信號與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的一種方案

摘 要：信號與系統(tǒng)是電子類、通信類本科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其實(shí)驗(yàn)多數(shù)高校是用硬件設(shè)備來完成，但是存在一定的問題。本文以滿足教學(xué)需要為出發(fā)點(diǎn)，以提高教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，提出了一種具有學(xué)習(xí)和科研引導(dǎo)性的仿真實(shí)驗(yàn)平臺方案。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)；仿真平臺

0 引言

在信號與系統(tǒng)課程開設(shè)初期，國內(nèi)外各院校就已經(jīng)意識到，要深刻理解這門課程，必須在理論授課的同時，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)建立直觀概念。因此，在這個時期，許多大學(xué)開發(fā)了實(shí)驗(yàn)箱。隨著算法工程化思想與技術(shù)的逐步成熟，人們越來越重視在MATLAB下進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。在九十年代，國外一些一流大學(xué)，如麻省理工大學(xué)、牛津大學(xué)、斯坦福大學(xué)等將信號與系統(tǒng)課程與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，采用計(jì)算機(jī)完成信號與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并將其稱之為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，即利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，做到了基本原理可視化和基本運(yùn)算可操作化。在2000年初期，我國向國外高校學(xué)習(xí)，并逐步引入基于MATLAB的仿真實(shí)驗(yàn)平臺。本文根據(jù)我國此課程的教學(xué)現(xiàn)狀，進(jìn)行了信號與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺研究。

1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方式以及存在的問題

目前國內(nèi)高校信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)完成情況大致可以分為四類：1.采用MATLAB軟件仿真 2.采用軟件仿真和實(shí)驗(yàn)箱結(jié)合；3.采用實(shí)驗(yàn)箱；4.沒有開設(shè)實(shí)驗(yàn)。做的比較好的就是將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與MATLAB仿真結(jié)合，針對課程設(shè)置應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行綜合性、自主設(shè)計(jì)性等實(shí)驗(yàn)。但是由于學(xué)校條件等限制，我國多數(shù)高校信號與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過自主開發(fā)硬件設(shè)備或購買實(shí)驗(yàn)箱來完成，甚至一些三本院校由于投入經(jīng)費(fèi)不足而不能完成實(shí)踐教學(xué)。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法雖然在一定程度上鍛煉了學(xué)生的動手能力，但是還存在一些缺陷：

（1）學(xué)生不了解實(shí)驗(yàn)原理的情況下，只要接線正確且實(shí)驗(yàn)儀器工作正常就能完成 實(shí)驗(yàn)，這樣就無法達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

（2）學(xué)生在教師或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書的幫助下較好的完成接線或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，但是由于對實(shí)驗(yàn)原理不夠了解，缺乏對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考和分析，無法真正掌握所學(xué)知識，實(shí)驗(yàn)過程一旦出現(xiàn)問題，無法及時排查，依賴?yán)蠋熃鉀Q，增加了老師的工作量。

（3）受硬件條件的限制，實(shí)驗(yàn)箱得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。此外，使用實(shí)驗(yàn)箱可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有限，試驗(yàn)參數(shù)也只能在一定的范圍內(nèi)選擇，不利于培養(yǎng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)是以信號與系統(tǒng)課程為出發(fā)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和科研引導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)仿真平臺，主要包括以下四個模塊。

（1）信號與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K。這一模塊以課程內(nèi)容為主，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺，不僅可以彌補(bǔ)教學(xué)和硬件設(shè)備實(shí)驗(yàn)的不足，也有助于解決實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入不足的情況下，實(shí)踐教學(xué)活動的正常開展。

（2）實(shí)際信號與理論知識的對應(yīng)分析模塊。由于信號與系統(tǒng)這門課特別抽象，學(xué)習(xí)者在長時間的枯燥課堂教學(xué)之后， 特別渴望知道：這門課用在哪里？ 如何應(yīng)用？ 信號與系統(tǒng)的物理概念究竟體現(xiàn)在哪里？顯然在驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)中不能找到答案。 如果針對生活場景中的信號、系統(tǒng)問題開展趣味擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，如單頻信號的頻譜、音叉的頻譜、人聲與樂器的頻譜、圖像信號的幅度與相位等，不僅可以滿足學(xué)習(xí)者的求知欲望，又可以激發(fā)學(xué)習(xí)者繼續(xù)研究探索的欲望。

（3）與相關(guān)專業(yè)課程的聯(lián)合建設(shè)模塊。信號與系統(tǒng)內(nèi)容涉及到兩大系統(tǒng)三大變換，是數(shù)字信號處理、自動控制原理的前導(dǎo)課，數(shù)字信號處理是對信號與系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展， 也是DSP技術(shù)與應(yīng)用的前導(dǎo)課。因此，我們以信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理這兩門系列課程的基本理論為核心，通過對信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理兩門課程內(nèi)容重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)， 并將DSP 技術(shù)與應(yīng)用課程納入其中， 以開發(fā)DSP系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)填補(bǔ)信號與系統(tǒng)仿真建模和實(shí)際應(yīng)用的空白，目的在于使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動探索， 有效培養(yǎng)學(xué)生獲取新知識、應(yīng)用新知識的能力， 從而全面提高學(xué)生的素質(zhì)。

（4）工程應(yīng)用問題模塊。信號與系統(tǒng)課程介紹的信號分析方法具有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性，傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中往往深入的不夠，一般在課程設(shè)計(jì)中完成諸如濾波器設(shè)計(jì)等任務(wù)，但即使學(xué)生設(shè)計(jì)了再復(fù)雜的濾波器，仍不知其有何與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，造成理論方法學(xué)習(xí)與應(yīng)用實(shí)踐之間的割裂，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，一門十分重要的基礎(chǔ)課往往被學(xué)生錯誤的定義為難學(xué)的、不知何用的課程。因此，本模塊從實(shí)際出發(fā)，建立語音信號檢測識別、處理與合成等工程問題。

3 系統(tǒng)在教學(xué)中的功能

在此實(shí)驗(yàn)平臺上，首先可以完成信號與系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)，其次可開展針對生活場景的信號與系統(tǒng)的趣味擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)以及語音、樂音的信號檢測、處理與合成等工程問題研究與實(shí)踐，再其次可以開展信號與系統(tǒng)在后續(xù)專業(yè)課程中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，最后還可以作為一些本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的仿真平臺。

4 結(jié)束語

此實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)方案利用最新的信息技術(shù)成果服務(wù)教學(xué)、用常見生活實(shí)例驗(yàn)證理論知識、用最前沿的科技發(fā)展作為“需求牽引”引導(dǎo)專業(yè)建設(shè)。不僅可以滿足信號與系統(tǒng)課程教學(xué)需要，而且還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題以及解決問題的能力。

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作者簡介

和亮（1977-），女，陜西西安人，西安外事學(xué)院教師，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：信號與信息處理。