數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王大偉

摘 要：在信息科學(xué)中數(shù)字信號(hào)處理是發(fā)展非常迅速的學(xué)科。它在通信、雷達(dá)、語音與圖像處理等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。本文所研究的是利用MATLAB的可視化圖形用戶界面工具，設(shè)計(jì)出界面可視性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單方便的圖形用戶界面，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，把抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)變成直觀易懂科學(xué)演示。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 MATLAB 圖形用戶界面

中圖分類號(hào)：TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（c）-0011-01

1 數(shù)字信號(hào)處理概述

數(shù)字信號(hào)處理是利用數(shù)據(jù)處理專用儀器或者微型計(jì)算機(jī)，利用采集、變換、濾波、估值、壓縮和識(shí)別等多種方式，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理成使用者需要的形式。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)施，實(shí)際上就是將模擬信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀冃枰臄?shù)字信號(hào)，這個(gè)過程就是數(shù)字信號(hào)處理。

1.1 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成

本文論述的內(nèi)容為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，也就是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)，變換成我們所需要的模擬信號(hào)，輸出出來為我所用。因此，為了防止出現(xiàn)信號(hào)頻譜的重疊和混合，我們?cè)谙到y(tǒng)中增加抗混疊濾波器，對(duì)輸入的信號(hào)中高于折疊頻率的分量進(jìn)行有效地過濾，也就是說將一半采樣頻率的分量去除。然后，進(jìn)行信號(hào)的采樣操作，同時(shí)進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)。我們利用數(shù)字信號(hào)處理器，再對(duì)輸出的信號(hào)其進(jìn)行數(shù)字化處理，最終輸出經(jīng)過處理完善后數(shù)字信號(hào)。在經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的變換后，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后，我們通過低通濾波器去除多余的高頻分量信號(hào)，最后得出平滑的模擬信號(hào)。

1.2 數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理具有以下優(yōu)點(diǎn)。首先，在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，其性能非常穩(wěn)定。第二，數(shù)字信號(hào)處理具有很好的可預(yù)見性。第三，數(shù)字信號(hào)處理可以實(shí)現(xiàn)線性相位響應(yīng)、無損壓縮、糾錯(cuò)編碼等等功能。第四，其適應(yīng)性和可編程能力非常好。最后，其研發(fā)的成本更加低廉。

2 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 總體設(shè)計(jì)

在界面設(shè)計(jì)過程中，該系統(tǒng)是基于MATLAB開發(fā)的。其圖形用戶界面設(shè)計(jì)工具在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了很大的作用。在總體設(shè)計(jì)時(shí)，我們采取了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，首先完成主界面的設(shè)計(jì)工作，其次，完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)子界面的設(shè)計(jì)工作。在程序設(shè)計(jì)中，我們先編制了系統(tǒng)各子界面的相關(guān)函數(shù)，再編寫主函數(shù)。

2.2 具體功能模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括序列基本計(jì)算，數(shù)據(jù)采集，卷積，傅里葉變換，濾波器等多個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和研發(fā)。具體內(nèi)容如下：

2.2.1 序列基本計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)序列的基本計(jì)算模塊中，我們主要完成了如下功能：信號(hào)加為

；信號(hào)乘為；改變比例為：；信號(hào)折疊為；抽樣和：；抽樣積為；信號(hào)能量為；信號(hào)功率為。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采樣模塊設(shè)計(jì)主要考慮了兩種方式。首先，為了使信號(hào)平滑，我們將信號(hào)的采樣頻率增加到N倍，得出了的插值。得出的方法是在每相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間加上N-1個(gè)“0”，在行低通濾波處理后，插值變?yōu)榱悖盘?hào)更加平滑。相反，將信號(hào)的原采樣頻率減少N倍，得出了對(duì)的抽樣。得出的最的方法是在每相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間值設(shè)為“0”即可。

2.2.3 卷積模塊的設(shè)計(jì)

利用MATLAB的內(nèi)部函數(shù)Conv（），計(jì)算兩個(gè)有限長(zhǎng)序列之間的卷積值。當(dāng)這兩個(gè)序列都在開始，并利用得出卷積值。Conv（）函數(shù)的特點(diǎn)是既不提供也不接受任何定時(shí)信息，如果這些序列都有任意位置的話，必須要是的一個(gè)起始點(diǎn)和—個(gè)結(jié)束點(diǎn)。

2.2.4 濾波器設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)

首先根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度N和理想濾波器頻率響應(yīng)，由導(dǎo)出

。但是非因果的無限長(zhǎng)序列。而要設(shè)計(jì)的FIR濾波器的是有限長(zhǎng)，所以要用一個(gè)有限長(zhǎng)的來逼近函數(shù)，有效方法是由過渡帶寬及阻帶最小衰減要求，比對(duì)各種窗函數(shù)基本參數(shù)選定窗函數(shù)，取窗函數(shù)（有限長(zhǎng)度N）截?cái)啵话惚硎緸椋骸＿@里就是窗函數(shù)。求得FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng)（n=0，1，…，N-1），然后根據(jù)序列的傅里葉變換求得。

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

下面以下采樣為例進(jìn)行演示， 是設(shè)定信號(hào)， （為原采樣頻率），采樣點(diǎn)數(shù)為8000，將采樣頻率降為1000 。，即可得到如下結(jié)果。（見圖1）

3.2 離散信號(hào)的卷積實(shí)現(xiàn)

當(dāng)系統(tǒng)信號(hào)區(qū)間為-3～3時(shí)，信號(hào)區(qū)間為-1～4，正弦序列頻率為-0.5，復(fù)指數(shù)序列中的segma值是10，頻率是-0.05。可以得到如下結(jié)果。（見圖2）

參考文獻(xiàn)

[1] 李強(qiáng)，明艷，余翔，等.數(shù)字信號(hào)處理綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信， 2013（6）.

[2] 王曉燕，呂聯(lián)榮，王鵬宇.MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].科技信息，2010（10）.endprint