熊躍軍,劉 忠,王 偉

(國防科技大學電子科學與工程學院,湖南長沙410073)

開設“信號處理與系統(tǒng)”課程設計為學生鞏固已學理論以及理論聯(lián)系實際提供了一個很好的平臺[1]。根據(jù)筆者的教學經(jīng)歷,認為選題必須理論結(jié)合實際,便于學生理解與掌握。而且選題應有一定的難度,但難度不能太大,要留有自由發(fā)揮的空間,避免給學生的題目像是完成一個既定程序的實驗一樣,相互間容易彼此拷貝。下面結(jié)合“信號處理與系統(tǒng)”課程設計的一個實例進行分析。

1 題材選取-雙音多頻電話通信

圖1 按鍵式鍵盤

按鍵式電話提供了一個雙音多頻電話通信的實例。電話鍵盤如圖1所示。對該鍵盤按一個鍵會發(fā)送兩個正弦波信號的和,其中一個正弦波來自低頻組,另一個來自高頻組。鍵盤上的每一個按鍵都唯一地對應兩個頻率組合,可稱其是編碼。接收譯碼就是要知道該信號究竟包含了哪兩個頻率分量。而接收這兩個正弦波組合并使之分離要使用濾波器。圖2給出了按鍵式電話信號的解碼過程。

圖2 解碼信號處理流程

如圖所示,低通濾波器LP后面分成四路,每一路都后接相應的帶通濾波器BP。高通濾波器HP之后分成三路,每一路也后接相應的帶通濾波器BP。這樣,一次解碼只有兩個有正弦信號輸出,其中一個來自低頻組,另外一個來自高頻組。這兩個信號通過后面檢測器檢測后,就能判斷究竟是按了哪個鍵。

2 課程設計流程

(1)濾波器設計

設計圖2中所列的各類濾波器包括模擬濾波器與相應數(shù)字濾波器,并分析各類濾波器的特性。

(2)系統(tǒng)仿真

使用Matlab、VC或VB等應用軟件對雙音多頻電話信號產(chǎn)生和解碼流程進行系統(tǒng)仿真,觀測仿真結(jié)果(從時域和頻域),使其具有演示性。

(3)信號檢測

在輸入信號中加入背景噪聲或干擾信號,嘗試不同的信噪比條件下,觀測輸出效果。

(4)完成演示程序與正式報告

完成整個設計后給出演示程序,使用軟件不限,要求內(nèi)容正確,結(jié)果真實,按照規(guī)范寫出論文。

3 利用VB與Matlab混合編程實現(xiàn)[3]

整個系統(tǒng)設計采用VB與Matlab混合編程的方法,界面設計主要通過VB來實現(xiàn),濾波器設計與信號觀測部分通過Matlab實現(xiàn)。如撥打56899顯示如圖3所示,若要重新?lián)芴杽t先用復位鍵復位,再重復上述過程即可。系統(tǒng)主要分為以下幾個部分。

(1)界面與系統(tǒng)框架設計,如圖3所示。

圖3 課程設計程序界面

(2)低通、高通及帶通濾波器設計,將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字濾波器。可以隨時觀看某個濾波器輸出。圖4為低通和高通濾波器的電路實現(xiàn)。

圖4 低通和高通濾波器的電路實現(xiàn)

(3)信號檢測部分對信號進行傅立葉變換并對結(jié)果進行檢測,確定按的是哪個鍵。

(4)Matlab與VB混合編程設計。

4 利用Simulink對系統(tǒng)進行仿真[4]

Simulink仿真系統(tǒng)的頂層結(jié)構如圖5所示,可分為三個模塊。

圖5 頂層設計

1)信號生成模塊

由7個信號源分別產(chǎn)生7種正弦波,通過12個單路控制開關和12個相加器合成所需的波形并疊加上一定功率的噪聲。

2)低頻組濾波器和高頻組濾波器子模塊

低頻組濾波器子模塊為低通濾波器后加四個帶通濾波器并聯(lián),高頻組濾波器子模塊為高通濾波器外加三個帶通濾波器并聯(lián),利用示波器可以觀察系統(tǒng)濾波效果,圖6為低頻組濾波器子模塊框圖[5]。

圖6 低頻組濾波器子模塊

3)信號檢測與判別模塊,其框圖如圖7所示。

圖7 判別模塊框圖

5 結(jié)語

本文所舉案例是幾屆學生所完成的課程設計中的普通實例。從總體完成情況來看,此例具有一定代表性。有些學生通過小組協(xié)作來完成,分工明確,體現(xiàn)了團隊精神。從幾屆學生完成情況來看,幾乎看不到相互雷同的情況,有些優(yōu)秀設計不亞于一篇本科畢業(yè)設計要求的論文。很多學生反映該課程設計對以后的畢業(yè)設計有很大的幫助。他們發(fā)揮了自己的聰明才智,把各種高級語言編程應用到該課程設計里面來,甚至用到混合編程的方法,內(nèi)容豐富,形式多樣。有些學生還自己搭建 RC濾波器,利用電話輸出信號經(jīng)過濾波器觀看輸出效果,并設計出信號檢測電路。

“信號處理與系統(tǒng)”課程設計是給學生鞏固理論,理論聯(lián)系實際以及培養(yǎng)學生動手能力的好機會。通過幾年的教學經(jīng)歷,我們體會到課程設計的選題應聯(lián)系理論,貼近實際,才能夠提高學生的興趣與積極性;選題之后內(nèi)容的規(guī)劃也很重要,要由淺入深,由局部到總體。

[1] 劉忠.信號處理與系統(tǒng)課程雙語教學實踐與思考.南京:電氣電子教學學報,2005(4)

[2] 吳京.信號與系統(tǒng).長沙:國防科技大學出版社,1999

[3] 楊高波.精通 MAT LAB 7.0混合編程.北京:電子工業(yè)出版社,2006

[4] 鄒鵬.M ATLAB 6.X信號處理.北京:清華大學出版社,2002

[5] 姜春玲.基于MA TLAB的模擬濾波器設計.濟南:山東交通學院學報,2004(9)