基于Matlab的信號與系統實驗平臺設計

全星慧+周圍+韓建+呂秀麗

摘 要： 信號與系統課程實驗內容繁雜，為了克服傳統硬件實驗系統的局限性，利用Matlab軟件提供的圖形用戶界面（GUI）設計了信號與系統仿真實驗平臺。該實驗平臺由一個主界面和若干子界面構成，包括信號卷積、傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、系統的頻率響應等實驗項目。每個實驗界面都可以由用戶設定和修改仿真參數，實時顯示仿真結果。該平臺將抽象的理論教學轉化為生動的仿真實驗，從而提高學生學習興趣，加深對教學內容的理解。

關鍵詞： 信號與系統； Matlab； 圖形用戶界面； 實驗平臺

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0088?03

Design of MATLAB?based experiment platform for signal and system

QUAN Xing?hui， ZHOU Wei， HAN Jian， [LU] Xiu?li

（Electronic Science College， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China）

Abstract： “Signal and System” course experiment content is multifarious. In order to overcome the limitations of the traditional hardware experimental system， a simulation experiment platform of “Signal and System” course was designed based on graphical user interface （GUI） in Matlab. The experiment platform consists of a main interface and several sub interfaces， including signal convolution， Fourier transform， Laplace transform， z?transform， frequency response of the system， etc. The simulation parameters of each experiment interface can be set and modify by users， and the simulation results can be displayed in real time. The platform translates the abstract theory teaching into vivid simulation experiment. Therefore， students' learning interest was evoked， and their understanding for the teaching content was deepened.

Keywords： “Signal and System”； Matlab； graphical user interface； experiment platform

0 引 言

信號與系統課程是電子信息類專業重要的專業基礎課[1?2]。但由于課程內容理論性強，概念抽象，公式繁多，長期以來使得教、學處于兩難境地。因此需要通過動手實驗來加深理解各種數學運算在信號處理中的實際應用。然而，傳統的硬件實驗系統存在著實驗設備短缺、實驗項目選擇受限、實驗設備老化等弊端，為此，利用Matlab強大的數值計算、符號計算、繪圖顯示及圖形用戶界面等功能，設計了信號與系統仿真實驗GUI平臺，增加計算機輔助實驗教學手段是對信號與系統課程教學方法的有力補充，同時，GUI實驗平臺簡單的程序和可視化結果有助于學生對抽象概念及理論知識的理解。

1 Matlab及GUI簡介

Matlab是MATrix LABoratory（矩陣實驗室）的簡稱。Matlab是由美國The MathWorks公司出品的商業數學軟件，是用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境[3]。Matlab可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域，與Mathematica、Maple并稱為3大數學軟件。

Matlab具有強大的圖形用戶界面（Graphical User Interface ，GUI）[4]生成功能。采用Matlab的 GUI 設計仿真實驗界面，過程簡單，操作方便。GUI 設計有2種方式：一種是利用基本Matlab程序設計；另一種是利用GUIDE工具設計。GUIDE是一個專用于GUI程序設計的快速開發環境，使用者可以在該設計環境內方便地得到各種GUI控件，并可隨意改變它們的外形、大小、顏色等屬性，從而設計出符合要求的圖形用戶界面。

利用Matlab 及GUI設計開發的信號與系統仿真實驗平臺[5?7]，將信號與系統課程中較難掌握和理解的理論和概念形象地展示，從而達到使學生對所學知識理解更加透徹的目的。

2 信號與系統實驗平臺設計

2.1 系統平臺的整體框圖

本實驗系統整體結構框圖如圖1所示。包括2大模塊：連續時間信號與系統、離散時間信號與系統。下設基本信號時域性質、卷積、傅里葉變換、連續時間系統的頻率響應、拉普拉斯變換、離散時間信號卷積、離散時間系統的頻率響應、離散傅里葉變換性質、基本離散信號Z變換、Z變換基本性質等實驗模塊。每一個實驗模塊又有下一級實驗界面，如傅里葉變換模塊下面還有周期矩形脈沖信號的頻譜、時移特性、頻移特性和抽樣定理等實驗內容。

圖1 系統框圖

2.2 系統平臺的設計步驟

設計的具體步驟如下：

（1） 運用 Matlab的圖形用戶界面（GUI）設計方法，設計整個實驗系統的開始引導主界面以及實現信號與系統課程中具體實驗的各個子界面；

（2） 分別編寫各子界面控件對象的回調函數，實現控件相應控制功能，達到直接通過界面上各個控件就可以控制數據的輸入輸出，并可以方便地對實驗結果的數據及其圖形進行顯示和分析；

（3） 編寫主界面的回調函數，將各實驗子界面整合在信號與系統仿真實驗平臺主界面中，即通過主界面就可以進入任何一個實驗子界面進行實驗。

2.3 系統平臺的界面設計

信號與系統仿真實驗平臺主界面如圖2所示。該實驗平臺主要分為連續時間信號與系統和離散時間信號與系統兩大模塊。

圖2 主界面

連續時間信號與系統和離散時間信號與系統兩大模塊界面分別如圖3和圖4所示。

圖3 連續時間信號與系統界面

圖4 離散時間信號與系統界面

2.4 實驗示例

以傅里葉變換模塊為例介紹相關實驗內容。本實驗的目的是使學生理解信號的傅里葉變換頻譜與時域信號的對應關系，掌握并靈活運用傅里葉變換的時移、頻移、抽樣定理等性質。實驗包括周期矩形脈沖的頻譜、時移特性、頻移特性和抽樣定理等。

周期矩形脈沖的頻譜分析界面如圖5所示，圖中周期矩形脈沖信號的幅度為2，脈沖的寬度為1.7，脈沖的周期為10，其頻譜為離散的抽樣信號。在界面通過滑動條可以調節脈沖的高度、寬度及周期等參數。

傅里葉變換的時移特性如圖6所示，由圖可見，矩形脈沖時域平移，其傅里葉變換幅度譜不發生改變。通過滑動條可以調節時移參數。

圖5 周期矩形脈沖的頻譜界面

圖6 傅里葉變換的時移特性界面

傅里葉變換的頻移特性如圖7所示，信號的頻譜向左和向右平移后的疊加，對應原信號時域乘以一個余弦信號，即信號的雙邊帶調制。通過滑動條可以調節頻移參數。

圖7 傅里葉變換的頻移特性界面

傅里葉變換的抽樣定理如圖8所示，當抽樣周期滿足奈奎斯特抽樣間隔，則采樣信號的頻譜剛好不發生混疊。通過滑動條可以調節抽樣周期。

圖8 傅里葉變換的抽樣定理界面

3 結 語

運用Matlab設計了信號與系統仿真實驗GUI平臺。該實驗平臺人機交互界面友好，操作方便，形象直觀。實驗過程中，只需輸入或調節仿真實驗參數，就可在圖形框中獲得仿真結果，從而便于對實驗結果的分析。在理論教學中合理地運用仿真實驗，既有助于教師對課程難點內容的講解，同時也有助于提高學生學習興趣和學習效率。

參考文獻

[1] 鄭君里，應啟衍，楊為理.信號與系統[M].2版.北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吳大正.信號與線性系統分析[M].4版.北京：高等教育出版社， 2005.

[3] 毛濤濤，王正林，王玲.精通Matlab GUI設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] 李顯宏.Matlab 7.x界面設計與編程技巧[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 王潔麗，賈素梅，薛芳.Matlab軟件在信號與系統輔助教學中的應用[J].現代電子技術，2007，30（6）：123?125.

[6] 林霖，楊豐，張志德.基于Matlab的“信號與系統”課程演示軟件的應用[J].電氣電子教學學報，2009，31（5）：98?100.

[7] 張尤賽，馬國軍，黃煒嘉，等.信號與系統Matlab實驗仿真教學系統設計[J].現代電子技術，2010，33（18）：57?59.

[8] 鄔少飛.基于Matlab的信號與系統教學研究[J].電腦與電信，2013（11）：70?71，73.

圖1 系統框圖

2.2 系統平臺的設計步驟

設計的具體步驟如下：

（1） 運用 Matlab的圖形用戶界面（GUI）設計方法，設計整個實驗系統的開始引導主界面以及實現信號與系統課程中具體實驗的各個子界面；

（2） 分別編寫各子界面控件對象的回調函數，實現控件相應控制功能，達到直接通過界面上各個控件就可以控制數據的輸入輸出，并可以方便地對實驗結果的數據及其圖形進行顯示和分析；

（3） 編寫主界面的回調函數，將各實驗子界面整合在信號與系統仿真實驗平臺主界面中，即通過主界面就可以進入任何一個實驗子界面進行實驗。

2.3 系統平臺的界面設計

信號與系統仿真實驗平臺主界面如圖2所示。該實驗平臺主要分為連續時間信號與系統和離散時間信號與系統兩大模塊。

圖2 主界面

連續時間信號與系統和離散時間信號與系統兩大模塊界面分別如圖3和圖4所示。

圖3 連續時間信號與系統界面

圖4 離散時間信號與系統界面

2.4 實驗示例

以傅里葉變換模塊為例介紹相關實驗內容。本實驗的目的是使學生理解信號的傅里葉變換頻譜與時域信號的對應關系，掌握并靈活運用傅里葉變換的時移、頻移、抽樣定理等性質。實驗包括周期矩形脈沖的頻譜、時移特性、頻移特性和抽樣定理等。

周期矩形脈沖的頻譜分析界面如圖5所示，圖中周期矩形脈沖信號的幅度為2，脈沖的寬度為1.7，脈沖的周期為10，其頻譜為離散的抽樣信號。在界面通過滑動條可以調節脈沖的高度、寬度及周期等參數。

傅里葉變換的時移特性如圖6所示，由圖可見，矩形脈沖時域平移，其傅里葉變換幅度譜不發生改變。通過滑動條可以調節時移參數。

圖5 周期矩形脈沖的頻譜界面

圖6 傅里葉變換的時移特性界面

傅里葉變換的頻移特性如圖7所示，信號的頻譜向左和向右平移后的疊加，對應原信號時域乘以一個余弦信號，即信號的雙邊帶調制。通過滑動條可以調節頻移參數。

圖7 傅里葉變換的頻移特性界面

傅里葉變換的抽樣定理如圖8所示，當抽樣周期滿足奈奎斯特抽樣間隔，則采樣信號的頻譜剛好不發生混疊。通過滑動條可以調節抽樣周期。

圖8 傅里葉變換的抽樣定理界面

3 結 語

運用Matlab設計了信號與系統仿真實驗GUI平臺。該實驗平臺人機交互界面友好，操作方便，形象直觀。實驗過程中，只需輸入或調節仿真實驗參數，就可在圖形框中獲得仿真結果，從而便于對實驗結果的分析。在理論教學中合理地運用仿真實驗，既有助于教師對課程難點內容的講解，同時也有助于提高學生學習興趣和學習效率。

參考文獻

[1] 鄭君里，應啟衍，楊為理.信號與系統[M].2版.北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吳大正.信號與線性系統分析[M].4版.北京：高等教育出版社， 2005.

[3] 毛濤濤，王正林，王玲.精通Matlab GUI設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] 李顯宏.Matlab 7.x界面設計與編程技巧[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 王潔麗，賈素梅，薛芳.Matlab軟件在信號與系統輔助教學中的應用[J].現代電子技術，2007，30（6）：123?125.

[6] 林霖，楊豐，張志德.基于Matlab的“信號與系統”課程演示軟件的應用[J].電氣電子教學學報，2009，31（5）：98?100.

[7] 張尤賽，馬國軍，黃煒嘉，等.信號與系統Matlab實驗仿真教學系統設計[J].現代電子技術，2010，33（18）：57?59.

[8] 鄔少飛.基于Matlab的信號與系統教學研究[J].電腦與電信，2013（11）：70?71，73.

圖1 系統框圖

2.2 系統平臺的設計步驟

設計的具體步驟如下：

（1） 運用 Matlab的圖形用戶界面（GUI）設計方法，設計整個實驗系統的開始引導主界面以及實現信號與系統課程中具體實驗的各個子界面；

（2） 分別編寫各子界面控件對象的回調函數，實現控件相應控制功能，達到直接通過界面上各個控件就可以控制數據的輸入輸出，并可以方便地對實驗結果的數據及其圖形進行顯示和分析；

（3） 編寫主界面的回調函數，將各實驗子界面整合在信號與系統仿真實驗平臺主界面中，即通過主界面就可以進入任何一個實驗子界面進行實驗。

2.3 系統平臺的界面設計

信號與系統仿真實驗平臺主界面如圖2所示。該實驗平臺主要分為連續時間信號與系統和離散時間信號與系統兩大模塊。

圖2 主界面

連續時間信號與系統和離散時間信號與系統兩大模塊界面分別如圖3和圖4所示。

圖3 連續時間信號與系統界面

圖4 離散時間信號與系統界面

2.4 實驗示例

以傅里葉變換模塊為例介紹相關實驗內容。本實驗的目的是使學生理解信號的傅里葉變換頻譜與時域信號的對應關系，掌握并靈活運用傅里葉變換的時移、頻移、抽樣定理等性質。實驗包括周期矩形脈沖的頻譜、時移特性、頻移特性和抽樣定理等。

周期矩形脈沖的頻譜分析界面如圖5所示，圖中周期矩形脈沖信號的幅度為2，脈沖的寬度為1.7，脈沖的周期為10，其頻譜為離散的抽樣信號。在界面通過滑動條可以調節脈沖的高度、寬度及周期等參數。

傅里葉變換的時移特性如圖6所示，由圖可見，矩形脈沖時域平移，其傅里葉變換幅度譜不發生改變。通過滑動條可以調節時移參數。

圖5 周期矩形脈沖的頻譜界面

圖6 傅里葉變換的時移特性界面

傅里葉變換的頻移特性如圖7所示，信號的頻譜向左和向右平移后的疊加，對應原信號時域乘以一個余弦信號，即信號的雙邊帶調制。通過滑動條可以調節頻移參數。

圖7 傅里葉變換的頻移特性界面

傅里葉變換的抽樣定理如圖8所示，當抽樣周期滿足奈奎斯特抽樣間隔，則采樣信號的頻譜剛好不發生混疊。通過滑動條可以調節抽樣周期。

圖8 傅里葉變換的抽樣定理界面

3 結 語

運用Matlab設計了信號與系統仿真實驗GUI平臺。該實驗平臺人機交互界面友好，操作方便，形象直觀。實驗過程中，只需輸入或調節仿真實驗參數，就可在圖形框中獲得仿真結果，從而便于對實驗結果的分析。在理論教學中合理地運用仿真實驗，既有助于教師對課程難點內容的講解，同時也有助于提高學生學習興趣和學習效率。

參考文獻

[1] 鄭君里，應啟衍，楊為理.信號與系統[M].2版.北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吳大正.信號與線性系統分析[M].4版.北京：高等教育出版社， 2005.

[3] 毛濤濤，王正林，王玲.精通Matlab GUI設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] 李顯宏.Matlab 7.x界面設計與編程技巧[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 王潔麗，賈素梅，薛芳.Matlab軟件在信號與系統輔助教學中的應用[J].現代電子技術，2007，30（6）：123?125.

[6] 林霖，楊豐，張志德.基于Matlab的“信號與系統”課程演示軟件的應用[J].電氣電子教學學報，2009，31（5）：98?100.

[7] 張尤賽，馬國軍，黃煒嘉，等.信號與系統Matlab實驗仿真教學系統設計[J].現代電子技術，2010，33（18）：57?59.

[8] 鄔少飛.基于Matlab的信號與系統教學研究[J].電腦與電信，2013（11）：70?71，73.