基于MATLAB的《信號與系統》課程教學研究

侯大有　陳萬瓊　張巖　韓波　譚拂曉

摘要：《信號與系統》課程在信息工程類教學過程中起到承上啟下的作用，該文主要針對在教學過程中存在的問題，提出以下兩點改進，在理論教學過程中結合MATLAB軟件，實現“畫面化”教學；在實驗教學過程中采取硬件試驗箱與MATLAB軟件結合的方式，實現軟硬件結合。通過使用MATLAB實現基本信號的表示，求解系統的沖激響應、階躍及零狀態響應，周期與非周期信號傅里葉變換，方波合成等試驗實例，說明該課程引入MATLAB，使教學內容更具“畫面感”，實驗與教學內容更具融會貫通的作用，教學效率顯著提高。

關鍵詞：信號與系統；MATLAB軟件；零狀態響應；傅里葉變換

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0089-03

1引言

《信號與系統》課程是信息工程、通信工程類專業一門必修專業核心課程，在學生專業素質培養中起關鍵作用。該課程主要涉及信號基本表達與系統的概念，信號時域分析，傅里葉變換，拉普拉斯變換等內容，其典型的特點就是課程內容比較抽象，對學生理論基礎知識要求很高，因此學生學習難度較大，同時課堂中對理論及公式以板書形式反復推導增加了學生的枯燥乏味感。

本文一方面MATLAB與理論教學結合，通過引入MAT-LAB軟件改進教學方法，將抽象的信號轉化成“可視化”的概念，學生對教學內容產生“畫面感”，再結合電子課件和板書推導，提高大家的學習興趣。

另一方面MATLAB與實驗教學結合，采取硬件試驗箱與MATLAB軟件分析相驗證的實驗形式，實現軟硬件結合，融會貫通課堂上講解的理論知識，以下通過幾個實例說明在實際教學中的具體實踐。

2 MATLAB與理論教學結合

MATLAB是一種數學軟件，在數據可視化、數據分析以及數值計算上有強大的功能體現，對于實現信號的畫面化和系統分析提供了強大的幫助。

2.1基本信號的表示

典型信號的描述屬于《信號與系統》課程的導人部分，對于學生的學習興趣尤為重要。在教學過程中采用傳統的黑板以及電子課件教學，學生只能理解其數學表達式，通過MATLAB能夠繪制出不同基本信號的圖形，讓學生更加深刻理解其概念。以下給出了四種基本信號的圖形使學生對其有更加直觀感受。

2.2系統沖激響、階躍和零狀態響應的求解

在連續時間系統的時域分析過程中，傳統的教學其計算過程偏數學化，系統的響應求解也都是公式計算得到的，這樣增加了學習難度，從而導致丟失學習興趣。通過MATLAB讓學生理解系統的概念又能很方便的求解出系統的響應。下面給出了鄭君里老師主編的《信號與系統》中例2-9的MATLAB求解。

2.3周期與非周期信號的傅里葉變換

從時域轉換到頻域是信號與系統教學的一個重點也是一個難點。如何讓學生更好地去理解頻域，傳統的教學只是通過理論公式推導，學生難以理解。以下通過MATLAB描繪出非周期與周期信號的頻譜圖。

3 MATLAB與實驗教學結合

通過MATLAB與課堂教學結合，學生更加直觀的“看見”信號，如何讓學生將理論知識與實踐結合，僅僅靠試驗箱的操作并不能發揮學生的主觀能動性。通過與MATLAB可視化編程語言環境下做信號與系統實驗，與硬件實驗相驗證，增加學生學習興趣，同時可以培養學生的創造能力。以下給出了通過硬件試驗箱得出的方波（圖4中方波信號）合成實驗，并與通過MATLAB編程得出的方波合成實驗相對比。

3.1方波信號合成實驗

方波信號頻率f=100Hz，幅值為4V。分別選取了3次諧波（a），7次諧波（b），9次諧波（c）疊加對比圖。

4結束語

通過MATLAB軟件與《信號與系統》課程教學相結合，基于MATLAB具有強大的圖形繪制能力，使學生對抽象的概念具體化，畫面化，直接作用就是增加了學生的學習興趣，同時學生學會使用MATLAB軟件，增加了學生的動手實踐能力，為后續的學習提供了幫助。通過本人在教學中的實踐證明，引入MAT-LAB極大地提高了教學效率，學生學習效果及動手能力顯著提高。