基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理實驗仿真平臺設(shè)計分析

丁睿 甘金來 陳浩

【摘? ? 要】新時代發(fā)展背景下，數(shù)字信號處理在數(shù)字通信、計算機、人工智能等多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，扮演著重要角色，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。本文主要利用MATLAB GUI設(shè)計數(shù)字信號處理實驗仿真平臺，幫助大家更加深刻的理解和研究，提升相關(guān)設(shè)計應(yīng)用能力。

【關(guān)鍵詞】MATLAB GUI? 數(shù)字信號處理? 實驗仿真平臺? 設(shè)計分析

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.20.066

基于MATLAB強大的圖形用戶界面結(jié)合多樣的數(shù)字信號處理工具箱，創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)出的數(shù)字信號處理實驗仿真平臺，能為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

一、MATLAB特點及應(yīng)用優(yōu)勢

（一）特點

MATLAB屬于當(dāng)前流行的科學(xué)計算語言之一，具有高性能的科學(xué)計算語言，集數(shù)據(jù)可視化、程序設(shè)計、計算于一體，能夠采用用戶熟悉了解的數(shù)字符號展示相關(guān)復(fù)雜問題和解決方案，對其進行靈活應(yīng)用過程中，促進程序轉(zhuǎn)變得更加簡短。MATLAB具有結(jié)構(gòu)化的控制語句，同時具有面向?qū)ο缶幊痰奶攸c，編寫完成的程序具有良好的可移植性，幾乎不進行修改就能在不同型號計算機和操作系統(tǒng)上順利運行。[1]MATLAB自身的工具箱具有強大功能，主要包含功能性和學(xué)科性工具箱，前者主要擴充其符號計算、圖示建模仿真、文字處理、硬件實時交互等功能;后者呈現(xiàn)出較強的專業(yè)性，主要通過相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平較高的專家編寫，用戶不需要編寫相關(guān)學(xué)科范圍的基礎(chǔ)程序，直接開展研究。另外，MATLAB源程序展現(xiàn)出良好的開放性，其核心和工具箱文件都是可讀可修改的源文件。用戶在實際應(yīng)用過程中，能夠結(jié)合自身的實際需求，適當(dāng)修改源文件，增加自己需要的文件形成新的工具箱，具有強大的圖形功能，數(shù)據(jù)的可視化比較簡單，有利于二維、三維圖的繪制。

（二）優(yōu)勢

伴隨信息時代的到來，數(shù)字化和智能網(wǎng)絡(luò)化迅速發(fā)展。人們在日常工作和生活中遇到電視、導(dǎo)航和廣播等多種類型的信號，包含數(shù)字和模擬信號。MATLAB平臺屬于商業(yè)化計算軟件，支持鏈接庫模塊封裝，具有高質(zhì)量和效率編程的特點。用戶可以借助MATLAB平臺簡單的控制C語言，提升質(zhì)效。同時，MATLAB平臺可以在人機交互過程中為用戶帶來良好的體驗，該平臺操作界面將命令窗口集成一體，促進用戶更加便捷的操作應(yīng)用。用戶在編寫代碼的過程中，該平臺能夠為其提供高級模塊和專業(yè)工具箱。[2]另外，MATLAB平臺具有強大的圖形處理能力，針對相關(guān)信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化處理，采用圖表的方式更加直觀全面的展示，顯示矩陣和向量數(shù)據(jù)，發(fā)揮MATLAB平臺可視化應(yīng)用功能的最大利用價值。同時，能夠支持更加高級的圖形應(yīng)用，實現(xiàn)軟件和圖形的對話，支持用戶采用第三方工具有效拓展該平臺的相關(guān)使用功能，全面提升平臺便利程度。

二、數(shù)字信號處理實驗仿真平臺結(jié)構(gòu)分析

該平臺的設(shè)計主要為用戶提供交互式的用戶界面，有利于用戶在實踐過程中充分發(fā)揮該平臺的重要作用，將數(shù)字信號處理的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論和方法采用動態(tài)演示的方式更加全面清晰的展示給用戶。同時通過用戶的實踐操作和自主編程更好的驗證多種實驗現(xiàn)象，讓用戶更加深刻的理解和掌握基礎(chǔ)理論，提高應(yīng)用效果。實驗仿真平臺設(shè)計過程中，其內(nèi)容主要包含演示和實驗兩大類型，尤其是還按照用戶的認(rèn)知規(guī)律詳細(xì)劃分成驗證性和設(shè)計性實驗。實驗仿真平臺從結(jié)構(gòu)上分成基礎(chǔ)知識演示、驗證和設(shè)計性實驗?zāi)K，全面涵蓋數(shù)字信號處理的關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容?；A(chǔ)知識演示模塊主要在課程教學(xué)的課堂上進行演示，將抽象性、理論性強的專業(yè)知識內(nèi)容采用仿真演示形象化、具體化，能有效增強用戶學(xué)習(xí)熱情和積極性。[3]驗證性實驗?zāi)K主要在數(shù)字信號處理基礎(chǔ)理論知識驗證教學(xué)中應(yīng)用，加深用戶的理解和記憶。設(shè)計性實驗?zāi)K主要在用戶自主選擇參數(shù)設(shè)計濾波器中應(yīng)用，能有效提升用戶解決問題和設(shè)計應(yīng)用等能力。

三、數(shù)字信號處理實驗仿真平臺設(shè)計實現(xiàn)

MATLAB屬于商業(yè)軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計算和數(shù)據(jù)分析的高級技術(shù)計算語言、交互式的集成環(huán)境。其編程簡單，具有強大功能，在相關(guān)工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，獲得了理想的應(yīng)用效果，并且包含圖形用戶界面工具，設(shè)計簡潔靈活，有利于更好的進行人機交互。下面主要基于MATLAB GUI設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字信號處理試驗仿真平臺進行相關(guān)分析。

（一）平臺整體框架

數(shù)字信號處理實驗仿真平臺系統(tǒng)中以數(shù)字信號處理課程中的關(guān)鍵知識點為主，有效實現(xiàn)信號量化、編碼、解調(diào)、誤碼率分析、窗函數(shù)和濾波器處理。針對信號進行相關(guān)處理，更加生動直觀的展現(xiàn)系統(tǒng)對信號處理過程，提高用戶對數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)興趣。該平臺系統(tǒng)主要包含基礎(chǔ)流程、誤碼率、序列圖形、頻譜分析、窗函數(shù)和濾波器幾大模塊，同時不同模塊相對應(yīng)的操作界面不同，各個界面具有自身所需功能。[4]基于MATLAB語言進行GUI編程，迅速有效繪制數(shù)字信號處理的具體圖形，全面展示出數(shù)字信號處理過程中圖形的實際變化情況。

（二）主界面設(shè)計

數(shù)字信號處理實驗仿真平臺包含不同實驗GUI界面，其中主界面設(shè)計主要由登錄和演示實驗主界面兩部分構(gòu)成。登錄界面設(shè)計兩個按鈕，電機“進入系統(tǒng)”按鈕，輸入賬號和密碼，直接進入到演示實驗主界面，之后點擊“退出系統(tǒng)”按鈕，進而有效關(guān)閉整個系統(tǒng)。演示和實驗主界面中包含詳細(xì)的實驗內(nèi)容設(shè)計成菜單項。用戶登錄系統(tǒng)進入演示與實驗主界面之后，選擇相對應(yīng)的實驗內(nèi)容菜單項，進而順利進入實驗?zāi)K對應(yīng)的子界面，之后點擊“退出實驗”菜單，有效關(guān)閉演示實驗主界面直接返回到登錄界面。

（三）模塊設(shè)計

1.基礎(chǔ)知識演示。

相關(guān)設(shè)計人員在采用GUI設(shè)計基礎(chǔ)姿勢演示模塊的過程中，該菜單項主要包括序列產(chǎn)生、傅里葉變換和基礎(chǔ)性質(zhì)的菜單項。用戶選擇序列產(chǎn)生菜單，能夠直接進入到典型序列產(chǎn)生、基本運算子界面，能夠有效實現(xiàn)典型序列的產(chǎn)生，如正弦、矩形、階躍等，同時實現(xiàn)基礎(chǔ)運算的演示。[5]用戶選擇系列傅里葉變換與基礎(chǔ)性質(zhì)菜單項，能夠直接進入到系列傅里葉變換與基礎(chǔ)性質(zhì)的子界面。該界面的圖形窗口整體包含左右兩個部分，左半部分主要對應(yīng)離散傅里葉變換及性質(zhì)參數(shù)選擇區(qū)域，右半部分為波形顯示區(qū)域。

左側(cè)參數(shù)選擇區(qū)域主要包含序列及其頻譜，用戶在應(yīng)用過程中按下對象的按鈕能夠一次在右側(cè)波形顯示區(qū)域顯示出斜坡序列x（n）時域波形，其長度為8、序列連續(xù)頻譜DTFT的幅度譜、序列4點DFT和8點DFT的幅度譜，更好的演示了離散譜DFT和序列連續(xù)譜DTFT之間的關(guān)系，展示了DFT的物理意義。參數(shù)選擇區(qū)域還包含循環(huán)移位和循環(huán)卷積性質(zhì)，前者主要采用動畫的方式演示DFT的循環(huán)移位過程，有效增強用戶對循環(huán)的正確認(rèn)識。后者主要是用戶按下相應(yīng)按鈕和選擇單選框的組合操作時，在基礎(chǔ)知識演示模塊右側(cè)波形顯示區(qū)域上方展示參與卷積的兩個序列及其各自的DFT，下方展示出相對應(yīng)的循環(huán)卷積序列及其DFT，有效幫助用戶從實質(zhì)上掌握循環(huán)卷積性質(zhì)。

2.設(shè)計型實驗?zāi)K。

實驗仿真平臺模塊主要包含IIR和FIR濾波器設(shè)計實驗。用戶單擊“IIR濾波器設(shè)計”按鈕，打開其運行界面，點擊“FIR濾波器設(shè)計”按鈕，直接打開FIR濾波器設(shè)計運行界面。我們結(jié)合“IIR濾波設(shè)計”為例進行分析，該設(shè)計窗口按照使用功能進行分析，主要包含左側(cè)濾波器設(shè)計選擇區(qū)域：濾波器類型、設(shè)計方法選擇及參數(shù)設(shè)置;右邊為波形顯示區(qū)域，主要更加直觀形象的顯示按照參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計濾波器損耗特性曲線，測試信號及其頻譜、濾波輸出信號。

用戶在實踐操作過程中，需要按照以下步驟：第一，產(chǎn)生呈現(xiàn)出加性噪聲的信號、顯示信號及其頻譜。第二，結(jié)合頻譜和目標(biāo)信號頻譜的實際特性，明確濾波器設(shè)計類型，同時在IIR Filter Type按鈕組中進行針對性的選擇。第三，正確選擇模擬濾波器設(shè)計方法，在參數(shù)選擇區(qū)文本框中相對應(yīng)的輸入計算獲得的截止頻率、衰減指標(biāo)。之后按下IIR Filter Type按鈕，在右邊波形顯示區(qū)域清晰的展現(xiàn)出濾波器幅度損耗特性曲線，并且展現(xiàn)出測試信號經(jīng)濾波器的輸出曲線。由此得知，設(shè)計的低通橢圓濾波器能夠更加符合文本框中設(shè)定參數(shù)要求，進而有效的從含噪信號中提取相關(guān)有用信號。用戶完成相關(guān)操作按下“Close”按鈕，關(guān)閉當(dāng)前圖形顯示窗口，直接返回到主界面。設(shè)計型實驗?zāi)K能夠有效融合設(shè)計和應(yīng)用，有利于用戶濾波器設(shè)計能力和靈活應(yīng)用等綜合能力的提升。

設(shè)計人員為了更加直觀的展現(xiàn)出數(shù)字濾波器應(yīng)用、語音信號濾波降噪效果，可以在造成菜單欄下指定相應(yīng)的信號特定噪聲。同時在音效菜單項中針對原始信號實現(xiàn)“回聲”“重金屬”等相關(guān)音效處理，進行順利播放。用戶在使用過程中，可以結(jié)合實際需求調(diào)整參數(shù)，更改幅值，獲得相應(yīng)的語音信號。另外，濾波器設(shè)計過程中，設(shè)置參數(shù)不同，對濾波器幅頻響應(yīng)曲線的改變產(chǎn)生直接影響，同時和濾波后信號波形和播放語言效果具有直接關(guān)系。用戶調(diào)整參數(shù)，能夠在平臺系統(tǒng)上觀察相關(guān)改變，獲得更加直觀的認(rèn)識，同時根據(jù)語言信號頻譜圖、濾波器幅度響應(yīng)曲線，更好地了解濾波器頻譜參數(shù)正確設(shè)置方法，有效提升用戶對數(shù)字濾波器設(shè)計和應(yīng)用的能力。

3.驗證型實驗?zāi)K設(shè)計。

該實驗?zāi)K主菜單主要包含系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、頻域和時域抽樣這三個實驗，實驗設(shè)計中又都設(shè)定相應(yīng)的“實驗要求”、“試驗運行”子菜單。用戶在應(yīng)用過程中，單擊“實驗指導(dǎo)”就能夠利用WORD服務(wù)器打開實驗的實驗指導(dǎo)書文檔，便于用戶預(yù)先瀏覽，為相關(guān)實驗活動開展進行針對性的有效預(yù)熱做準(zhǔn)備。同時單擊“實驗運行”菜單項，能夠打開相關(guān)實驗運行界面，對用戶開展實驗進行科學(xué)有效的指導(dǎo)。

實驗仿真平臺的驗證型實驗?zāi)K是對主菜單中系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，主要在系統(tǒng)響應(yīng)確定和穩(wěn)定性的分析中有效應(yīng)用。用戶可以應(yīng)用卷積法和濾波器兩種方法實現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的確定，不同方法相對應(yīng)一個面板區(qū)，面板中包含相應(yīng)的按鈕和文字描述。卷積法確定系統(tǒng)響應(yīng)，用戶點擊“單位樣值響應(yīng)”“輸入信號”按鈕，在右邊區(qū)域顯示出相對應(yīng)的時域波形，接著點擊“系統(tǒng)響應(yīng)”按鈕，能夠利用卷積法計算系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，進而在右邊區(qū)域有效現(xiàn)實波形，展現(xiàn)出詳細(xì)運行結(jié)果。另外，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析區(qū)域，相同系統(tǒng)設(shè)定兩個不同輸入的情況下，采用時域波形結(jié)果的對比分析，有效判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，進而將穩(wěn)定的抽象概念生動形象的展示給用戶，便于用戶對穩(wěn)定這一概念更深刻的理解和正確認(rèn)知。[6]

驗證型實驗主菜單中時域抽樣實驗，主要通過下拉列表框選擇相應(yīng)的抽樣頻率，詳細(xì)觀察抽樣信號及其頻譜和原連續(xù)信號及其頻譜之間的關(guān)系，更好的掌握時域和頻域之間的對應(yīng)關(guān)系。

四、結(jié)束語

基于MATLAB GUI的數(shù)字信號處理實驗仿真平臺，在數(shù)字信號處理中發(fā)揮的重要作用，包含設(shè)計相應(yīng)的主界面和實驗平臺模塊，充分發(fā)揮基礎(chǔ)知識演示、驗證型實驗和設(shè)計型實驗?zāi)K的重要優(yōu)勢，幫助用戶更加深層次的理解和掌握該課程抽象基礎(chǔ)理論和概念，同時提升用戶綜合應(yīng)用能力，獲得理想的實踐成效。

參考文獻

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[2]黃婷婷，馮鋒.基于Matlab GUI的數(shù)字信號處理仿真系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2019（9）：003.

[3]張麗麗，陳福佳，牛群.基于MATLAB GUI的數(shù)字濾波仿真平臺設(shè)計[J].計算機科學(xué)與應(yīng)用，2021（4）：011.

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[5]李俊、張淑玲、帥晶.基于Matlab GUI界面的數(shù)字信號處理輔助教學(xué)系統(tǒng)[J].信息通信，2020（8）：002.

[6]肖菊蘭.數(shù)字信號處理虛擬實驗平臺在教學(xué)中的應(yīng)用[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2019（1）：005.