基于Matweb的信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：采用Matlab作為開發(fā)工具，結(jié)合Web技術及其相應功能，設計并實現(xiàn)了信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋了信號與系統(tǒng)課程教學中的所有重難點，包括信號的發(fā)生、信號分析、系統(tǒng)分析、濾波器設計等。系統(tǒng)具有良好的可視化交互界面，用戶只需通過瀏覽器來輸入數(shù)據(jù)，遞交給服務器，調(diào)用Matlab進行計算，返回給用戶結(jié)果。該系統(tǒng)的實現(xiàn)，在遠程教學仿真和虛擬實驗領域都有廣闊的應用前景。

關鍵詞：信號與系統(tǒng)；Matlab；Matlab Web Server

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 16-0000-02

信號與系統(tǒng)課程[1，2]是通信工程專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎課。該課程一方面以高等數(shù)學、復變函數(shù)及電路等課程為基礎，同時又是后繼的數(shù)字信號處理、移動通信等專業(yè)課程的先修課程，該課程在通信工程專業(yè)課程體系中擔負著承上啟下的作用。然而，信號與系統(tǒng)中的很多原理和技術與復雜的數(shù)學理論知識緊密結(jié)合，學生在學習這門課程時，普遍感到概念抽象。雖然目前有一些基于單機環(huán)境的CAI教學軟件[3]，但由于“信號與系統(tǒng)”課程中有許多頻譜分析的圖形難于處理，因此開發(fā)基于WEB的教學軟件顯得十分重要[4]。

本文基于MATLAB 7提供的Web Server 組件[5]，進行B/S模式的信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)開發(fā)，將MATLAB 的仿真能力和Web 瀏覽器的遠程訪問能力相結(jié)合，客戶端通過Web 瀏覽器向服務器發(fā)出請求和傳遞參數(shù)，服務器進行相關計算后可生成動態(tài)頁面返回給客戶端。該平臺不僅能夠激發(fā)學生的學習興趣，更有助于學生掌握該課程的基礎理論知識，從而提高了學生自主學習效率和學習能力。

1 信號與系統(tǒng)學習系統(tǒng)設計方案及功能

隨著計算機技術的發(fā)展，基于網(wǎng)絡的教學模式大大提高了學科知識的傳授與學習效率。本文通過信息技術整合“信號與系統(tǒng)”相關知識點，進而構建“信號與系統(tǒng)”自主學習平臺。系統(tǒng)主要包含以下4個基本模塊：

1.1 學生信息模塊

首先，本系統(tǒng)的設計是針對所有選修信號與系統(tǒng)課程的學生以及其他對本課程感興趣的學生。該模塊為每個學生用戶分配初始的用戶帳號和密碼供學生登陸，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的信息管理功能。

1.2 仿真演示模塊

該模塊主要包括以下四個部分：

1.2.1 信號發(fā)生器： 信號發(fā)生器可以產(chǎn)生方波，正弦波，三角波，階躍函數(shù)，沖激函數(shù)等信號，信號的幅度，頻率，相位可以調(diào)節(jié)。

1.2.2 信號分析儀：信號分析儀可以演示信號的頻譜分析，信號間的運算、卷積、相關，抽樣定理，信號的合成分解，傅里葉變換，拉普拉斯變換，Z變換；

1.2.3 系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析可以求一個系統(tǒng)的零狀態(tài)響應、零輸入響應；

1.2.4 濾波器設計：濾波器設計可以設計FIB，IIR濾波器，顯示頻率響應的圖形。

1.3 在線課堂

該模塊可以使用戶進入到理論學習階段。它可以很好的體現(xiàn)信號與系統(tǒng)這一課程的主要內(nèi)容，提供給用戶需要掌握的知識理論。

1.4 學習交流模塊

在這個模塊，系統(tǒng)將提供信息交流反饋機制和相應的使用幫助等輔助功能。通過信息交流反饋，可以及時歸總學生在學習過程中存在的問題并及時做出解答，實現(xiàn)教與學的互動。

2 信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及技術

系統(tǒng)的實現(xiàn)方式采用基本的B/S結(jié)構模型，服務器安裝有MATLAB軟件?；贛ATLAB的信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)在Web中的應用主要采用以下2種實現(xiàn)技術：

2.1 基于MATLAB web server進行Web開發(fā)

MATLAB Web Server是MATLAB具有Web功能的核心工具包，它使開發(fā)網(wǎng)絡化虛擬測試實驗平臺高效可行?；?MATLAB Web Server進行虛擬實驗平臺開發(fā)的工作原理如下：Matweb程序利用公共網(wǎng)關接口（CGI）接收HTML文件中的數(shù)據(jù)并負責把這些數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給 Matlabserver，由Matlabserver 運行MATLAB 應用 （M—file），該M文件取得數(shù)據(jù)，進行計算，然后把結(jié)果返回到Web瀏覽器上顯示。

2.2 基于Matcom[5]組件進行Web應用程序開發(fā)

Com builder是Mathworks公司推薦用于混合編程的，COM是component object module的簡稱，它是一種通用的對象接口，任何語言只要按照這種接口標準，就可以調(diào)用它。MATLAB7包含的Combuilder就是把MATLAB下的程序做成COM組件，供其他語言調(diào)用。這個工作在MATLAB環(huán)境下就可以完成。在此系統(tǒng)的設計過程中，首先對Matlab應用程序進行封裝，然后在.NET下進行調(diào)用。在.NET后臺調(diào)用COM組件運行應用程序，進行系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)。

3 自主學習系統(tǒng)的實現(xiàn)

首頁為首頁為信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)的歡迎界面，訪問者需要輸入用戶名和密碼進行登陸，如圖2所示。

登陸進入后展現(xiàn)的是學習系統(tǒng)的主界面，包含學習系統(tǒng)的功能介紹和各個模塊的鏈接。

4 總結(jié)與展望

Matlab web Server結(jié)合了Matlab程序與web應用系統(tǒng)的優(yōu)點，能以可視化的形式輸出二維/三維處理結(jié)果，進一步發(fā)揮了Matlab強大的科學計算能力。采用此B/S結(jié)構模式開發(fā)各種實驗數(shù)據(jù)處理平臺，客戶端只需安裝Web瀏覽器就可以獲得Matlab的計算服務，這給Internet用戶帶來了很多方便，對遠程教育、各學科教學軟件的制作具有深遠的影響。雖然本文開發(fā)的信號與系統(tǒng)自主學習系統(tǒng)已經(jīng)可以完成基本的功能，但是要推向市場，應用到本科生實驗教學中還存在許多不足，實驗案例系統(tǒng)還不完善，系統(tǒng)的穩(wěn)健性也還不夠，應用到教學中還需要開發(fā)更多的實驗案例、配套的實驗指導和對系統(tǒng)的優(yōu)化。

參考文獻：

[1]吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]鄭君里.信號與系統(tǒng)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]呂鋒，劉泉，江雪梅.基于MATLAB 的信號與系統(tǒng)軟件實驗平臺[J].理工高教研究，2006，25（2）：98-99.

[4]顧曉杰.網(wǎng)絡虛擬實驗教學的探索與實踐[J].南京：電氣電子教學學報，2005，（6）：88-91.

[5]何強，何英. Matlab擴展編程[M].北京：清華大學出版社.2002.

[基金項目]湘南學院2010年度科研課題，項目號：2010Y017