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[摘 要] 对于数字信号处理课程的实验辅助教学一般都以Mmatlab编程来实现，这样的方式对学生的直观理解信号处理及整个通信系统不是很直观，教学研究针对此现象，基于SIMULINK仿真环境搭建数字信号处理系统并更改不同的参数会出现不同的仿真结果，可以更加有效地提高课堂教学效率。
[关 键 词] SIMILINK；数字信号处理；教学研究；仿真
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）16-0024-02
本校数字信号处理课程为电子信息科学与技术专业的专业限修课程，电子科技的核心就是数字信号的处理和传输，因此本课程对于本专业的未来就业及扩展研究有着非常重要的作用，针对以往的教学模式，我们一直都用Matlab编程来实现各个数字信号处理模块及功能，这样的实验模式可以提高编程能力亦可以夯实理论基础，但唯一的缺陷是不直观，也就是不能够清晰地看到数字信号处理系统的框架，不能从视觉上看到一个信号的发送、传输、处理、接收整个过程。本文建立DSP系统仿真并设置不同的参数来分析不同的结果。
一、SIMULINK仿真环境
SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它提供了丰富的模块库可以帮助用户快速建立仿真环境，也可以通过命令行进行仿真。目前各行各业的研究都希望用最小的成本来设计或者研究本专业的课题，这样SIMULINK就是最好的选择，它提供了专用的模块库，比如通信类的专用模块库DSP Blockset和Communication Blockset等，用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。本文的教学研究就是基于SIMULINK的直观性，搭建一个系统以及子模块来直观形象地展示DSP系统的各个功能模块，灵活地更改参数我们就可以看到结果的异同，这样的实验教学会更加激发学生学习的兴趣，也会加深对理论知识和实验结果的掌握程度，这样的教学推广后大大提升本课程以及电信相关课程的教学效率。
二、DSP仿真系统
本仿真实验教学设计将会以两种方式来设计，第一种就是各个DSP模块仿真展示，第二种教学设计就是搭建整个DSP通信系统。这样的设计既可以在每一章节讲解小模块知识点时利用仿真模型再结合Matlab编程来形象地将知识点植入学生的头脑中，还可以拓展学生的思维模式，不仅仅是以固化思维的方式来实现DSP，也是我们教育的最终目标，以开拓学生的发散思维与创新思维。
（一）DSP建模分析
模拟信号数字处理的框图如图1所示。
对于一个实时数字信号处理系统来说，抗混叠滤波器的作用是将发送端的模拟信号中高于奈奎斯特频率的频率成分滤掉为模数转换做准备；ADC的作用是将模拟信号转换成DSP可以处理的并行或者串行的数字比特流；DAC的作用是經过处理的数字信号经DAC转换成模拟样值，而抗镜像滤波器的作用是完成模拟波形的重建。本文重点介绍核心部分数字信号处理单元，数字信号处理的关键部分即是数字滤波器，可以为我们滤出信号中的不期望的频率成分，恢复原始信号，假设一款IIR低通滤波器其差分方程的描述为：
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）为滤波器的输入，y（n）为滤波器的输出。此低通滤波器为一线性时域离散系统。
首先对差分方程进行Z变换可以得到
H（z）=■
通过系统函数我们建立了数字滤波器的系统模型。
本文还针对数字信号处理中的关键部分FIR滤波器做了分析，Hd（ω）表示希望逼近的幅度特性函数，Hg（ω）表示实际设计的滤波器幅度特性函数，定义加权误差函数E（ω）为
E（ω）=W（ω）[Hd（ω）-Hg（ω）]
在上面的公式中，W（ω）称为误差加权函数，主要用于控制不同频段的逼近度。等波纹最佳逼近基于切比雪夫逼近，在通带和阻带以|E（ω）|的最大值最小化为准则。
（二）DSP系统仿真
基于以上的建模分析，在此系统中，发送方首先使用高频正弦波对以低频正弦波进行幅度调制，然后再在无损信道中传递此调制信号，接收方再接收此信号时，先对其进行解调然后再使用低通数字滤波器对解调后的信号进行滤波，恢复发送方的原始信号。
信源模块的参数设置：
幅度设置为1，频率为1rad/sec，发送端和接收端的载波模块均设置为1000 rad/sec，这样才能在接收端最大限度地恢复原始信号。
信宿模块的参数设置：
数字滤波器的设置根据仿真建模的参数进行设置即可。仿真图如图2所示。
本项目选择等波纹最佳逼近法设计的FIR滤波器来完成仿真，给定两个正弦波构造的原始信号x（t）=3sin（100πt）+sin（200πt），通过Simulink环境下的Digital Filter Design （数字滤波器设计）模块中的DSP Blockset工具箱设计一个低通滤波器，滤出频率等于或低于100Hz的信号。
三、仿真结果
本课题主要以数字信号处理为主线，仿真了其完成信号处理的关键器件数字滤波器，并建立了包含IIR滤波器的时域离散系统，仿真结果如图4和图5所示。从图4中可以看到发送端的波形图和接收端的波形图有差异，并没有完全和原始信号一样，原因在于实际滤波器并不是理想滤波器，并不能够保证原始信号和接收端信号完全一致，一般情况下，失真度保证在正常范围内即可。
从图5中可以看出，两个正弦波的混合波形经过FIR滤波器之后，滤除了高频波保留了低频波，这也是在实际应用中FIR滤波器的作用，信号和噪声混合后通过FIR数字滤波器，可以得到我们预期的信号。仿真过程中FIR滤波器的参数设置会直接影响滤出的波形，本次仿真设置的逼近通带参数为0.4，阻带为0.7。在动态仿真过程中，将通带参数改为0.2，阻带参数改为0.7，这时输出的波形图并不能达到滤波的效果，还会出现很大的失真。在建立仿真系统后，可以灵活地更改参数来观察输入输出波形的变化。
四、教学效果分析
将此项教改应用于2014级电信学生的实验教学中，并将matlab编程与SIMULINK仿真系统做了对比，学生能够更加直观地观测波形的变化，从编程代码中的参数到SIMULINK仿真系统的參数变化中可以更深层次地体会到数字信号处理的奥妙，做此项教改的目标更是为了拓展学生的横向思维。对本项目做了一个学生调查，调查表格如下表所示。
从调查表中可以明显地看出教改后学生接受知识量的百分率增加5百分点，通过我们在教与学的不断研究改进中逐步提高我院的教学水平，此后在教学中我们会争取做出更大的改进让工科学生学习的过程既生动又深刻！
参考文献：
[1]高西全，丁玉美.数字信号处理（第3版）[M].北京：西安电子科技大学出版社，2008.
[2]汪春梅.TMS320C55x DSP原理及应用（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2014：1-4.
[关 键 词] SIMILINK；数字信号处理；教学研究；仿真
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）16-0024-02
本校数字信号处理课程为电子信息科学与技术专业的专业限修课程，电子科技的核心就是数字信号的处理和传输，因此本课程对于本专业的未来就业及扩展研究有着非常重要的作用，针对以往的教学模式，我们一直都用Matlab编程来实现各个数字信号处理模块及功能，这样的实验模式可以提高编程能力亦可以夯实理论基础，但唯一的缺陷是不直观，也就是不能够清晰地看到数字信号处理系统的框架，不能从视觉上看到一个信号的发送、传输、处理、接收整个过程。本文建立DSP系统仿真并设置不同的参数来分析不同的结果。
一、SIMULINK仿真环境
SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它提供了丰富的模块库可以帮助用户快速建立仿真环境，也可以通过命令行进行仿真。目前各行各业的研究都希望用最小的成本来设计或者研究本专业的课题，这样SIMULINK就是最好的选择，它提供了专用的模块库，比如通信类的专用模块库DSP Blockset和Communication Blockset等，用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。本文的教学研究就是基于SIMULINK的直观性，搭建一个系统以及子模块来直观形象地展示DSP系统的各个功能模块，灵活地更改参数我们就可以看到结果的异同，这样的实验教学会更加激发学生学习的兴趣，也会加深对理论知识和实验结果的掌握程度，这样的教学推广后大大提升本课程以及电信相关课程的教学效率。
二、DSP仿真系统
本仿真实验教学设计将会以两种方式来设计，第一种就是各个DSP模块仿真展示，第二种教学设计就是搭建整个DSP通信系统。这样的设计既可以在每一章节讲解小模块知识点时利用仿真模型再结合Matlab编程来形象地将知识点植入学生的头脑中，还可以拓展学生的思维模式，不仅仅是以固化思维的方式来实现DSP，也是我们教育的最终目标，以开拓学生的发散思维与创新思维。
（一）DSP建模分析
模拟信号数字处理的框图如图1所示。
对于一个实时数字信号处理系统来说，抗混叠滤波器的作用是将发送端的模拟信号中高于奈奎斯特频率的频率成分滤掉为模数转换做准备；ADC的作用是将模拟信号转换成DSP可以处理的并行或者串行的数字比特流；DAC的作用是經过处理的数字信号经DAC转换成模拟样值，而抗镜像滤波器的作用是完成模拟波形的重建。本文重点介绍核心部分数字信号处理单元，数字信号处理的关键部分即是数字滤波器，可以为我们滤出信号中的不期望的频率成分，恢复原始信号，假设一款IIR低通滤波器其差分方程的描述为：
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）为滤波器的输入，y（n）为滤波器的输出。此低通滤波器为一线性时域离散系统。
首先对差分方程进行Z变换可以得到
H（z）=■
通过系统函数我们建立了数字滤波器的系统模型。
本文还针对数字信号处理中的关键部分FIR滤波器做了分析，Hd（ω）表示希望逼近的幅度特性函数，Hg（ω）表示实际设计的滤波器幅度特性函数，定义加权误差函数E（ω）为
E（ω）=W（ω）[Hd（ω）-Hg（ω）]
在上面的公式中，W（ω）称为误差加权函数，主要用于控制不同频段的逼近度。等波纹最佳逼近基于切比雪夫逼近，在通带和阻带以|E（ω）|的最大值最小化为准则。
（二）DSP系统仿真
基于以上的建模分析，在此系统中，发送方首先使用高频正弦波对以低频正弦波进行幅度调制，然后再在无损信道中传递此调制信号，接收方再接收此信号时，先对其进行解调然后再使用低通数字滤波器对解调后的信号进行滤波，恢复发送方的原始信号。
信源模块的参数设置：
幅度设置为1，频率为1rad/sec，发送端和接收端的载波模块均设置为1000 rad/sec，这样才能在接收端最大限度地恢复原始信号。
信宿模块的参数设置：
数字滤波器的设置根据仿真建模的参数进行设置即可。仿真图如图2所示。
本项目选择等波纹最佳逼近法设计的FIR滤波器来完成仿真，给定两个正弦波构造的原始信号x（t）=3sin（100πt）+sin（200πt），通过Simulink环境下的Digital Filter Design （数字滤波器设计）模块中的DSP Blockset工具箱设计一个低通滤波器，滤出频率等于或低于100Hz的信号。
三、仿真结果
本课题主要以数字信号处理为主线，仿真了其完成信号处理的关键器件数字滤波器，并建立了包含IIR滤波器的时域离散系统，仿真结果如图4和图5所示。从图4中可以看到发送端的波形图和接收端的波形图有差异，并没有完全和原始信号一样，原因在于实际滤波器并不是理想滤波器，并不能够保证原始信号和接收端信号完全一致，一般情况下，失真度保证在正常范围内即可。
从图5中可以看出，两个正弦波的混合波形经过FIR滤波器之后，滤除了高频波保留了低频波，这也是在实际应用中FIR滤波器的作用，信号和噪声混合后通过FIR数字滤波器，可以得到我们预期的信号。仿真过程中FIR滤波器的参数设置会直接影响滤出的波形，本次仿真设置的逼近通带参数为0.4，阻带为0.7。在动态仿真过程中，将通带参数改为0.2，阻带参数改为0.7，这时输出的波形图并不能达到滤波的效果，还会出现很大的失真。在建立仿真系统后，可以灵活地更改参数来观察输入输出波形的变化。
四、教学效果分析
将此项教改应用于2014级电信学生的实验教学中，并将matlab编程与SIMULINK仿真系统做了对比，学生能够更加直观地观测波形的变化，从编程代码中的参数到SIMULINK仿真系统的參数变化中可以更深层次地体会到数字信号处理的奥妙，做此项教改的目标更是为了拓展学生的横向思维。对本项目做了一个学生调查，调查表格如下表所示。
从调查表中可以明显地看出教改后学生接受知识量的百分率增加5百分点，通过我们在教与学的不断研究改进中逐步提高我院的教学水平，此后在教学中我们会争取做出更大的改进让工科学生学习的过程既生动又深刻！
参考文献：
[1]高西全，丁玉美.数字信号处理（第3版）[M].北京：西安电子科技大学出版社，2008.
[2]汪春梅.TMS320C55x DSP原理及应用（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2014：1-4.