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基于Matlab GUI的数字信号处理仿真系统研究与设计

范文

黄婷婷冯锋

摘? ?要：文章利用Matlab语言进行GUI编程，设计开发了数字信号处理仿真系统，将课程内容以交互式实时动态的方式演示。实践结果表明：該系统操作简单、功能全面，具有良好交互性和较强直观性，学生可以更直观、全面地掌握课程内容，提高教学质量。

关键词：Matlab;数字信号处理;仿真;实验教学

通信原理是通信类、电子信息类专业重要的专业基础课，综合电路、数学相关课程，具有一定难度和深度[1]，此课程实用性强，理论内容丰富，但概念抽象难懂，理论多来源于复杂的数学运算推导，黑板教学易使学生失去学习兴趣，单纯理论教学缺乏可视化的直观表现，对学生直观理解问题的帮助不大[2-4]。在通信原理课程学习过程中，如何利用先进管理手段，以可视化方式展现知识点，是一个重要课题。Matlab集成了数值计算和可视化环境，非常直观，而且提供大量函数，可以将一些较难理解的内容、抽象概念等准确、形象、直观地表现出来。

本文利用Matlab语言进行图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）编程，设计开发信号处理仿真系统，将通信原理课程中的重要知识点用动态演示的方式表现，为教学提供操作简单、功能全面的教学辅助软件，帮助学生更直观、全面地掌握知识点。

1? ? Matlab仿真应用于课程教学中的优势

Matlab软件可以进行数值和符号计算，适用于工程应用和解决实际问题，编程快捷方便[5]。同时，Matlab具有丰富的图像处理工具箱，由200种支持图像处理操作的函数组成，拥有强大的数据处理能力[6]。通信原理课程主要是围绕对数字信号的处理展开，将Matlab仿真系统引入该课程，对抽象概念和难以观察到的现象进行准确、形象、直观的表现，加强学生的理解，以达到更好的教学效果。

2? ? 系统设计

2.1? 系统整体框架

信号处理仿真系统针对通信原理课程中的主要知识点，以数字信号处理为落脚点，实现对信号的量化、编码、解码、调制、解调、误码率的分析、窗函数处理和滤波器处理。通过对信号的一系列处理，更加生动形象地展示系统对信号的处理过程，提高学生对信号处理的兴趣。

该系统主要包括6个模块：基本流程模块、误码率模块、序列图形模块、频谱分析模块、窗函数模块和滤波器模块。每个模块有对应的操作界面，各界面实现各自所需功能。利用Matlab语言进行GUI编程，绘制信号处理的相关图形，直观展示信号处理过程中图形的变化，其整体结构如图1所示。

基本流程模块显示信号的编码译码、调制解调等基本处理的操作效果。误码率模块读取语音信号、计算LDPC码、Hamming码和Cyclic码的误码率并画出误码率曲线。序列图形模块绘制正弦波、矩形波和白噪声的相关图形，生成高斯序列、衰减正弦序列、三角波序列、反三角波序列。频谱分析模块主要有对函数的加窗和截断以及相关图形的比较。窗函数模块主要分为截断对信号的影响，窗函数的比较。主要针对以下6个窗函数进行操作：矩形窗、切比雪夫窗、凯瑟窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗。滤波器模块主要对信号特性进行图形绘制，对滤波器进行设计和滤波器使用效果展示。

2.2? 系统界面设计

主界面较为简洁，效果如图2所示，每个按钮对应各子模块，可以跳转进入任意子模块中，“退出”按钮可退出系统。

以滤波器模块演示系统界面为例，每个子界面创建Matlab GUI界面，根据具体需要，将不同GUI控件放在合适位置，并根据需要对其属性进行设置。子界面分为控制区和绘图区，控制区主要进行功能选择、参数设置，绘图区根据控制区设置的参数绘制出相应的图形，效果如图3所示。

3? ? 系统测试

设计并实现仿真系统界面及功能后，采用大量数据对仿真系统进行测试，保证其实现预期功能，是必不可少的环节。下文以基本流程模块为例，对系统测试效果进行展示。

基本流程模块主要实现信号的LDPC编码译码、BPSK调制解调。主要目的是在为用户直观展示信号编码译码、调制解调的流程，如图4所示。其中，校验矩阵的行数、列数及权重、LDPC编码过程中使用的SNR和迭代次数等参数，均由用户输入，以便观察参数对图形的影响，加深其理解。同时，在绘图区直观展示信号处理过程中相应图形及其变化情况，加深用户对于LDPC编码译码、BPSK调制解调整个过程的理解。

4? ? 结语

基于Matlab GUI的数字信号处理仿真系统将通信原理课程中的重要知识点通过动态演示实例分析的方式表现出来，让学生更生动形象地理解理论知识。学生通过操作本系统，输入参数，观察图形变化，进一步理解相关参数的作用，更全面地掌握知识点。本系统具备良好的可视化交互功能，稳定性和可操作性都有一定保证，对通信原理课程知识点的学习有很大帮助，具备成为通信原理课程的教学辅助软件的条件。

[参考文献]

[1]夏江涛，孙冬娇.Matlab在现代通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理，2014（1）：110-113，119.

[2]张鸣.基于Matlab GUI的通信原理演示系统设计[J].实验技术与管理，2013（9）：111-113，127.

[3]杨树伟，陈光军.Matlab仿真在通信原理教学中的应用与探讨[J].潍坊学院学报，2016（6）：74-77.

[4]于子甲，宋启祥，董全德.Matlab仿真在通信原理教学改革中的应用[J].鄂州大学学报，2014（12）：102-103.

[5]张尤赛，马国军，黄炜嘉，等.“信号与系统”Matlab实验仿真教学系统设计[J].现代电子技术，2010（18）：57-59.

[6]柏均，闫红梅，张鸣.Matlab在“数字图像处理”课程教学中的利弊分析[J].电气电子教学学报，2010（2）：82-83，86.

Abstract：This paper uses Matlab language to program GUI， designs and develops a digital signal processing simulation system， and demonstrates the course content in an interactive， real-time and dynamic way. The practical results show that the system has the advantages of simple operation， comprehensive function， good interaction and strong intuition， and students can master the course content more intuitively and comprehensively and improve the teaching quality.

Key words：Matlab; digital signal processing; simulation; experimental teaching

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