基于MALAB GUI的信號與系統虛擬實驗平臺設計與開發

徐穎 胡瓊 張會影

（江蘇省南京市南京工業大學浦江學院 江蘇省南京市 210000）

信號與系統是工科類的一門重要課程 ，以數學分析、工程數學、電路理論等課程為基礎，在此之上展開更深入的學習。同時，這門課程過于抽象，學生很難理解透，學習起來就顯的動力不足，逐漸對課程失去興趣，老師教授起來也頗具難度。在實驗方面，以學生目前的水平，還無法做到完整的做出實驗，因此，虛擬實驗平臺顯的尤為重要。

近年來，許多課程的實驗實施都離不開MATLAB，尤其是工科的課程。利用MATLAB GUI，設計信號與系統虛擬實驗平臺包括序列基本計算、基本信號產生、簡單卷積實驗、傅里葉變換實驗、濾波器設計實驗，大大減少了老師的教學壓力，同時提高了學生的學習效率。

1 MATLAB

Simulink 是MATLAB 中重要的仿真 工具。Simulink 提供圖形編輯器，并且自動生成代碼。在輔助教學中，可利用其進行對應實驗的仿真，并且仿真結果可直接導入到MATLAB 中，在此基礎上，對實驗結果進行更深層的分析，大大減少了老師的工作量。Simulink 擁有龐大的數據庫，對于仿真有深刻的確定性。學生只需簡單學習操作步驟，就能直接進行仿真實驗，節省了大量的時間。

2 圖形用戶界面

GUI，圖形用戶界面，是由普通按鈕，靜態文本，可編輯文本，坐標區等控件組成的應用程序界面。在命令窗口中輸入“guide”命令，進入到GUI 設計窗口中，選擇所需要的控件設置界面，通過改變控件的屬性達到目的。設置成功后返回到MATLAB 界面，代碼自動生成。

設計GUI 應力求簡潔明了，清晰大方，多采用圖形，避免數值。在主界面上最好設置直達按鈕，可直接進入到子界面。同時，子界面設置返回按鈕，可直接返回上一界面，不需要重新打開。本虛擬實驗平臺界面清楚，操作方便，結果明了，可直接輔助教學。

3 系統總體設計

3.1 信號與系統實驗平臺總體框架設計

基于MATLAB GUI 的信號與系統虛擬實驗平臺包括序列基本計算、基本信號產生、簡單卷積實驗、傅里葉變換實驗、濾波器設計實驗五個主要板塊。其中序列基本計算板塊包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數序列、序列卷積。基本信號產生模塊包括正弦信號、指數信號、單位沖激信號。簡單卷積實驗板塊包括卷積實驗。傅里葉變換板塊包括方波傅里葉分析、離散傅里葉變換。濾波器設計實驗板塊包括低通FIR 濾波器和高通FIR 濾波器。五個主要板塊對應五個子界面，編寫控件的回調函數，來實現控件相應的功能。編寫主界面的回調函數，建立主界面和各個子界面之間的連接。實驗平臺系統的組成如圖1 所示。

3.2 信號與系統實驗平臺分部框架設計

圖1：實驗平臺的系統組成

圖2：框架設計

框架設計如圖2 所示。

3.3 設計步驟

（1）運用GUI 的設計方法，先設計出系統的主界面，主界面包含了五個大的實驗板塊，分別設計出五個板塊，板塊設計直奔主題即可，不需要將文字進行美化。再分別設計出系統的子界面，相對于主界面，子界面的設計多了可編輯文本框，返回按鈕。

（2）對系統主界面和子界面的各個控件進行回調函數的編寫，點擊對應按鈕即可進入到對應的界面，點擊子界面上的返回按鈕，可返回到上一界面 。將實驗結果記錄，對其進行分析。

（3）編寫主界面的回調函數，將子界面嵌入到主界面中，通過主界面直接進入到子界面。

4 系統界面設計

4.1 主界面設計

如圖3 所示。

圖3：信號與系統主界面

在MATLAB 命令窗口中輸入’guide’指令，進入GUI 設計窗口。在新建窗口中分別拖入一個靜態文本和五個普通按鈕。靜態文本的String 為“信號與系統”。背景顏色根據個人愛好設置，例如圖2 的淡粉色。五個普通按鈕的String 設置依次為“序列基本產生”，“基本信號產生”，“簡單卷積實驗”，“傅里葉變換實驗”，“濾波器設計實驗”。

4.2 功能模塊界面設計

該系統包含五個實驗，每個實驗都有相對應的按鈕，點擊對應的按鈕，即可進入到對應的界面。同時，每個實驗對應的界面都設置了返回按鈕，可直接返回到主界面。以打開序列基本計算子界面為例，如圖4 所示。

序列基本計算實驗包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數序列、序列卷積，點擊對應的按鈕即可出現對應的圖像。

4.2.1 單位脈沖序列

在按鈕對應的可編輯的文本框中輸入位移量，當輸入位移量時，相應圖像會顯示出來。由于單位脈沖響應的特殊性，只在n=0 處有定義，并且值始終為1。

（1）單位脈沖序列算法原理

脈沖信號：

令ε →0，即得脈沖信號的數學表達式為：

單位脈沖響應系統對單位脈沖輸入的響應，也稱作記憶函數。其定義為：

4.2.2 單位階躍序列

在按鈕對應的可編輯的文本框中輸入位移量，當輸入位移量時，圖像可顯示出來。

（2）單位階躍序列算法原理

一個LTI 系統，以單位階躍信號u(t)作激勵，系統產生的零狀態響應稱為“單位階躍響應”或簡稱“階躍響應”，以g(t)表示。單位階躍函數屬于典型輸入信號，其定義為：

由定義可以看出，單位階躍函數在t=0 這一點是不連續的。

4.2.3 指數序列

（3）指數序列算法原理

連續指數信號的一般表示為：

分以下三種情況討論。

當 都是實數，f(t)為實指數信號。

4.2.4 序列卷積

在按鈕對應的可編輯文本框中輸入卷積幅度，當輸入卷積幅度時，圖像可顯示出來。

（4）序列卷積算法原理

任意時間序列x(n)可表示為δ(n)的加權移位之線性關系組合：

公式表明：任意兩個函數進行卷積，其卷積積分為：

5 系統特征分析

操作簡單，界面友好。老師通過平臺教學，降低了復雜度，學生通過平臺直接主觀感受，更容易聽懂。以繁化簡，同時節省了老師和學生的時間。

系統內容豐富。該系統涵蓋了信號與系統這門課程的主要內容，擴展性強，老師可以根據實際情況進行改動，以此達到更好的教學效果。

系統靈活性強。界面設計通俗易懂，完全可以按照教學要求直接進入界面，功能穩定，運行速度快。

6 結語

信號與系統這門課程知識點繁雜，晦澀難懂，學生為此感到枯燥乏味。基于此，該實驗平臺的設計與開發融合了理論教學和實驗教學，使得學生學起來輕松不少。教學過程中，通過畫面展示，加深印象，使學生有更深刻的理解，從而提高課堂質量和效率，培養學生的思維能里。教師不需要反復強調，直接使用畫面展示，且數字可以隨意更改，使得計算結果更具對比性，大大減少了工作量。