[摘 要] 對于數(shù)字信號處理課程的實驗輔助教學(xué)一般都以Mmatlab編程來實現(xiàn)，這樣的方式對學(xué)生的直觀理解信號處理及整個通信系統(tǒng)不是很直觀，教學(xué)研究針對此現(xiàn)象，基于SIMULINK仿真環(huán)境搭建數(shù)字信號處理系統(tǒng)并更改不同的參數(shù)會出現(xiàn)不同的仿真結(jié)果，可以更加有效地提高課堂教學(xué)效率。

[關(guān) 鍵 詞] SIMILINK；數(shù)字信號處理；教學(xué)研究；仿真

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）16-0024-02

本校數(shù)字信號處理課程為電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)限修課程，電子科技的核心就是數(shù)字信號的處理和傳輸，因此本課程對于本專業(yè)的未來就業(yè)及擴(kuò)展研究有著非常重要的作用，針對以往的教學(xué)模式，我們一直都用Matlab編程來實現(xiàn)各個數(shù)字信號處理模塊及功能，這樣的實驗?zāi)Ｊ娇梢蕴岣呔幊棠芰σ嗫梢院粚嵗碚摶A(chǔ)，但唯一的缺陷是不直觀，也就是不能夠清晰地看到數(shù)字信號處理系統(tǒng)的框架，不能從視覺上看到一個信號的發(fā)送、傳輸、處理、接收整個過程。本文建立DSP系統(tǒng)仿真并設(shè)置不同的參數(shù)來分析不同的結(jié)果。

一、SIMULINK仿真環(huán)境

SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它提供了豐富的模塊庫可以幫助用戶快速建立仿真環(huán)境，也可以通過命令行進(jìn)行仿真。目前各行各業(yè)的研究都希望用最小的成本來設(shè)計或者研究本專業(yè)的課題，這樣SIMULINK就是最好的選擇，它提供了專用的模塊庫，比如通信類的專用模塊庫DSP Blockset和Communication Blockset等，用戶還可以對系統(tǒng)模型進(jìn)行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標(biāo)機(jī)上。本文的教學(xué)研究就是基于SIMULINK的直觀性，搭建一個系統(tǒng)以及子模塊來直觀形象地展示DSP系統(tǒng)的各個功能模塊，靈活地更改參數(shù)我們就可以看到結(jié)果的異同，這樣的實驗教學(xué)會更加激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也會加深對理論知識和實驗結(jié)果的掌握程度，這樣的教學(xué)推廣后大大提升本課程以及電信相關(guān)課程的教學(xué)效率。

二、DSP仿真系統(tǒng)

本仿真實驗教學(xué)設(shè)計將會以兩種方式來設(shè)計，第一種就是各個DSP模塊仿真展示，第二種教學(xué)設(shè)計就是搭建整個DSP通信系統(tǒng)。這樣的設(shè)計既可以在每一章節(jié)講解小模塊知識點(diǎn)時利用仿真模型再結(jié)合Matlab編程來形象地將知識點(diǎn)植入學(xué)生的頭腦中，還可以拓展學(xué)生的思維模式，不僅僅是以固化思維的方式來實現(xiàn)DSP，也是我們教育的最終目標(biāo)，以開拓學(xué)生的發(fā)散思維與創(chuàng)新思維。

（一）DSP建模分析

模擬信號數(shù)字處理的框圖如圖1所示。

對于一個實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)來說，抗混疊濾波器的作用是將發(fā)送端的模擬信號中高于奈奎斯特頻率的頻率成分濾掉為模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備；ADC的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP可以處理的并行或者串行的數(shù)字比特流；DAC的作用是經(jīng)過處理的數(shù)字信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬樣值，而抗鏡像濾波器的作用是完成模擬波形的重建。本文重點(diǎn)介紹核心部分?jǐn)?shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理的關(guān)鍵部分即是數(shù)字濾波器，可以為我們?yōu)V出信號中的不期望的頻率成分，恢復(fù)原始信號，假設(shè)一款I(lǐng)IR低通濾波器其差分方程的描述為：

y（n）-1.61y（n-1）+0.72y（n-2）=0.041x（n）+0.082x（n-1）+0.042x（n-2）

其中x（n）為濾波器的輸入，y（n）為濾波器的輸出。此低通濾波器為一線性時域離散系統(tǒng)。

首先對差分方程進(jìn)行Z變換可以得到

H（z）=■

通過系統(tǒng)函數(shù)我們建立了數(shù)字濾波器的系統(tǒng)模型。

本文還針對數(shù)字信號處理中的關(guān)鍵部分FIR濾波器做了分析，Hd（ω）表示希望逼近的幅度特性函數(shù)，Hg（ω）表示實際設(shè)計的濾波器幅度特性函數(shù)，定義加權(quán)誤差函數(shù)E（ω）為

E（ω）=W（ω）[Hd（ω）-Hg（ω）]

在上面的公式中，W（ω）稱為誤差加權(quán)函數(shù)，主要用于控制不同頻段的逼近度。等波紋最佳逼近基于切比雪夫逼近，在通帶和阻帶以|E（ω）|的最大值最小化為準(zhǔn)則。

（二）DSP系統(tǒng)仿真

基于以上的建模分析，在此系統(tǒng)中，發(fā)送方首先使用高頻正弦波對以低頻正弦波進(jìn)行幅度調(diào)制，然后再在無損信道中傳遞此調(diào)制信號，接收方再接收此信號時，先對其進(jìn)行解調(diào)然后再使用低通數(shù)字濾波器對解調(diào)后的信號進(jìn)行濾波，恢復(fù)發(fā)送方的原始信號。

信源模塊的參數(shù)設(shè)置：

幅度設(shè)置為1，頻率為1rad/sec，發(fā)送端和接收端的載波模塊均設(shè)置為1000 rad/sec，這樣才能在接收端最大限度地恢復(fù)原始信號。

信宿模塊的參數(shù)設(shè)置：

數(shù)字濾波器的設(shè)置根據(jù)仿真建模的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可。仿真圖如圖2所示。

本項目選擇等波紋最佳逼近法設(shè)計的FIR濾波器來完成仿真，給定兩個正弦波構(gòu)造的原始信號x（t）=3sin（100πt）+sin（200πt），通過Simulink環(huán)境下的Digital Filter Design （數(shù)字濾波器設(shè)計）模塊中的DSP Blockset工具箱設(shè)計一個低通濾波器，濾出頻率等于或低于100Hz的信號。

三、仿真結(jié)果

本課題主要以數(shù)字信號處理為主線，仿真了其完成信號處理的關(guān)鍵器件數(shù)字濾波器，并建立了包含IIR濾波器的時域離散系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4中可以看到發(fā)送端的波形圖和接收端的波形圖有差異，并沒有完全和原始信號一樣，原因在于實際濾波器并不是理想濾波器，并不能夠保證原始信號和接收端信號完全一致，一般情況下，失真度保證在正常范圍內(nèi)即可。

從圖5中可以看出，兩個正弦波的混合波形經(jīng)過FIR濾波器之后，濾除了高頻波保留了低頻波，這也是在實際應(yīng)用中FIR濾波器的作用，信號和噪聲混合后通過FIR數(shù)字濾波器，可以得到我們預(yù)期的信號。仿真過程中FIR濾波器的參數(shù)設(shè)置會直接影響濾出的波形，本次仿真設(shè)置的逼近通帶參數(shù)為0.4，阻帶為0.7。在動態(tài)仿真過程中，將通帶參數(shù)改為0.2，阻帶參數(shù)改為0.7，這時輸出的波形圖并不能達(dá)到濾波的效果，還會出現(xiàn)很大的失真。在建立仿真系統(tǒng)后，可以靈活地更改參數(shù)來觀察輸入輸出波形的變化。

四、教學(xué)效果分析

將此項教改應(yīng)用于2014級電信學(xué)生的實驗教學(xué)中，并將matlab編程與SIMULINK仿真系統(tǒng)做了對比，學(xué)生能夠更加直觀地觀測波形的變化，從編程代碼中的參數(shù)到SIMULINK仿真系統(tǒng)的參數(shù)變化中可以更深層次地體會到數(shù)字信號處理的奧妙，做此項教改的目標(biāo)更是為了拓展學(xué)生的橫向思維。對本項目做了一個學(xué)生調(diào)查，調(diào)查表格如下表所示。

從調(diào)查表中可以明顯地看出教改后學(xué)生接受知識量的百分率增加5百分點(diǎn)，通過我們在教與學(xué)的不斷研究改進(jìn)中逐步提高我院的教學(xué)水平，此后在教學(xué)中我們會爭取做出更大的改進(jìn)讓工科學(xué)生學(xué)習(xí)的過程既生動又深刻！

參考文獻(xiàn)：

[1]高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理（第3版）[M].北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[2]汪春梅.TMS320C55x DSP原理及應(yīng)用（第4版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：1-4.