“信號與系統”Matlab實驗仿真教學系統設計

摘 要:針對“信號與系統”課程硬件實驗教學不夠深入和靈活的缺點，在分析理論教學和工程實際需求的基礎上，利用Matlab和Simulink，建立了“信號與系統”實驗仿真教學系統，并從系統設計、內容設計、界面設計、開發工具、二次開發等五個方面對該系統進行了闡述。實驗教學表明，該系統可以克服硬件實驗系統的局限性，加深和拓寬了實驗內容和實驗層次，增強了實驗的靈活性，有利于培養學生的實驗動手能力和創新能力。關鍵詞:信號與系統; Matlab; 實驗仿真教學; Simulink

中圖分類號:TN911.7-34; G642.4文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0057-03

Design of Mtalab Experimental Simulation Teaching System in Signals and Systems

ZHANG You-sai， MA Guo-jun， HUANG Wei-jia， ZHOU Wen-lan

(School of Electronics and Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China)

Abstract: Aiming at the disadvantages of hardware experimental teaching in Signals and Systems， the experimental simulation teaching system of Signals and Systems based on Matlab and Simulink is established by emphasizing experimental teaching requirements of theoretical teaching and actual engineering. Thus， the system design， content design， interface design， development tools and repeatedly development are studied respectively. The effects of experimental teaching show that it overcomes the limitation of hardware experiment， expands experimental contents and level， improves students hands-on ability and comprehensive quality.Keywords: signals and systems; Matlab; experimental simulation teaching; Simulink

0 引 言

信號與系統的基本概念、基本理論與分析方法在不同學科、專業之間有著廣泛應用和交叉滲透[1]。“信號與系統”課程[2-3]作為電氣信息類專業的學科基礎課程[4]，在專業教育中有著非常重要的地位。由于該課程自身的特點[5-6]，決定了其是一門數學方法、專業理論、分析方法和工程應用密切相結合的課程，不僅要求學生能靈活地應用多種數學方法解決專業理論問題，而且還強調工程上的應用與實踐，因此對理論教學和實驗[7]都提出了很高的要求。

目前，信號與系統課程實驗的實驗方法和手段大都還局限在硬件實驗上，實驗內容、實驗方法和手段上均不夠深入和靈活，難以滿足對理論教學上的支持和工程實踐上的要求。為了使學生能更好地理解信號與系統的基本概念、基本理論與分析方法及其應用，克服硬件實驗的限制以及實驗條件投入的不足，有必要對“信號與系統”實驗教學進行改革研究，建立軟件仿真實驗系統，拓展實驗教學的內容和靈活性，使學生有能力進行軟件仿真實驗，突出學生實踐能力和創新能力的培養。

1 系統開發工具簡介

Matlab是美國MathWorks公司推出的優秀的科技應用軟件。Matlab功能強大，可以進行數值計算和符號計算，編程界面友好，語言自然，開放性強，而且有眾多的工具箱可以使用。將Matlab軟件用于工程應用和解決實際問題[8]，可以不必關心復雜的理論，具有編程快捷方便的特點。

Simulink是Matlab軟件的擴展，是對系統進行建模、模擬和分析的軟件。Simulink以模塊為單元，通過模塊之間的連接和屬性的設置，進行系統模擬和仿真分析[9]。它的模塊庫包括連續模塊、離散模塊、信號和系統模塊、數學模塊以及信號源模塊等。而且模型具有層次性，可以通過底層的子模塊構建復雜的上層模塊。

該實驗系統開發工具采用Matlab和Simulink完成仿真系統的設計與開發。

2 仿真系統設計

2.1 系統設計思路

在系統設計方面采用自上而下的設計方法，對實驗內容進行分類，層層推進。該系統采用模塊的方式，將實驗內容分為3大類、14個子類，圍繞基礎型、綜合提高型和研究創新型3個層次，設計實驗內容。每個模塊均有開發擴展接口，便于二次開發。同時，充分考慮了教師的教學規律和學生的認知規律，具有引導性和啟發性，而且實驗內容與理論課程教學內容同步，便于學生理解。

該實驗系統采用靈活的軟件實驗來代替硬件實驗的方式，彌補了硬件實驗的不足之處。在實驗仿真系統中給出了大量的圖形，并輔以文字說明，做到圖文并茂，使得理論課程的教學內容在實驗中進行時變得直觀、清晰，易于理解。

2.2 實驗內容設計

在實驗內容方面，從基礎型實驗、提高型實驗和創新研究型實驗三個層次，結合工程應用進行設計。注重學生能力的培養和素質的提高。實驗內容涵蓋實驗課程的全部內容，包括連續系統的時域、頻域、復頻域分析和離散系統的時域、Z域分析以及綜合實驗部分即系統分析與仿真。實驗系統不僅介紹理論內容的實驗仿真，而且真正做到理論聯系實際，部分實驗內容(如通信系統仿真、信號頻譜搬移等)與現實生活緊密結合，貼近生活，具有豐富的時代氣息，從而使學生學會用信號與系統的觀點和方法來解決實際問題，真正做到學以致用，從各方面培養學生的創新能力和實踐能力。

實驗內容詳細設計說明如下:

(1) 連續系統的時域分析包括信號的時域運算和二階系統時域分析(見圖1)。該部分屬于基礎性實驗內容，可以通過選擇不同類型的信號進行時域運算。在系統時域分析方面，以二階系統為例，要求掌握系統響應的時域求解方法。

圖1 連續系統的時域分析舉例

(2) 頻域分析包括常用信號的傅里葉變換以及傅里葉變換的性質，作為頻域分析的重要應用，抽樣與恢復部分包括信號的抽樣與重構。該部分實驗屬于綜合提高型，是通信系統仿真的基礎。

(3) 信號分析以方波的合成與分解為例，重點討論信號的合成、分解方法，一步一步完成，每一步都有具體的圖形與信號合成(分解)的效果，步驟清晰，便于學習。信號分析中的雙邊帶信號頻譜，以通信系統為例，介紹頻譜搬移的過程，同時聯系生活實際。該實驗與工程應用緊密結合，討論信號頻譜的搬移過程和方法，只需鼠標點擊和拖曳即可完成實驗，操作簡單，圖形直觀，形象生動。

(4) 復頻域分析包括系統的零極點分析、穩定性分析以及系統響應。該部分屬于提高型實驗，從S域分析系統，并與工程應用中實際系統的穩定性相結合;

(5) 離散系統時域部分包括離散信號的時域運算如信號的加、減、乘。

(6) 離散系統的時域分析包括差分方程的求解，并重點討論序列卷積的計算及說明，如圖2(a)所示;

(7) 離散系統Z域分析包括零極點求解、頻率特性、序列的響應和穩定性分析等，如圖2(b)所示;

圖2 離散系統分析舉例

(8) 信號與系統的綜合分析包括系統分析和系統仿真，采用Matlab軟件的Simulink仿真完成，以系統框圖的形式完成實驗，功能強大，操作方便。時域分析部分內容包括一階、二階系統的時域特性仿真分析(見圖3);頻域仿真分析屬于研究創新型實驗，采用系統仿真的方式，以頻譜搬移過程的系統仿真為例進行，但對復雜的通信系統進行仿真，可以查看各個框圖、部件的時域波形、頻域的頻率特性，對信號與系統的實際應用有充分的了解和認識。具體實驗內容及安排見表1。

圖3 系統仿真舉例

2.3 系統界面設計

實驗仿真教學系統界面設計中，避免繁瑣，崇尚簡潔，親切自然，因而界面直觀、清晰，導航方便，具有良好的人機交互頁面，能夠非常容易的找到需要的實驗內容;同時色彩搭配柔和，給人樸實、安靜而又進取的感覺，有利于集中精力進行教學和學習。實驗內容部分頁面和系統分析與仿真頁面如圖4所示。

表1 實驗仿真教學系統內容設計及分類安排

分類實驗項目實 驗 一實 驗 二說 明實驗類型

連續系統時域運算兩個信號的運算-加、減、乘信號自身的運算-平移、反轉、尺度變換、微分、積分可以任意選擇信號類型基礎型

時域分析系統階躍響應、沖激響應系統的全響應分析二階系統基礎型

頻域分析典型信號的傅里葉變換傅里葉變換的性質可以選擇常用信號提高型

復頻域分析系統的零極點圖穩定性分析及響應極點分布與穩定性關系提高型

抽樣與恢復正弦信號的抽樣正弦信號的重構采樣定理提高型

方波合成周期方波的合成周期方波分解分解的項數對精度的影響提高型

信號頻譜雙邊帶信號頻譜濾波器信號的頻率、幅度對頻譜的影響研究創新型

離散系統信號運算序列的加、減、乘序列移位離散運算基礎型

時域分析差分方程時域解序列的卷積和離散時域解基礎型

Z域分析系統零極點分布圖、頻率響應、穩定性單位序列響應、階躍響應系統分析提高型

系統分析系統分析與仿真

一階系統時域特性仿真二階系統仿真分析

頻譜搬移過程仿真通信系統仿真可以隨時查看時域波形和頻率特性研究創新型研究創新型

圖4 部分導航頁面

3 系統特點

“信號與系統”實驗仿真教學系統內容全面，包含“信號與系統”課程實驗的全部主要內容和知識點，教師與學生可以用軟件來完成實驗內容的教學和學習，有助于學生加強對課程基本概念和重點、難點的理解和掌握，而且不受時間和空間的限制，便于實驗教學工作的開展。

該系統具有二次開發功能。該系統在使用中可以結合實際情況，給教師和學生提供程序源代碼，教師和學生可以進一步補充和完善實驗內容，也可以添加新的實驗內容由學生來完成。因而，學生具有更多的發揮空間，更有利于發揮主觀能動性。

4 結 語

“信號與系統”實驗仿真教學系統，內容全面、翔實，是集計算機技術和現代教育技術手段于一體的多媒體實驗教學系統，便于教師進行課堂實驗教學和學生軟件實驗的學習。

通過近三年的實驗教學使用，采用該實驗仿真系統，避免了硬件實驗過程中的不確定性因素的影響，實驗靈活方便，有利于拓展學生的思維能力和想象空間，為信號與系統課程的實驗教學工作提供有力保障。

參考文獻

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