基于ＭＡＴＬＡＢ的信號處理實驗軟件系統的開發

摘要：由于信號處理具有內容繁多、概念抽象、設計復雜等特點，學生在學習時常常會感到枯燥，難以理解和掌握。為了提高學生學習的興趣，更好地理解和掌握知識，開發了一個信號處理實驗軟件。MATLAB具有編程簡潔高效，編譯、鏈接和運行速度快等優點，采用MATLAB的圖形用戶界面設計功能，開發出了各個實驗界面。在該實驗軟件中，集成了信號處理中的多個實驗，應用效果良好。

關鍵詞：信號處理；MATLAB；圖形用戶界面；實驗軟件

引言

信號處理類課程是高等院校電氣信息學科學生的必修課程，它不僅是電類專業和信息類專業的一門專業基礎課程，而且也是工科學生受益較多的一門課程。但是這類課程的許多理論都基于繁瑣的數學理論和數學推導，因此容易使學生感到乏味。為了提高學生學習的效率，需要借助實驗手段來幫助學生理解課堂所學理論。

MATLAB是有美國MathWorks公司推出的一個為工程計算和數據分析而專門設計的高級交互式軟件包，利用它能容易地解決在系統仿真領域教學與研究中遇到的問題；不僅如此，它還提供了用戶可編程設計的圖形用戶界面(Graphical UserInterface，簡寫為GUI)設計工具，為課堂實驗教學和實驗仿真提供了十分有效的手段。基于此，本文利用MATLAB的可視化圖形用戶界面(GuI)工具，設計實驗系統的圖形用戶界面的總體結構。本系統能夠用于完成相關的信號處理實驗。

1 設計的基本內容

本設計有以下特點：

(1)具有序列的基本計算、基本信號的產生、數據采集、卷積、傅里葉變換、z變換以及FIR和IIR濾波器等功能。

(2)界面可視性強，操作簡單方便。

(3)具有數據輸入輸出、圖形輸出、數據修改和文件保存、打印等功能，系統內容豐富，實驗效率高，結果直觀易懂、便于分析。

(4)系統易于擴展新的實驗項目。

2 系統總體設計步驟

在本系統的設計中，界面布局設計采用自頂向下的設計方法，即先設計引導界面和主界面，再設計各個實驗子界面。界面設計完成后，只是一些靜態的畫面而已，沒有什么內涵，還不能用于實驗操作，要想達到實驗目的，必須借助于函數調用。在設計中，各個回調函數的編寫順序則是采用自底向上的設計方法，即先編制各個實驗子界面的回調函數，再編寫主界面和引導界面的回調函數。

其設計的具體步驟如下：

(1)運用MATLAB的圖形用戶界面(GuI)設計方法，設計整個實驗系統的開始引導界面、實驗主界面及其實現信號處理課程中具體實驗的各個子界面；

(2)運用MATLAB的圖形用戶界面(GUD設計方法，設計系統的說明界面及其各個實驗的說明界面；

(3)分別編寫各個子界面的各個控件對象的回調函數，來實現控件相應控制功能，達到直接通過界面上各個控件就可以控制數據的輸入輸出，并可以方便地對實驗結果的數據及其圖形進行讀取和分析的目的；

(4)編寫主界面的回調函數，將各個實驗子界面整合在信號處理系統實驗主界面中，即通過主界面就可以進入任何一個實驗子界面進行實驗；

(5)編寫開始引導界面的回調函數，實現從引導界面直接進入主界面。

3 實驗系統的設計及實現

3．1 實驗系統的設計

本實驗系統整體結構設計由兩部分組成：界面模塊設計和菜單模塊設計。其中，界面模塊總共包括十個模塊：開始引導模塊、主模塊、說明模塊、序列基本計算模塊、基本信號的產生模塊、數據采集模塊、卷積模塊、傅里葉變換模塊、z變換模塊、濾波器設計模塊。一些實驗界面模塊下面又有下一級實驗界面模塊，如濾波器設計模塊下面還有FIR濾波器設計模塊和IIR濾波器設計模塊，其中FIR濾波器模塊又包含FIR濾波器線性的判斷實驗界面、窗函數的頻率響應實驗界面和FIR濾波器的設計實驗界面；IIR濾波器模塊又包含完全IIR濾波器的設計實驗界面和典型ILR濾波器實驗界面；主界面中還包含了說明模塊。在菜單設計時，在實驗子界面中除使用系統約定的菜單條外，還增加了幾個控制背景和退出實驗的菜單；引導界面中不使用菜單；主界面中將所有實驗項目做成菜單的形式，只要通過選擇相應的菜單選項，就可以進入實驗。

系統的整體結構如圖1所示。

3．2 實驗系統的實現

沒計出的主界面是用于進入信號處理各個實驗子界面的。它使用菜單及其一些按鈕控件來實現，將各個實驗子界面有機地聯系到一起，使界面美觀，易于操作。實驗系統主界面如圖2所示。

在圖2界面中，用戶可以通過選擇菜單中相應的項，進入相應的實驗界面來進行實驗。可以進行的實驗包括以下幾種：序列的基本計算、基本信號的產生、數據采集、卷積、傅里葉變換、z變換、FIR及IIR濾波器的設計等。此外，界面上還設計有各個實驗的簡要說明控件，用戶在進行實驗之前，可以先單擊相應的說明控件，來閱讀相關實驗的簡要信息。

4 結束語

使用本實驗軟件，學生基本上可以完成信號處理中主要的實驗內容。學生只需在相應的編輯框中輸入相應的實驗控制參數，就可以在輸出框及圖形框中獲得相應的實驗結果，從而可以方便地對實驗結果進行分析；還可以對輸入數據進行修改，可在一個界面中輸入不同控制參數來進行反復實驗。此外，各實驗界面中還設計有菜單選項，學生可以通過菜單對實驗結果進行打印和保存等。設計出的實驗系統，成功地應用到信號處理的實驗教學中，激發了學生學習的興趣，提高了教學效果。