黃琳 楊鐵軍

摘? 要：數(shù)字信號(hào)處理是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有概念多、數(shù)學(xué)公式多、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，對學(xué)生的邏輯推理能力、抽象思維能力、動(dòng)手能力提出了比較高的要求。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在學(xué)習(xí)難度大、涉及內(nèi)容繁多、實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限等問題，從而影響了學(xué)習(xí)積極性與學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真技術(shù)以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來越多的應(yīng)用和推廣。Matlab中的Simulink能提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。利用Simulink將虛擬仿真技術(shù)帶入課程有助于提高課程教學(xué)效果，使學(xué)生可以不受場地與設(shè)備的限制，更容易掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、技能及操作，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和參與度，從而提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理;虛擬仿真;Simulink

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）06-0122-03

Abstract： Digital signal processing is an important professional basic course for electronic information majors. It has many concepts， many mathematical formulas， and strong theoretical strength. It puts forward relatively high requirements for students' logical reasoning ability， abstract thinking ability and practical ability. In the process of learning， students have problems such as difficulty in learning， involving a variety of contents， and limited experimental equipment， which affects the enthusiasm for learning and the effect of learning. Virtual simulation technology is increasingly used and popularized for its high efficiency， low cost， rich content， effective performance and security. Simulink in Matlab provides an integrated environment for dynamic system modeling， simulation and comprehensive analysis. Bringing virtual simulation technology into the course with Simulink can help improve the teaching effect of the course， so that students can be free from the limitations of the venue and equipment， and it is easier to grasp relevant knowledge points， skills and operations， effectively improve students' interest and participation in learning， and improve teaching quality.

Keywords： digital signal processing; virtual simulation; Simulink

數(shù)字信號(hào)處理[1]是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要講述內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)字處理、數(shù)字信號(hào)在時(shí)域和變換域的分析及其相互變換的基本理論和特征，具有概念多、數(shù)學(xué)公式多、理論性強(qiáng)、學(xué)生接受度低等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的“板書+多媒體”的授課方式難以滿足教學(xué)需要。虛擬仿真[2]教學(xué)是指利用實(shí)物和計(jì)算機(jī)軟件共同模擬出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。而這種教學(xué)方法生動(dòng)形象，很接近現(xiàn)實(shí)工作場景，有利于提高學(xué)生興趣，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相應(yīng)情境，真實(shí)的體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行操作的感覺，以達(dá)到更快掌握操作技能的目的，而且這種教學(xué)方法可以利用計(jì)算機(jī)軟件的優(yōu)勢創(chuàng)造出靈活多樣的工作場景，使學(xué)生掌握更多的操作技能[3，4]。Simulink[5，6]是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。利用Simulink將虛擬仿真技術(shù)帶入課程有助于更直觀地展示和傳授抽象理論和知識(shí)點(diǎn)，提高課程教學(xué)效果，使學(xué)生可以不受場地與設(shè)備的限制，更容易掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、技能及操作，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和參與度，從而提升教學(xué)質(zhì)量。

一、Simulink介紹

Simulink 是一個(gè)對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)）進(jìn)行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，是MATLAB的一個(gè)附加組件，其特點(diǎn)是模塊化操作、易學(xué)易用，而且能夠使用MATLAB提供的豐富的仿真資源。在SIMULINK環(huán)境中，用戶不僅可以觀察現(xiàn)實(shí)世界中非線性因素和各種隨機(jī)因素對系統(tǒng)行為的影響，而且也可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察系統(tǒng)行為的變化，因此已在許多領(lǐng)域，如通信、信號(hào)處理、電力、金融、生物系統(tǒng)等獲得重要應(yīng)用。對電子信息專業(yè)的學(xué)生來說，無論是學(xué)習(xí)專業(yè)課程或相關(guān)課程設(shè)計(jì)，還是在今后的工作中，Simulink都是一個(gè)重要的仿真建模工具。

二、教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理課程主要講述內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)字化處理、數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算，數(shù)字信號(hào)及其系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析（DTFT）、離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）、IIR濾波器的設(shè)計(jì)、FIR濾波器的設(shè)計(jì)等。其重要內(nèi)容可借助Simulink設(shè)計(jì)出一些對應(yīng)的仿真應(yīng)用，幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)以上知識(shí)點(diǎn)，下面給出一些仿真應(yīng)用。

應(yīng)用1：數(shù)字信號(hào)的相加和差分。產(chǎn)生一個(gè)頻率為1Hz的正弦信號(hào)和直流信號(hào)，并進(jìn)行簡單相加和差分運(yùn)算。對應(yīng)模型為圖1（a），相加以及差分結(jié)果為圖1（b）。

應(yīng)用2：連續(xù)信號(hào)的數(shù)字化模型。圖2（a）給出了具體模型，其中信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)250Hz的正弦信號(hào)，通過一個(gè)模擬低通濾波器后再通過一個(gè)零階保持器把此連續(xù)信號(hào)數(shù)字化，最后分析此數(shù)字信號(hào)的頻譜。虛線左邊部分表示連續(xù)信號(hào)，虛線右邊部分表示數(shù)字信號(hào);圖2（b）示波器顯示出延遲了的連續(xù)信號(hào)與對應(yīng)數(shù)字信號(hào);圖2（c）顯示了數(shù)字正弦信號(hào)的頻譜，主要頻譜成分為250Hz的信號(hào)，還包含了750Hz、1250Hz等諧波成分，這些諧波成分是由于數(shù)字化過程中信號(hào)截?cái)嘁痤l譜泄露。

應(yīng)用3：濾波器的設(shè)計(jì)。MATLAB集成了一套功能強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)工具FDATool（Filter Design & Analysis Tool），可以完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能評(píng)估。在Matlab命令窗口輸入fdatool即可進(jìn)入如圖3界面，能用于設(shè)計(jì)FIR和IIR濾波器，也提供了低通、帶通、帶阻、高通等濾波器的設(shè)計(jì)與分析，如利用該工具設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，只需簡單設(shè)置通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減、阻帶衰減等幾個(gè)參數(shù)，后選擇具體設(shè)計(jì)方法，再點(diǎn)擊“Design filter”按鈕就可以完成濾波器的設(shè)計(jì)，簡單方便又有效。最終設(shè)計(jì)好的濾波器系統(tǒng)函數(shù)H（z）的分子分母多項(xiàng)式系數(shù)可保存到工作空間，存入變量中，以便后續(xù)使用該濾波器進(jìn)行濾波。

應(yīng)用4：去噪。圖4（a）給出了一個(gè)具體的多頻率混合正弦信號(hào)去噪模型，整個(gè)信號(hào)由1kHz正弦信號(hào)、15KHz正弦信號(hào)和高斯白噪聲組成，可由FDATool設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器或者雙擊Lowpass，打開圖4（b）所示界面，設(shè)置好低通濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率等參數(shù)設(shè)計(jì)好該濾波器;圖4（c）給出了未濾波前與濾波后頻譜對比結(jié)果，顯示濾波后低頻的1KHz與低頻的白噪聲基本保持不變，而高頻的15KHz的正弦信號(hào)降至大約80db，白噪聲的高頻部分大約降至90db，達(dá)到了濾除高頻信號(hào)的目的。

三、結(jié)束語

除了上述應(yīng)用，還可以利用Matlab-Simulink設(shè)計(jì)出更多應(yīng)用，如：利用From Multimedia File、Audio Device Writer等模塊實(shí)現(xiàn)對聲音的讀取和播放，再結(jié)合頻譜分析和濾波可設(shè)計(jì)出應(yīng)用從視聽角度給學(xué)生更直觀的感受;利用Downsample模塊可實(shí)現(xiàn)降采樣信號(hào)等。Matlab新版本的Simulink 3D Animation提供了強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持，可用它制作三維動(dòng)畫制作，能設(shè)計(jì)出三維立體球、汽車或機(jī)器人等，并設(shè)計(jì)出對應(yīng)系統(tǒng)來控制它們的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)一步提升視覺體驗(yàn)，化繁為簡給學(xué)生更具體的體驗(yàn)，它將作為進(jìn)一步的研究計(jì)劃。總之，將Simulink虛擬仿真技術(shù)引入數(shù)字信號(hào)處理課程，能更直觀地展示和傳授抽象理論和知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生實(shí)踐能力，提升課程教學(xué)效果。

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