字信号处理》课程是电子、通信以及电气等多个理工科专业必修的一门专业基础课。该课程内容多为复杂难理解的的数学理论和公式推导，在教学中穿插实验能帮助对理论的掌握和应用，而传统的实验教学模式，大部分也都是验证性的，学生按部就班照本操作，不能很好地将理论与实践的真正结合，达不到强化学生掌握基本知识理论的目的。根据我多年教学经验，发现太简单和太难的实验内容，学生都不会表现出太大的学习兴趣，实验教学改革的基本原则应该是适合学生的学习难度，提高学生兴趣。

MATLAB仿真图形界面，实现功能多，便于学生自己动手设计，适合大多数学生快速掌握和应用，可作为学生学习《数字信号处理》课程的实验工具，帮助学生解决课程中遇到的问题。

1 实验项目的GUI设计

1.1基本模块

利用MATLAB的GUIDE工具箱，系统界面以各类按钮、文本说明、编辑对话框和坐标轴等构成，即使学生不是很精通MATLAB，也可以很方便地操作使用。

整个系统总体设计结构如图1所示。

该实验系统设计六个GUI项目，课程知识概括全面，操作简单易学，结果直观。具体的层次结构划分以下四个模块：

1） 实验主界面模块：显示系统所能实现的实验项目，点击项目按钮进入对应实验详细内容。

2） 实验项目模块：所对应的六个实验项目的具体内容。

3） 实验内容模块：指导对当前实验项目的操作，主要以文本形式出现。

4） 实验结果显示模块：以图形和文本形式输出。

完整的实验界面包括整个系统的主界面和分类项目界面，点击主界面的选项可以进入任一个子实验项目界面，任一个子界面都能回到主界面。如图2所示，用户可以根据自己的需要点击相应的按钮，进入实验项目子界面，点击“退出”按钮，可直接退出该实验系统，通过界面上各个控件就可以控制数据的输入、图形的演示等功能，方便对实验内容及结果的对照分析。

1.2界面平台部分功能演示

下面选取几个实例，对上述GUI界面功能进行演示，以展示其设计效果。

1） 序列的基本运算

序列自身运算包含翻转、移位和尺度变换，设置对应的参数，对指定序列进行变换。

打开GUIDE编辑界面，从控件工具栏拖拽按钮PushButton、文本编辑框Edit Text、坐标系Axes和静态文本Static Text等控件。双击弹出属性对话框，设置分布位置与控件大小比例。界面见图3。

上图分为左、右两个区域。左边区域实现的是序列的翻转、移位和尺度变换，点击“产生序列x（k）={1，2，3，4，5；k=0，1，2，3，4}”按钮，可产生演示序列，输入参数，可进行相应的演示，其中，对尺度变换部分用静态文本Static Tex进行了详细说明；右边区域，实现的是序列加法和乘法的演示，因为加乘运算较为简单，故演示序列设为固定的两个，没有进行任意序列的设计。

“实验说明”按钮同样是弹出实验原理简介，帮助对理论知识的先行复习；点击“返回”将弹出实验主界面并关闭该子界面；“退出”关闭该子界面。

2） 序列的卷积和界面演示

离散卷积和，可以计算系统的零状态响应，即系统零状态响应等于激励与系统单位取样响应的卷积，卷积运算在离散序列处理领域应用广泛，关系式如下：

[y（k）=x（k）*h（k）=m=-∞∞x（m）h（k-m）]

本部分GUI实现的是有限长序列的卷积，这也和实际信号处理情况相吻合。通过界面演示两给定序列的卷积，深刻理解卷积的运算步骤过程：翻转、移位，相乘，累加。实验操作为打开GUIDE编辑界面，从控件工具栏拖拽按钮PushButton、坐标系Axes、按钮组Button Group和单选按钮RadioButton等控件，按钮组和两个单选按钮组合“演示速度”选择面板。设置控件属性，设计控件分布位置与大小比例。

界面在进行卷积过程演示时，由于循环和暂停延迟控制，界面为动态显示，如图4截取了演示过程中的4张图，演示速度设置为“慢”。界面演示时，除了显示序列h（m）的翻转、移位外，还在图的下方给出各个y（k）值的对应计算简式，便于结合卷积定义式对过程的理解。

2 界面设计部分

另外，界面还提供了操作者自行进行设计部分。通过点选相应按钮，把文件名填入到edit框中，由操作界面读取作为参考，该部分的每个操作实现，都需要自己编程、调试再运行，实现的流程，在界面上都用“=》”做了简单指示，具体步骤，可点选按钮“设计说明”进行查看，过比较来加深认识设计方法的优越性和简便性。

3 总结

本文设计了一个学习滤波器的实验平台，实现了实例演示和自主设计两部分功能，操作简单，结果直观，可作为学生学习相关课程内容的辅助工具，帮助学生解决课程中遇到的问题，增强学习基础理论知识的兴趣。

参考文献：

[1] 李光平，韩一石.地方工科院校数字信号处理课程的教学思考[J].科技信息，2011（18）：6-7.

[2] 程佩青.数字信号处理教程[M]. 3版.北京：清华大学出版社，2007.

[3] 夏平，向学军，吉培荣，基于MATLAB的信号与系统、数字信号处理实验体系教学实践[J].电气电子教学学报，2004，26（5）：73-74.

[4] 张刚，贺利芳.基于Matlab的“数字信号处理”课程教学探索[J].高等教育研究：成都，2007，24（2）：45-46.

[5] 李筠，钱雯磊.具有图形用户界面的数字信号处理实验教学设计[J].光学技术，2007，33（11）：299-302.

[6] 张登奇，杨慧银.信号的频谱分析及MATLAB实现[J].湖南理工学院学报：自然科学版，2010，23（3）：29-33.

[7] 沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现[J].实验技术与管理，2008，25（2）：88-91.endprint