2018基于matlab的数字信号处理软件平台在地球物理学科教学中的尝试与

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基于matlab的数字信号处理软件平台在地球物理学科教学中的尝试与探索
一、引言
　　《数字信号处理》课程的特点是概念多，公式、性质的推导和证明繁琐，是电子、通信、计算机等专业的重要专业基础课。在这类基础课程的学习过程中，学生通常以《信号与系统》等相关课程为基础。但是地球物理学科的学生不能够像电子、通信学科的学生那样系统地学习与《数字信号处理》相关的基础课程，那么就需要教师在授课时进行一些必要的补充，由于课时影响以及学生基础的限制，给授课教师带来了不小的挑战。
　　数字信号处理技术为推动物探技术的发展起了不小的作用，数字信号处理课程的教学也在地球物理专业受到了相当的重视。笔者作为数字信号处理课程的主讲教师，结合地球物理专业的特点，对该门课程的实验教学进行了探索，并提出了建设硬件平台来强化学生学习和理解数字信号处理中的采样等基础概念。另外，教材中涉及的很多概念，如频谱分析和滤波器的设计和实现，也是构成物探信号处理技术的基础，因此，在本校地物学科的教学过程中，我们尝试基于matlab的教学软件，鼓励学生通过程序来实现数字信号处理概念，如：实现典型序列，实现快速傅里叶变换（FFT），滤波器的性能比较，以及结合本专业的地震正演应用，目的是使学生通过亲自动手，进一步了解数字信号处理中相关的抽象概念，化抽象为具体，使学生不仅了解相关的概念知识，而且进一步深化课程与地球物理专业之间的联系，实现地球物理学科讲授数字信号处理的目的。
　　二、教学软件的基本框架
　　本软件一共分为六个部分（如图1），分别为：典型序列，FFT应用，地震正演应用，滤波器性能，相位差监测以及听音辩数。当然这六个部分是整个软件的框架，具体功能的实现需要学生通过matlab的GUI来进一步的实现。运行到主页面时，通过鼠标点击相关的实验部分，完成相关功能，每个部分需要完成的功能如下：
　　其中，典型序列的表示及特征分析模块包括图形显示区域组合菜单栏、应用按钮、退出按钮，组合菜单栏包括单位取样选项、单位阶跃选项、矩形序列选项等。FFT应用模块包括题目要求、过渡点个数选择按钮和画图按钮、过渡点取值滑动栏和复位按钮、滤波效果画图按钮、补零影响画图按钮、退出按钮。地震正演应用模块包括图形显示区域、检波器个数输入栏、采样间隔输入栏、V0速度输入栏、V1速度输入栏、V2速度输入栏、V3速度输入栏、运行按钮、退出按钮。滤波器性能模块包括图形显示窗口、FIR滤波器设计说明下拉菜单、IIR滤波器设计说明下拉菜单、退出按钮。其中，FIR滤波器设计说明下拉菜单包括频率采样法、窗口法、最大最小逼近法等子菜单。IIR滤波器设计说明下拉菜单包括脉冲响应不变法、双线性变化法等子菜单。相位差检测模块包括图形显示区域、仿真信号真实信号按钮、强信号真实信号按钮、弱信号真实信号按钮、退出按钮。听音辨数模块包括图形显示区域、听音变数组合菜单栏。听音变数组合菜单栏包括打开按钮、分析按钮、辨别按钮、辨别结果显示栏、运行状态显示栏、退出按钮。
　　三、软件的使用及功能
　　此软件是本校地物学生数字信号处理上级内容的重要组成部分，上机实验之前，每一学生得到一份最基本的软件框架，学生以个人的形式完成其所需的各种功能，在上机过程中，学生可能除了相关的matlab知识之外，还需要一些matlab GUI的相关知识，我们通过实习指导书的附录补充以及学生课外的自主学习，来完成相关知识的传授，如怎样进入GUI界面，如何页面进行设计，以及如何将所需按钮和相应程序进行链接。教学过程中，我们要求学生演示自己所编写的程序以达到上机要求。所有实验中，前四个实验是基本的教学实验，后面两个实验是学生兴趣实验，深化学生对教学内容的理解。下面主要介绍前四个实验。
　　（一）典型序列的表示及特征分析
　　当鼠标在主页面选中典型序列选项，关闭主页面，形成一个新的名为典型序列的页面（图2），在此页面中，建立一个单选按钮组（button group），分别代表单位取样，单位阶跃，矩形序列，单边指数，正弦序列。选择序列后点击应用，则出现相应的序列形态。如图：
　　（二）FFT应用
　　所要实现的相关功能有：①依据题目在选择过渡点数的同时，求得相应的传递函数，画出相应的频率响应曲线，改变过渡点取值，得到最佳值的经验数据。②在过渡点数为1的基础上，对于不同函数的频谱进行滤波效果的比较。③用图示说明，对于序列做不同点数的FFT，幅度谱会出现什么样的变化，后端补零对于离散傅里叶变换的影响。
　　（三）地震正演应用
　　假设有一个三层界面的地质模型，输入检波器个数，采样间隔，以及相关的地质参数，如层速度利用matlab中的褶积公式，来最终形成一个地震正演波形图（图4），其中假设的采样点数为2048。
　　（四）滤波器性能比较
　　此部分需要完成通过IIR和FIR进行滤波器设计的比较（图5），其中，IIR方法包括脉冲响应不变法和双线性变换法，FIR中包括频率采样法、窗口法和最大最小比较法。图形的显示应该包括原信号、加入噪声后的频谱、滤波器的频谱、滤波后的信号和滤除的干扰波的频谱等。
　　四、结论
　　本软件贯穿整个数字信号处理的教学，学生在学习的过程中，逐步完成软件所需功能的各种实现。不仅使课堂效果更加的生动，也能通过在动手编程的过程中，使学生对于相关概念有更深一步的认识。学生先从最简单的序列的实现入手，通过序列的实现了解各种序列的特性。在FFT教学的过程中，通过事先编好的程序让学生理解FFT的滤波作用，以及不同点数，不同过滤点数对于FFT的影响。通过地震正演，学生可以比较直观地感受到正演图形的形成。滤波器性能分析和比较可以辅助学生理解滤波器不同设计方法的特点以及设计实现的步骤。之后的各种功能都是在之前的基础上对于学生能力的一种拓展，让学生体会到数字信号处理无论对于科学研究还是日常生活都有着重要的作用，并掌握其基本的原理。