数字信号处理可视化教学研究

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1课程教学内容

“数字信号处理”课程涉及众多理论和方法，如何在可视化系统中将其系统展示具有一定挑战性。经过多年的教学实践，我们将该课程划分为3个模块，即信号采集、信号分析和信号处理，分步进行讲授。信号采集部分。采用相应传感器及调理电路，获取合理幅值的模拟信号，依据奈奎斯特采样定理，将模拟信号转换为数字信号以便后续处理。信号分析部分。借助傅里叶变换等分析工具，对信号进行时域和频域分析，提取信号特征。信号处理部分。针对信号特征，设计各种类型的滤波器，对信号进行滤波处理。图1所示，即为“数字信号处理”课程的教学内容。

2课程可视化系统架构

“数字信号处理”课程的可视化系统主要包含信号采集、信号分析、信号处理三部分，以矩形脉冲信号、脉搏信号和声音信号为处理对象。系统整个架构示于图2。2．1信号采集系统。信号采集系统结构示于图3。图3信号采集系统结构该系统设计应用虚拟仪器原理及其设计思想，以个人计算机硬件和Windows操作系统为依托，借助蓝牙无线通信技术实现信号的无线传输，利用LabVIEW2010设计系统采集程序，从而将下位机发送的数据引入个人计算机系统当中，然后利用计算机强大的存储、运算和显示能力实现信号的保存和实时地显示。一个脉搏信号采集和显示界面如图4所示。2．2信号分析系统。以矩形脉冲信号和脉搏信号为处理对象，建立三维傅里叶变换动态演示系统，通过动态叠加展示傅里叶变换实质，进而展示信号频域分析过程。根据傅里叶变换可知，任何连续测量的时域信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的叠加。本设计以频率为255Hz的矩形脉冲为处理对象，可以将其分解成N个正弦波(或者余弦波)叠加而成的。取若干个变换后的频率分量进行叠加，也就是对其进行傅里叶逆变换，将矩形脉冲的频域表示形式变换为时域表示形式，观察其逆变换后的波形并与原始矩形波形对照，进而分析傅里叶变换实质及频域分析过程。将矩形脉冲做256点的FFT变换，并进行1-16，1-32，1-48……1-256顺序叠加，观测叠加结果发现当取低频16点时其叠加时域波形即具有矩形脉冲信号轮廓，随着叠加点数的增加其时域波形越来越逼近矩形信号，高频分量对时域波形边沿影响明显，如图5所示。2．3信号处理系统。该滤波器可视化教学系统主要完成如下四个方面功能:①显示零极点变化对滤波器性能的影响。通过零极点在单位圆上的变化，观察滤波器幅频特性和相频特性的变化，以及脉冲信号和声音信号的改变。②设计低通、高通、带通和带阻滤波器，从时域和频域观测其对信号的作用。③相频特性对滤波器性能的影响。设计滤波参数相同的IIR滤波器、FIR滤波器和零相位滤波器，观察其相频特性的区别，进而对比分析将脉冲信号和声音信号通过三类滤波器后的变化。④滤波器阶数对滤波器性能的影响至关重要，观测相同类型滤波器不同阶数和不同类型滤波器相同阶数时滤波器性能的变化以及它们对信号的产生的影响。具体界面如图6所示。

3结语

本文按照“数字信号处理”课程的知识体系，以矩形脉冲信号、生理脉搏信号、声音信号为处理对象，借助可视化开发软件Matlab和LabVIEW平台，并结合蓝牙无线传输技术，设计出一套完整的可视化系统。借助该系统学生能够生动直观的观测到信号采集、无线传输、分析及处理的全过程，通过听觉和视觉感受不同处理手段对信号的影响。通过课堂教学、学生反馈和成绩统计等手段分析，认为采用该系统进行可视化教学，对改变教师的教授方式、帮助学生理解数字信号处理知识有着积极的作用和影响。

作者:杨富龙 张爱华 杨 彬 林冬梅 任崇玉 单位:兰州理工大学