信號與系統軟件實驗室的設計與實現

一、介紹

“信號與系統”是一門實用性較強、涉及面較廣的專業基礎課。但同時“信號與系統”也是一門以數學推導為核心的理論性很強的學科，它的概念比較抽象，數學計算比較繁瑣。如果沒有實踐性教學環節，只靠黑板式的單一教學方式，學生只能依靠做習題來鞏固和理解所學知識，而大量應用性較強的內容學生則不能實際動手設計、調試和分析，那么教學中的負面效應將會越來越突出。因此，實驗在課程學習中起著很重要的作用。純粹的硬件實驗常常是通過模擬儀器、搭建硬件電路來實施的，實驗的靈活性和實時性較差。硬件實驗需要的儀器儀表價格昂貴，要開多少組實驗，就要重復準備多少套裝置，且一套裝置只能做一種實驗。

為了克服純粹硬件實驗的困難，近年來，計算機軟件仿真實驗技術得到了廣泛應用，并取得了一定的研究成果。利用教學輔助軟件幫助學生完成數值計算、信號分析的可視化建模及仿真調試是對傳統教學手段的跨越性改進。具體來說，有以下幾個優點：（1）實驗成本低，且實驗器材的選擇余地大。（2）易于實現較為復雜的實驗過程。（3）實驗所需時間較少，實驗效率高。（4）不必擔心損壞實驗設備，能輕松地進行邊緣情況的實驗。（5）便于記錄和分析實驗過程和實驗結果。

而計算機仿真實驗不僅投資小，還可達到相同的甚至于更好的實驗結果。一般高校的計算機裝備水平都比較好，只要開發得心應手的軟件，便能充分利用計算機資源，達到資源共享。軟件實驗系統又具有可擴展性，隨著課程內容范圍的擴大，可隨時增加實驗內容。因此，本論文提出了一種基于MATLAB的信號與線性系統仿真實驗系統平臺的設計和實現方案。這一實驗平臺采用了將MATLAB和Visual Basic有機結合的方法，使用者能夠獲得較為真實的實驗感受，對信號處理有一個更深層次的理解。

二、信號與系統軟件實驗室

1.信號與系統軟件實驗室組成

信號與線性系統的課程實驗包括信號分析，時頻域變換、分析等等，因此本實驗系統設計了基本性實驗、設計性實驗、綜合性實驗三塊，要求學生完成主要的實驗任務，并通過本系統友好的主機界面來進行分析，輸出結果可在VB界面上以圖形顯示出來。這三塊實驗系統基本覆蓋了信號與系統課程的全部內容。實驗中每一菜單的信息框闡述了有關實驗內容的基本概念、基本性質及實驗步驟。演示框如同通用示波器，顯示了信號分析與系統設計的動態仿真過程。

2.VB與Matlab混合編程

信號與系統軟件實驗室主要采用MATLAB進行開發。但由于信號與線性系統實驗包含了很多復雜的信號處理計算和圖象，完全由MATLAB來開發具有相當的難度和龐大的工作量。因此，在實驗中采用了MATLAB與VB混合編程的方法，采用了幾種MATLAB與VB的集成技術。

（1）利用ActiveX自動化。ActiveX自動化是ActiveX的一個協議，它允許應用程序采用VB與MATLAB或組件控制另一個應用程序或組件的運行，它包括自動化服務器或控制器。MATLAB可以作為自動化服務器，可以由其它應用程序編程驅動。MATLAB支持COM技術，它提供了一個自動化對象，其外部名稱是Matlab.Application，其它程序通過COM技術提供的函數得到自動化對象支持的接口指針，通過調用接口函數便可控制和使用自動化對象了，利用這一特性用戶可以非常方便地在應用程序中調用MATLAB命令，向MATLAB輸入數據，使用MATLAB功能豐富的工具箱，完成所需要的設計，獲取數據圖形結果。

利用ActiveX進行VB和Matlab的交互通信時，所采用的Matlab語句是直接使用Matlab提供的函數和圖形庫命令。該方法編程效率高，但程序的執行必須在Matlab環境下，這樣會占用內存，使程序的執行速度受一定影響。

（2）利用DDE技術。動態數據交換（簡稱DDE）是一種開放的、與語言無關的、基于消息的協議，它是應用程序通過共享內存進行進程間通信的一種形式。DDE方式運行時必須打開Matlab的命令窗口。程序編碼簡單但占用系統資源多，效率低下，功能相對較弱。把Matlab文件編譯成VB可以執行的DLL文件，執行的效率高，但當M文件一旦編譯成功之后，其功能就不能變化，所編程序的數據交換能力弱。

（3）采用動態鏈接庫DLL方法。Matcom是一個從MATLAB到C++的編譯器，它可以節省用戶的運算時間和內存要求。

（4）利用文件實現VB與MATLAB的數據交換。利用VB和MATLAB的混合編程，主要是想利用VB方便、簡潔的功能來設計美觀的應用程序界面和MATLAB強大的計算、圖形表達能力來完成所需的系統功能設計。

本文利用ActiveX技術和文件傳遞數據來實現了VB與MATLAB之間的動態數據交換。

在VB應用程序中創建了Matlab的ActiveX對象后，就可以使用這個對象所包含的各種方法來實現對Matlab的調用。

3.設計步驟

軟件開發的主要工作是根據信號與線性系統課程的特點，為用戶設計一個美觀、簡潔、明了的操作界面，使教師和學生不需要VB和MATLAB知識就能掌握和應用，操作盡量簡單。為了實現這一目標，軟件接口界面按照如下方式設計：

（1）菜單界面：根據信號與線性系統課程的內容特點，在主菜單頁上排列四項該軟件的主要功能，每項功能的子窗口頁上有該項功能所包含的主要內容，其功能和操作方式一目了然。各操作窗口頁面的切換按照Windows程序操作規范設計，操作簡單。使用者只需要掌握應用軟件操作方法，就能使用本軟件。

（2）數據選擇：數據選擇采用統一格式的數據輸入對話框。操作者只需要掌握了課程有關章節的內容，選擇所需要的數據，就能完成分析任務。

（3）結果輸出：計算結果輸出盡量采用直觀的圖形顯示方式。結果大多保存在單獨的圖形窗口中，用戶可以根據需要保留多次的計算結果，以便進行分析比較。

三、信號與系統軟件實驗室實現

當用戶在主機上進行實驗操作時，主機進入相應的實驗模塊進行計算，計算結果隨即被存入已設定好的內存空間，并將數據進行相應處理，得出的圖象通過VB的調用顯示到VB界面上，學生就可以看到最終的實驗結果波形。名稱是Matlab.Application，其它程序通過COM技術提供的函數得到自動化對象支持的接口指針，通過調用接口函數便可控制和使用自動化對象了，利用這一特性用戶可以非常方便地在應用程序中調用MATLAB命令，向MATLAB輸入數據，使用MATLAB功能豐富的工具箱，完成所需要的設計，獲取數據圖形結果。

（1）基本性實驗。①信號及其運算的軟件實現：連續信號的實現、離散信號的實現、信號運算的實現等。②時域分析的軟件實現：連續時間系統的零狀態響應、連續時間系統的沖激響應和階躍響應、離散時間系統的零狀態響應、離散時間系統的沖激響應和階躍響應、卷積的計算等。③頻域分析的軟件實現：、周期信號的頻域分析、非周期信號的頻域分析、系統的頻率特性分析、連續時間系統的s域分析、離散時間系統的z域分析等。（2）設計性實驗：虛擬實驗室的關鍵所在，在基本性實驗的基礎上添加了人機交互界面。（3）綜合性實驗：信號的采樣與、濾波器的設計、隨機信號功率譜分析。

四、結論

信號與系統軟件實驗室系統集成以往該類實驗中的硬件儀器功能，節約了實驗經費，其開放式平臺特點，又培養了學生自主學習和創新開發能力。該實驗系統已應用于我校的實驗教學，取得了良好的教學效果。

（作者單位：東北電力大學信息工程學院）