基于Matlab的信號與系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

全星慧+周圍+韓建+呂秀麗

摘 要： 信號與系統(tǒng)課程實驗內(nèi)容繁雜，為了克服傳統(tǒng)硬件實驗系統(tǒng)的局限性，利用Matlab軟件提供的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計了信號與系統(tǒng)仿真實驗平臺。該實驗平臺由一個主界面和若干子界面構(gòu)成，包括信號卷積、傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、系統(tǒng)的頻率響應(yīng)等實驗項目。每個實驗界面都可以由用戶設(shè)定和修改仿真參數(shù)，實時顯示仿真結(jié)果。該平臺將抽象的理論教學(xué)轉(zhuǎn)化為生動的仿真實驗，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

關(guān)鍵詞： 信號與系統(tǒng)； Matlab； 圖形用戶界面； 實驗平臺

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1?2]。但由于課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，概念抽象，公式繁多，長期以來使得教、學(xué)處于兩難境地。因此需要通過動手實驗來加深理解各種數(shù)學(xué)運(yùn)算在信號處理中的實際應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的硬件實驗系統(tǒng)存在著實驗設(shè)備短缺、實驗項目選擇受限、實驗設(shè)備老化等弊端，為此，利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計算、符號計算、繪圖顯示及圖形用戶界面等功能，設(shè)計了信號與系統(tǒng)仿真實驗GUI平臺，增加計算機(jī)輔助實驗教學(xué)手段是對信號與系統(tǒng)課程教學(xué)方法的有力補(bǔ)充，同時，GUI實驗平臺簡單的程序和可視化結(jié)果有助于學(xué)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(yè)數(shù)學(xué)軟件，是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境[3]。Matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域，與Mathematica、Maple并稱為3大數(shù)學(xué)軟件。

Matlab具有強(qiáng)大的圖形用戶界面（Graphical User Interface ，GUI）[4]生成功能。采用Matlab的 GUI 設(shè)計仿真實驗界面，過程簡單，操作方便。GUI 設(shè)計有2種方式：一種是利用基本Matlab程序設(shè)計；另一種是利用GUIDE工具設(shè)計。GUIDE是一個專用于GUI程序設(shè)計的快速開發(fā)環(huán)境，使用者可以在該設(shè)計環(huán)境內(nèi)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(shè)計出符合要求的圖形用戶界面。

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

2 信號與系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

2.1 系統(tǒng)平臺的整體框圖

本實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。包括2大模塊：連續(xù)時間信號與系統(tǒng)、離散時間信號與系統(tǒng)。下設(shè)基本信號時域性質(zhì)、卷積、傅里葉變換、連續(xù)時間系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、拉普拉斯變換、離散時間信號卷積、離散時間系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、離散傅里葉變換性質(zhì)、基本離散信號Z變換、Z變換基本性質(zhì)等實驗?zāi)K。每一個實驗?zāi)K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(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)平臺的設(shè)計步驟

設(shè)計的具體步驟如下：

（1） 運(yùn)用 Matlab的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計方法，設(shè)計整個實驗系統(tǒng)的開始引導(dǎo)主界面以及實現(xiàn)信號與系統(tǒng)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(diào)函數(shù)，實現(xiàn)控件相應(yīng)控制功能，達(dá)到直接通過界面上各個控件就可以控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，并可以方便地對實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)及其圖形進(jìn)行顯示和分析；

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

2.3 系統(tǒng)平臺的界面設(shè)計

信號與系統(tǒng)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(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊。

圖2 主界面

連續(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊界面分別如圖3和圖4所示。

圖3 連續(xù)時間信號與系統(tǒng)界面

圖4 離散時間信號與系統(tǒng)界面

2.4 實驗示例

以傅里葉變換模塊為例介紹相關(guān)實驗內(nèi)容。本實驗的目的是使學(xué)生理解信號的傅里葉變換頻譜與時域信號的對應(yīng)關(guān)系，掌握并靈活運(yùn)用傅里葉變換的時移、頻移、抽樣定理等性質(zhì)。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(diào)節(jié)脈沖的高度、寬度及周期等參數(shù)。

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(fā)生改變。通過滑動條可以調(diào)節(jié)時移參數(shù)。

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(yīng)原信號時域乘以一個余弦信號，即信號的雙邊帶調(diào)制。通過滑動條可以調(diào)節(jié)頻移參數(shù)。

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(dāng)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(fā)生混疊。通過滑動條可以調(diào)節(jié)抽樣周期。

圖8 傅里葉變換的抽樣定理界面

3 結(jié) 語

運(yùn)用Matlab設(shè)計了信號與系統(tǒng)仿真實驗GUI平臺。該實驗平臺人機(jī)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(diào)節(jié)仿真實驗參數(shù)，就可在圖形框中獲得仿真結(jié)果，從而便于對實驗結(jié)果的分析。在理論教學(xué)中合理地運(yùn)用仿真實驗，既有助于教師對課程難點(diǎn)內(nèi)容的講解，同時也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 吳大正.信號與線性系統(tǒng)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(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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

[5] 王潔麗，賈素梅，薛芳.Matlab軟件在信號與系統(tǒng)輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（6）：123?125.

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

[7] 張尤賽，馬國軍，黃煒嘉，等.信號與系統(tǒng)Matlab實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（18）：57?59.

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

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)平臺的設(shè)計步驟

設(shè)計的具體步驟如下：

（1） 運(yùn)用 Matlab的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計方法，設(shè)計整個實驗系統(tǒng)的開始引導(dǎo)主界面以及實現(xiàn)信號與系統(tǒng)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(diào)函數(shù)，實現(xiàn)控件相應(yīng)控制功能，達(dá)到直接通過界面上各個控件就可以控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，并可以方便地對實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)及其圖形進(jìn)行顯示和分析；

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

2.3 系統(tǒng)平臺的界面設(shè)計

信號與系統(tǒng)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(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊。

圖2 主界面

連續(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊界面分別如圖3和圖4所示。

圖3 連續(xù)時間信號與系統(tǒng)界面

圖4 離散時間信號與系統(tǒng)界面

2.4 實驗示例

以傅里葉變換模塊為例介紹相關(guān)實驗內(nèi)容。本實驗的目的是使學(xué)生理解信號的傅里葉變換頻譜與時域信號的對應(yīng)關(guān)系，掌握并靈活運(yùn)用傅里葉變換的時移、頻移、抽樣定理等性質(zhì)。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(diào)節(jié)脈沖的高度、寬度及周期等參數(shù)。

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(fā)生改變。通過滑動條可以調(diào)節(jié)時移參數(shù)。

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(yīng)原信號時域乘以一個余弦信號，即信號的雙邊帶調(diào)制。通過滑動條可以調(diào)節(jié)頻移參數(shù)。

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(dāng)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(fā)生混疊。通過滑動條可以調(diào)節(jié)抽樣周期。

圖8 傅里葉變換的抽樣定理界面

3 結(jié) 語

運(yùn)用Matlab設(shè)計了信號與系統(tǒng)仿真實驗GUI平臺。該實驗平臺人機(jī)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(diào)節(jié)仿真實驗參數(shù)，就可在圖形框中獲得仿真結(jié)果，從而便于對實驗結(jié)果的分析。在理論教學(xué)中合理地運(yùn)用仿真實驗，既有助于教師對課程難點(diǎn)內(nèi)容的講解，同時也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

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[3] 毛濤濤，王正林，王玲.精通Matlab GUI設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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[7] 張尤賽，馬國軍，黃煒嘉，等.信號與系統(tǒng)Matlab實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（18）：57?59.

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

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)平臺的設(shè)計步驟

設(shè)計的具體步驟如下：

（1） 運(yùn)用 Matlab的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計方法，設(shè)計整個實驗系統(tǒng)的開始引導(dǎo)主界面以及實現(xiàn)信號與系統(tǒng)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(diào)函數(shù)，實現(xiàn)控件相應(yīng)控制功能，達(dá)到直接通過界面上各個控件就可以控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，并可以方便地對實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)及其圖形進(jìn)行顯示和分析；

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

2.3 系統(tǒng)平臺的界面設(shè)計

信號與系統(tǒng)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(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊。

圖2 主界面

連續(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊界面分別如圖3和圖4所示。

圖3 連續(xù)時間信號與系統(tǒng)界面

圖4 離散時間信號與系統(tǒng)界面

2.4 實驗示例

以傅里葉變換模塊為例介紹相關(guān)實驗內(nèi)容。本實驗的目的是使學(xué)生理解信號的傅里葉變換頻譜與時域信號的對應(yīng)關(guān)系，掌握并靈活運(yùn)用傅里葉變換的時移、頻移、抽樣定理等性質(zhì)。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(diào)節(jié)脈沖的高度、寬度及周期等參數(shù)。

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(fā)生改變。通過滑動條可以調(diào)節(jié)時移參數(shù)。

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(yīng)原信號時域乘以一個余弦信號，即信號的雙邊帶調(diào)制。通過滑動條可以調(diào)節(jié)頻移參數(shù)。

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(dāng)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(fā)生混疊。通過滑動條可以調(diào)節(jié)抽樣周期。

圖8 傅里葉變換的抽樣定理界面

3 結(jié) 語

運(yùn)用Matlab設(shè)計了信號與系統(tǒng)仿真實驗GUI平臺。該實驗平臺人機(jī)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(diào)節(jié)仿真實驗參數(shù)，就可在圖形框中獲得仿真結(jié)果，從而便于對實驗結(jié)果的分析。在理論教學(xué)中合理地運(yùn)用仿真實驗，既有助于教師對課程難點(diǎn)內(nèi)容的講解，同時也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

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

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