信號與系統仿真實驗平臺設計的一種方案

摘 要：信號與系統是電子類、通信類本科專業的一門重要專業基礎課，其實驗多數高校是用硬件設備來完成，但是存在一定的問題。本文以滿足教學需要為出發點，以提高教學質量為目標，提出了一種具有學習和科研引導性的仿真實驗平臺方案。

關鍵詞：信號與系統；實驗；仿真平臺

0 引言

在信號與系統課程開設初期，國內外各院校就已經意識到，要深刻理解這門課程，必須在理論授課的同時，讓學生通過實驗建立直觀概念。因此，在這個時期，許多大學開發了實驗箱。隨著算法工程化思想與技術的逐步成熟，人們越來越重視在MATLAB下進行的仿真實驗。在九十年代，國外一些一流大學，如麻省理工大學、牛津大學、斯坦福大學等將信號與系統課程與計算機緊密結合，采用計算機完成信號與系統課程實驗教學，并將其稱之為計算機實驗，即利用MATLAB軟件進行仿真，做到了基本原理可視化和基本運算可操作化。在2000年初期，我國向國外高校學習，并逐步引入基于MATLAB的仿真實驗平臺。本文根據我國此課程的教學現狀，進行了信號與系統仿真實驗平臺研究。

1 現有實驗方式以及存在的問題

目前國內高校信號與系統實驗完成情況大致可以分為四類：1.采用MATLAB軟件仿真 2.采用軟件仿真和實驗箱結合；3.采用實驗箱；4.沒有開設實驗。做的比較好的就是將傳統實驗與MATLAB仿真結合，針對課程設置應用實例進行綜合性、自主設計性等實驗。但是由于學校條件等限制，我國多數高校信號與系統課程實驗教學通過自主開發硬件設備或購買實驗箱來完成，甚至一些三本院校由于投入經費不足而不能完成實踐教學。

傳統實驗方法雖然在一定程度上鍛煉了學生的動手能力，但是還存在一些缺陷：

（1）學生不了解實驗原理的情況下，只要接線正確且實驗儀器工作正常就能完成 實驗，這樣就無法達到預期實驗教學的目的。

（2）學生在教師或實驗指導書的幫助下較好的完成接線或者實驗數據記錄，但是由于對實驗原理不夠了解，缺乏對實驗結果的思考和分析，無法真正掌握所學知識，實驗過程一旦出現問題，無法及時排查，依賴老師解決，增加了老師的工作量。

（3）受硬件條件的限制，實驗箱得到的實驗結果不理想。此外，使用實驗箱可進行的實驗有限，試驗參數也只能在一定的范圍內選擇，不利于培養學生的積極性和創造性。

2 系統方案

本系統是以信號與系統課程為出發點的學習和科研引導性的實驗仿真平臺，主要包括以下四個模塊。

（1）信號與系統課程實驗模塊。這一模塊以課程內容為主，建立相應的實驗仿真平臺，不僅可以彌補教學和硬件設備實驗的不足，也有助于解決實踐教學經費投入不足的情況下，實踐教學活動的正常開展。

（2）實際信號與理論知識的對應分析模塊。由于信號與系統這門課特別抽象，學習者在長時間的枯燥課堂教學之后， 特別渴望知道：這門課用在哪里？ 如何應用？ 信號與系統的物理概念究竟體現在哪里？顯然在驗證性的實驗中不能找到答案。 如果針對生活場景中的信號、系統問題開展趣味擴展實驗，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，不僅可以滿足學習者的求知欲望，又可以激發學習者繼續研究探索的欲望。

（3）與相關專業課程的聯合建設模塊。信號與系統內容涉及到兩大系統三大變換，是數字信號處理、自動控制原理的前導課，數字信號處理是對信號與系統教學內容的擴展， 也是DSP技術與應用的前導課。因此，我們以信號與系統、數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、數字信號處理兩門課程內容重新規劃、設計， 并將DSP 技術與應用課程納入其中， 以開發DSP系統的實踐教學填補信號與系統仿真建模和實際應用的空白，目的在于使學生從被動學習轉為主動探索， 有效培養學生獲取新知識、應用新知識的能力， 從而全面提高學生的素質。

（4）工程應用問題模塊。信號與系統課程介紹的信號分析方法具有很強的實踐應用性，傳統的實踐環節中往往深入的不夠，一般在課程設計中完成諸如濾波器設計等任務，但即使學生設計了再復雜的濾波器，仍不知其有何與實際應用的關聯，造成理論方法學習與應用實踐之間的割裂，難以激發學生學習興趣，一門十分重要的基礎課往往被學生錯誤的定義為難學的、不知何用的課程。因此，本模塊從實際出發，建立語音信號檢測識別、處理與合成等工程問題。

3 系統在教學中的功能

在此實驗平臺上，首先可以完成信號與系統課程實踐教學，其次可開展針對生活場景的信號與系統的趣味擴展實驗以及語音、樂音的信號檢測、處理與合成等工程問題研究與實踐，再其次可以開展信號與系統在后續專業課程中的應用實驗，最后還可以作為一些本科畢業設計的仿真平臺。

4 結束語

此實驗平臺設計方案利用最新的信息技術成果服務教學、用常見生活實例驗證理論知識、用最前沿的科技發展作為“需求牽引”引導專業建設。不僅可以滿足信號與系統課程教學需要，而且還可以激發學生學習興趣，培養學生提出問題、分析問題以及解決問題的能力。

參考文獻

[1] 高強，戚銀城等， 信號與系統基礎教程（MATLAB版）[M]。北京：電子工業出版社， 2007， 4。

[2] 黃元福，林寧等， 信號與系統（第二版）[M]。北京：電子工業出版社， 2006。

[3] 胡永生，譚業武，楊玲玲， 基于MATLAB的“信號與系統”虛擬實驗系統的研究[J]。山西電子技術，2012.4。

作者簡介

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