楊富龍， 張愛(ài)華， 楊 彬， 林冬梅， 任崇玉

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

“數(shù)字信號(hào)處理”(簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是面向電子信息學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該課程具有概念抽象、公式繁多、理論深?yuàn)W等特點(diǎn)[1，2]。針對(duì)上述特點(diǎn)已有諸多教師對(duì)其傳授方式進(jìn)行了探索，在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，但尚未找到一種更為直觀生動(dòng)形象的講述方式[3-6]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展，教學(xué)輔助手段已從單一的聽(tīng)覺(jué)媒體發(fā)展到可視化媒體。

可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)[7]。自1986年可視化技術(shù)被提出以來(lái)即受到廣泛關(guān)注，并有諸多教育工作者開(kāi)展相關(guān)的研究工作，具有代表性的有美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Brown等人在工作站的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的 Balsa 可視化系統(tǒng)， 并將其作為實(shí)際教學(xué)一種輔助手段[8]；佐治亞理工學(xué)院 Stask 教授設(shè)計(jì)出了 Tango 系統(tǒng)，將抽象的算法進(jìn)行可視化組織，并將其應(yīng)用于課堂教學(xué)演示[9]。目前在國(guó)內(nèi)可視化教育也已引起大量教育者的關(guān)注，可視化教學(xué)呈現(xiàn)出相當(dāng)快速的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景[10-13]。

本文以“數(shù)字信號(hào)處理”課程為例，基于Matlab和LabVIEW可視化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)以多種信號(hào)為處理對(duì)象，并結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)展示信號(hào)處理全過(guò)程，將可視化教學(xué)方法應(yīng)用電子信息專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。

1 課程教學(xué)內(nèi)容

“數(shù)字信號(hào)處理”課程涉及眾多理論和方法，如何在可視化系統(tǒng)中將其系統(tǒng)展示具有一定挑戰(zhàn)性。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，我們將該課程劃分為3個(gè)模塊，即信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理，分步進(jìn)行講授。

信號(hào)采集部分。采用相應(yīng)傳感器及調(diào)理電路，獲取合理幅值的模擬信號(hào)，依據(jù)奈奎斯特采樣定理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便后續(xù)處理。

信號(hào)分析部分。借助傅里葉變換等分析工具，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，提取信號(hào)特征。

信號(hào)處理部分。針對(duì)信號(hào)特征，設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

圖1所示，即為“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)內(nèi)容。

圖1 數(shù)字信號(hào)處理流程

2 課程可視化系統(tǒng)架構(gòu)

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的可視化系統(tǒng)主要包含信號(hào)采集、信號(hào)分析、信號(hào)處理三部分，以矩形脈沖信號(hào)、脈搏信號(hào)和聲音信號(hào)為處理對(duì)象。系統(tǒng)整個(gè)架構(gòu)示于圖2。

圖2 可視化系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖3。

圖3 信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用虛擬儀器原理及其設(shè)計(jì)思想，以個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件和Windows操作系統(tǒng)為依托，借助藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸，利用LabVIEW 2010設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集程序，從而將下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)引入個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，然后利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存儲(chǔ)、運(yùn)算和顯示能力實(shí)現(xiàn)信號(hào)的保存和實(shí)時(shí)地顯示。一個(gè)脈搏信號(hào)采集和顯示界面如圖4所示。

圖4 脈搏信號(hào)采集界面

2.2 信號(hào)分析系統(tǒng)

以矩形脈沖信號(hào)和脈搏信號(hào)為處理對(duì)象，建立三維傅里葉變換動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)疊加展示傅里葉變換實(shí)質(zhì)，進(jìn)而展示信號(hào)頻域分析過(guò)程。根據(jù)傅里葉變換可知，任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)域信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的疊加。本設(shè)計(jì)以頻率為255 Hz的矩形脈沖為處理對(duì)象，可以將其分解成N個(gè)正弦波(或者余弦波)疊加而成的。取若干個(gè)變換后的頻率分量進(jìn)行疊加，也就是對(duì)其進(jìn)行傅里葉逆變換，將矩形脈沖的頻域表示形式變換為時(shí)域表示形式，觀察其逆變換后的波形并與原始矩形波形對(duì)照，進(jìn)而分析傅里葉變換實(shí)質(zhì)及頻域分析過(guò)程。

將矩形脈沖做256點(diǎn)的FFT變換，并進(jìn)行1-16，1-32，1-48……1-256順序疊加，觀測(cè)疊加結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)取低頻16點(diǎn)時(shí)其疊加時(shí)域波形即具有矩形脈沖信號(hào)輪廓，隨著疊加點(diǎn)數(shù)的增加其時(shí)域波形越來(lái)越逼近矩形信號(hào)，高頻分量對(duì)時(shí)域波形邊沿影響明顯，如圖5所示。

2.3 信號(hào)處理系統(tǒng)

該濾波器可視化教學(xué)系統(tǒng)主要完成如下四個(gè)方面功能：①顯示零極點(diǎn)變化對(duì)濾波器性能的影響。通過(guò)零極點(diǎn)在單位圓上的變化，觀察濾波器幅頻特性和相頻特性的變化，以及脈沖信號(hào)和聲音信號(hào)的改變。②設(shè)計(jì)低通、高通、帶通和帶阻濾波器，從時(shí)域和頻域觀測(cè)其對(duì)信號(hào)的作用。③相頻特性對(duì)濾波器性能的影響。設(shè)計(jì)濾波參數(shù)相同的IIR濾波器、FIR濾波器和零相位濾波器，觀察其相頻特性的區(qū)別，進(jìn)而對(duì)比分析將脈沖信號(hào)和聲音信號(hào)通過(guò)三類(lèi)濾波器后的變化。④濾波器階數(shù)對(duì)濾波器性能的影響至關(guān)重要，觀測(cè)相同類(lèi)型濾波器不同階數(shù)和不同類(lèi)型濾波器相同階數(shù)時(shí)濾波器性能的變化以及它們對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生的影響。具體界面如圖6所示。

圖5 三維傅里葉變換動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

本文按照“數(shù)字信號(hào)處理”課程的知識(shí)體系，以矩形脈沖信號(hào)、生理脈搏信號(hào)、聲音信號(hào)為處理對(duì)象，借助可視化開(kāi)發(fā)軟件Matlab和LabVIEW平臺(tái)，并結(jié)合藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套完整的可視化系統(tǒng)。借助該系統(tǒng)學(xué)生能夠生動(dòng)直觀的觀測(cè)到信號(hào)采集、無(wú)線傳輸、分析及處理的全過(guò)程，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)感受不同處理手段對(duì)信號(hào)的影響。通過(guò)課堂教學(xué)、學(xué)生反饋和成績(jī)統(tǒng)計(jì)等手段分析，認(rèn)為采用該系統(tǒng)進(jìn)行可視化教學(xué)，對(duì)改變教師的教授方式、幫助學(xué)生理解數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)有著積極的作用和影響。

圖6 可視化濾波器系統(tǒng)界面及聲音信號(hào)濾波處理