基于GUI的模拟信号数字处理系统的设计

黄金凤

摘要：《数字信号处理》这门课程是电子和通信专业的主干课程，涉及的原理和公式比较多，学生掌握和应用难度较大，本文将课程中模拟信号数字处理这部分的内容，通过GUI的可视化操作演示，帮助学生进一步掌握这部分的相关知识点。

关键词：模拟信号数字处理 ；GUI

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）04-0236-03

随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理的理论与应用得到了飞跃式的发展，现在已经形成一门极其重要的独立学科体系。数字信号处理是利用计算机或专用数字处理设备，采用数值计算的方法对信号进行处理的一门学科，它包括数据采集，以及对信号进行变换、分析、综合、滤波、估值与识别等加工处理，以便于提取信息和应用。与传统的模拟处理方法相比较，数字处理具有无法比拟的优点。因此，传统的模拟信号处理系统正逐步地被数字信号处理系统所取代。相关专业学生在掌握这门课程时，往往对于其中涉及的计算公式和原理感到枯燥乏味，学习积极性不高，针对这种情况，教师在上这门课程时，尽量将原理公式和实际应用相结合，多用图形等直观体现，少用计算公式等复杂推导。

本文以模拟信号数字处理理论知识为基础，以MATLAB的GUI设计为开发平台，通过GUI的可视化操作演示，帮助学生进一步掌握这部分的相关知识点。

1 基于GUI的模拟信号数字处理系统

1.1 数字处理系统处理模拟信号

数字处理系统处理模拟信号的原理框图如图1所示。

在工程实际中，将采样和量化编码两部分集成在一起，称为模数转换器，其功能是将模拟信号变换成数字信号。量化编码器的作用是将采样得到的每个信号样值变换成有限位二进制编码。

随着计算机和专用数字处理系统的字长不断增加，模数转换器的量化误差、数字处理系统的系统参数量化误差，以及处理过程中的运算误差越来越小，如果忽略这些误差，模数转换器就与采样等价，数字处理系统与时域离散系统等价，图1可以简化为图2，即用时域离散系统处理模拟信号的原理方框图。在工程实际应用中，可以先根据要求设计图2所示的时域离散系统，再根据对信号处理的精度要求，选取合适的量化位数，对采样信号和时域离散系统的参数进行量化，就将时域离散系统变成了数字系统。因此本文用GUI实现的是图2所示的原理框图。

图2中，模拟信号的预处理，又称为预滤波或者前置滤波，滤除输入模拟信号中无用的频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。采样是将模拟信号转换成时域离散信号；时域离散系统可以对输入的信号进行各种运算、变换等。平滑滤波又称为恢复滤波，作用是将时域离散信号转换成模拟信号。

2 GUI界面设计

利用MATLAB新建GUI 文件，设计出模拟信号数字处理系统框图如图3所示。

对于整个系统的模拟演示如图4所示。

图4中，输入信号表达式为[x（t）=g0.6（t）+sin（12πt）]，其中，矩形信号[g0.6（t）]频率为3Hz，正弦信号[sin（12πt）]频率为6Hz；通过模拟低通滤波器进行预滤波，将频率超过3Hz的信号滤除掉，得到矩形信号[g0.6（t）]；接着对该信号进行采样，采样频率为15，得到时域离散信号[g9（n）]；最后对[g9（n）]进行插值（恢复滤波），还原成原先的矩形信号。

图3中，当点击GUI界面各按钮时，会弹出相应的对话框进行参数选择与设置，具体操作如下所示。

当点击输入信号按钮时，弹出信号选择窗口，可以选择典型信号，也可以自定义信号波形，如图5所示。当点击预处理按钮时，会弹出如图6所示的对话框，可以输入模拟低通滤波器的截止频率，从而对输入信号进行滤波。当点击采样按钮时，会弹出如图7所示的对话框，可以输入采样频率，从而将模拟信号转换成时域离散信号。当点击恢复滤波按钮时，会弹出如图8所示的对话框。对于时域离散系统这个按钮，可以添加DTFT、DFT、FFT、频域分析、Z域分析、数字滤波器设计等内容，方便学生边学边用。这部分内容本文不详细阐述。

上述按钮选择说明，以自定义信号[x（t）=Sa（t）+sin（12πt）]为例，输入信号有正弦信号，矩形信号，三角波信号， [Sa（t）]采樣信号和自定义信号，选择自定义信号，弹出如图9所示的自定义窗口，进行波形参数设置，波形如图5所示；对该输入信号进行预处理，如图6所示，左边波形为输入信号，右边波形为预滤波后的输出信号，将正弦信号[sin（12πt）]滤除掉，得到[Sa（t）]信号；接着对[Sa（t）]信号进行采样，采样频率为15Hz，生成如图7所示的波形；对该波形接着进行插值，恢复出原始的模拟信号，如图8所示，左图为待插值的离散序列，右图为插值后的模拟信号。由图8所示的恢复结果和图4所示的对矩形序列进行插值得到的恢复结果进行对比，可以看出，当插值函数采用[Sa（t）]函数进行恢复时，矩形信号的恢复结果和原模拟信号有一定误差，主要是出现了过渡带和边带波纹，而[Sa（t）]信号的恢复结果与原模拟信号无误差，我们可以用其他信号进行恢复，最终得出一个结论，当用[Sa（t）]函数进行恢复时，恢复结果波形上会出现过渡带和边带波纹这一特点。

3 结语

通过GUI可视化的操作演示，学生在学习模拟信号数字处理这部分内容时，可以边学习理论知识，边将理论知识用MATLAB加以实现，通过GUI设计，可以更宏观地察看信号之间的处理关系。

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【通联编辑：唐一东】