虛擬仿真技術在數字信號處理課程教學中的應用研究

黃琳 楊鐵軍

摘? 要：數字信號處理是電子信息類專業重要的專業基礎課程，具有概念多、數學公式多、理論性強等特點，對學生的邏輯推理能力、抽象思維能力、動手能力提出了比較高的要求。學生在學習過程中存在學習難度大、涉及內容繁多、實驗設備有限等問題，從而影響了學習積極性與學習效果。虛擬仿真技術以其高效率、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢得到越來越多的應用和推廣。Matlab中的Simulink能提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。利用Simulink將虛擬仿真技術帶入課程有助于提高課程教學效果，使學生可以不受場地與設備的限制，更容易掌握相關知識點、技能及操作，有效提高學生學習的興趣和參與度，從而提升教學質量。

關鍵詞：數字信號處理;虛擬仿真;Simulink

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）06-0122-03

Abstract： Digital signal processing is an important professional basic course for electronic information majors. It has many concepts， many mathematical formulas， and strong theoretical strength. It puts forward relatively high requirements for students' logical reasoning ability， abstract thinking ability and practical ability. In the process of learning， students have problems such as difficulty in learning， involving a variety of contents， and limited experimental equipment， which affects the enthusiasm for learning and the effect of learning. Virtual simulation technology is increasingly used and popularized for its high efficiency， low cost， rich content， effective performance and security. Simulink in Matlab provides an integrated environment for dynamic system modeling， simulation and comprehensive analysis. Bringing virtual simulation technology into the course with Simulink can help improve the teaching effect of the course， so that students can be free from the limitations of the venue and equipment， and it is easier to grasp relevant knowledge points， skills and operations， effectively improve students' interest and participation in learning， and improve teaching quality.

Keywords： digital signal processing; virtual simulation; Simulink

數字信號處理[1]是電子信息類專業重要的專業基礎課程，主要講述內容有：信號的數字處理、數字信號在時域和變換域的分析及其相互變換的基本理論和特征，具有概念多、數學公式多、理論性強、學生接受度低等特點，傳統的“板書+多媒體”的授課方式難以滿足教學需要。虛擬仿真[2]教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。而這種教學方法生動形象，很接近現實工作場景，有利于提高學生興趣，使學生在短時間內進入相應情境，真實的體驗在現實生活中進行操作的感覺，以達到更快掌握操作技能的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟件的優勢創造出靈活多樣的工作場景，使學生掌握更多的操作技能[3，4]。Simulink[5，6]是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。利用Simulink將虛擬仿真技術帶入課程有助于更直觀地展示和傳授抽象理論和知識點，提高課程教學效果，使學生可以不受場地與設備的限制，更容易掌握相關知識點、技能及操作，有效提高學生學習的興趣和參與度，從而提升教學質量。

一、Simulink介紹

Simulink 是一個對動態系統（包括連續系統、離散系統和混合系統）進行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，是MATLAB的一個附加組件，其特點是模塊化操作、易學易用，而且能夠使用MATLAB提供的豐富的仿真資源。在SIMULINK環境中，用戶不僅可以觀察現實世界中非線性因素和各種隨機因素對系統行為的影響，而且也可以在仿真進程中改變感興趣的參數，實時地觀察系統行為的變化，因此已在許多領域，如通信、信號處理、電力、金融、生物系統等獲得重要應用。對電子信息專業的學生來說，無論是學習專業課程或相關課程設計，還是在今后的工作中，Simulink都是一個重要的仿真建模工具。

二、教學中的應用

數字信號處理課程主要講述內容有：信號的數字化處理、數字信號的運算，數字信號及其系統的時域分析、頻域分析（DTFT）、離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）、IIR濾波器的設計、FIR濾波器的設計等。其重要內容可借助Simulink設計出一些對應的仿真應用，幫助學生掌握相關知識點，提高學生學習興趣。

根據以上知識點，下面給出一些仿真應用。

應用1：數字信號的相加和差分。產生一個頻率為1Hz的正弦信號和直流信號，并進行簡單相加和差分運算。對應模型為圖1（a），相加以及差分結果為圖1（b）。

應用2：連續信號的數字化模型。圖2（a）給出了具體模型，其中信號產生器產生一個250Hz的正弦信號，通過一個模擬低通濾波器后再通過一個零階保持器把此連續信號數字化，最后分析此數字信號的頻譜。虛線左邊部分表示連續信號，虛線右邊部分表示數字信號;圖2（b）示波器顯示出延遲了的連續信號與對應數字信號;圖2（c）顯示了數字正弦信號的頻譜，主要頻譜成分為250Hz的信號，還包含了750Hz、1250Hz等諧波成分，這些諧波成分是由于數字化過程中信號截斷引起頻譜泄露。

應用3：濾波器的設計。MATLAB集成了一套功能強大的濾波器設計工具FDATool（Filter Design & Analysis Tool），可以完成多種濾波器的設計、分析和性能評估。在Matlab命令窗口輸入fdatool即可進入如圖3界面，能用于設計FIR和IIR濾波器，也提供了低通、帶通、帶阻、高通等濾波器的設計與分析，如利用該工具設計一個低通濾波器，只需簡單設置通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減、阻帶衰減等幾個參數，后選擇具體設計方法，再點擊“Design filter”按鈕就可以完成濾波器的設計，簡單方便又有效。最終設計好的濾波器系統函數H（z）的分子分母多項式系數可保存到工作空間，存入變量中，以便后續使用該濾波器進行濾波。

應用4：去噪。圖4（a）給出了一個具體的多頻率混合正弦信號去噪模型，整個信號由1kHz正弦信號、15KHz正弦信號和高斯白噪聲組成，可由FDATool設計一個低通濾波器或者雙擊Lowpass，打開圖4（b）所示界面，設置好低通濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率等參數設計好該濾波器;圖4（c）給出了未濾波前與濾波后頻譜對比結果，顯示濾波后低頻的1KHz與低頻的白噪聲基本保持不變，而高頻的15KHz的正弦信號降至大約80db，白噪聲的高頻部分大約降至90db，達到了濾除高頻信號的目的。

三、結束語

除了上述應用，還可以利用Matlab-Simulink設計出更多應用，如：利用From Multimedia File、Audio Device Writer等模塊實現對聲音的讀取和播放，再結合頻譜分析和濾波可設計出應用從視聽角度給學生更直觀的感受;利用Downsample模塊可實現降采樣信號等。Matlab新版本的Simulink 3D Animation提供了強大的虛擬現實技術支持，可用它制作三維動畫制作，能設計出三維立體球、汽車或機器人等，并設計出對應系統來控制它們的運動軌跡，進一步提升視覺體驗，化繁為簡給學生更具體的體驗，它將作為進一步的研究計劃。總之，將Simulink虛擬仿真技術引入數字信號處理課程，能更直觀地展示和傳授抽象理論和知識點，提高學生實踐能力，提升課程教學效果。

參考文獻：

[1]黃琳，程小輝，董明剛，等.數字信號處理課程中側重應用的教學實踐與探索[J].電子世界，2012（24）：103.

[2]中國電子技術標準化研究院，虛擬現實和增強現實技術[EB/OL]， http：//www.cesi.cn/201701/2135.html，2017-04-18.

[3]王思宇，徐建國，張麗紅，等.微生物學虛擬仿真實驗教學模式初構[J].高教學刊，2018（22）：104-106.

[4]劉小花，唐貴進，吉新村.基于虛擬仿真平臺的信息電子技術實驗教學研究[J].軟件導刊，2018（11）：1-4.

[5]丁亦農.Simulink與信號處理（第2版）[M].北京航空航天大學出版社，2014.

[6]何煒琨，韓萍，龐勇，等.SIMULINK仿真技術在《數字信號處理》教學中的應用與實踐[J].武漢大學學報（理學版），2012，58（S2）：261-266.