“信號與系統(tǒng)”課程教學仿真演示平臺

任蕾 周紀

摘要：“信號與系統(tǒng)”是電氣信息類本科專業(yè)的基礎課之一，該課程理論性強，學習難度大。將信號運算、頻譜分析、系統(tǒng)分析等知識點利用仿真演示平臺配合傳統(tǒng)教學，有助于學生掌握教學內容。開發(fā)的信號與系統(tǒng)教學仿真演示系統(tǒng)包括信號處理模塊、信號和系統(tǒng)分析模塊、信號處理應用模塊、幫助模塊等。該系統(tǒng)應用Matlab中的圖形用戶界面編程實現，具有良好的互動性。為配合教學，演示系統(tǒng)中包括了常用信號運算、信號分解、信號頻譜分析、卷積運算、系統(tǒng)頻率響應分析及各類應用等，同時為結合工程應用，系統(tǒng)中包含在通信、語音信號處理、圖像處理領域的應用實例。該演示平臺可作為傳統(tǒng)教學的補充和輔助。

關鍵詞：信號與系統(tǒng)；Matlab；教學仿真演示平臺；圖形用戶界面

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）21-0180-04

Teaching Simulation Demonstration Platform for Signal and System

REN Lei， ZHOU Ji

（College of Information Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： Signal and system is the fundamental course for disciplines of electrical engineering and information science. The course is difficult to learn for theoretical intensity. Application of teaching demonstration system cooperated with traditional teaching is helpful for students mastering teaching contents， which includes signal computation， signal spectrum analysis and system analysis. The platform is developed using graphical user interface of Matlab with good interaction. The system includes demonstrations about typical signal computation， signal decomposition， signal spectrum analysis， convolution， frequency response analysis and applications. To cooperate with engineering application， examples concerning communication， audio signal processing and image processing are also provided. The proposed demonstration platform is the assistant for classical teaching.

Key words： signal and system； Matlab； teaching simulation demonstration platform； graphical user interface （GUI）

“信號與系統(tǒng)”課程是電氣信息類專業(yè)的基礎課，理論性強，學習難度大，互動性強的演示系統(tǒng)有助于課程的教學開展。近年來國內高校針對課程演示平臺的開發(fā)進行了大量工作。有代表性的包括：金波等設計的“信號與系統(tǒng)”實驗演示系統(tǒng)涵蓋了課程中20個實驗內容，系統(tǒng)實現了計算過程的可視化與人機互動[1]。李秀梅等開發(fā)的“信號與系統(tǒng)”課程圖形用戶（GUI，Graphical User Interface）演示系統(tǒng)包括信號的基本運算、信號卷積、LTI連續(xù)及離散系統(tǒng)、采樣定理、傅里葉級數展開、濾波器設計六個模塊[2]。俎云霄等開發(fā)的同類系統(tǒng)分為連續(xù)時間信號與系統(tǒng)、離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊，每個模塊中包括五個子模塊，分別是信號的時域性質及卷積、信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換、系統(tǒng)頻率響應、通信系統(tǒng)等，同時該系統(tǒng)可生成exe文件，在無Matlab環(huán)境下運行[3]。杜世民等開發(fā)的教學仿真平臺以“信號與系統(tǒng)”課程教學內容為主線，內容涉及了信號時域分析、系統(tǒng)時域分析、連續(xù)周期和非周期信號頻域分析、系統(tǒng)頻域分析、連續(xù)信號與系統(tǒng)s域分析、離散信號與系統(tǒng)z域分析七個模塊[4]。

上述系統(tǒng)基本以教學內容為主線，將各知識點演示，可作為課堂教學的輔助，亦可作為學生課后復習使用。筆者團隊開發(fā)的教學仿真演示平臺，同樣基于Matlab的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境設計實現，平臺中除包含課程教學核心內容外，著重在動態(tài)演示、工程應用方面加入實例，目前平臺中包括通信領域的調制與解調、語音信號處理、圖像處理領域的工程應用等。

1 教學仿真演示平臺整體框架和功能介紹

1.1 系統(tǒng)框架

根據“信號與系統(tǒng)”課程教學內容和教學目標，設計的教學演示平臺包含四個方面：信號的表示、信號處理、系統(tǒng)分析、工程應用四大模塊，同時為了方便用戶查看知識點，平臺中設計了幫助系統(tǒng)。Matlab中的圖形用戶界面，具有良好的交互性，方便課程知識點的仿真演示[5]。演示平臺整體框架如圖1所示，圖2是平臺主界面圖。

1.2 平臺功能介紹

1） 信號的表示：該功能模塊主要用以演示典型連續(xù)與離散時間信號的波形。系統(tǒng)提供了八種典型信號可供選擇，信號的基本參數可選擇，同時在界面中提供信號波形生成的代碼；

2） 信號處理：信號處理模塊包括信號的基本運算、信號分成與分解、信號的傅里葉變換域頻譜分析。其中基本運算包括對信號時間變量的運算、對信號值的運算以及信號的卷積，信號的傅里葉變換模塊中，提供多種信號頻譜進行演示。信號合成模塊給出方波和鋸齒波兩類信號傅里葉級數展開的動態(tài)合成過程。部分演示界面如圖3所示；

3） 系統(tǒng)分析

該部分包括離散時間系統(tǒng)分析和采樣系統(tǒng)的過程演示兩大模塊。離散時間系統(tǒng)分析根據手動選擇系統(tǒng)零極點位置，動態(tài)展示系統(tǒng)單位樣值響應、系統(tǒng)頻譜響應之間的關系。采樣系統(tǒng)可展示連續(xù)時間信號欠采樣、臨界采樣、過采樣三類狀態(tài)下信號的頻譜以及復原過程；

4） 應用模塊

目前該模塊包括三個應用領域：通信系統(tǒng)中的調制與解調、語音信號分析、圖像信號處理。其中語音信號分析包括語音信號生成、語音信號分析、語音信號處理三個實例，主界面見圖4；

5） 幫助模塊

為方便查看課程知識點，本演示平臺中設計了幫助模塊，其界面如圖5所示，方便用戶使用過程中查詢相關知識點。

2 典型模塊舉例

2.1 動態(tài)演示模塊舉例

為配合教學，本平臺中加入了動態(tài)顯示的模塊，用以闡述信號運算過程或系統(tǒng)的特性。信號基本運算模塊中加入了離散信號卷積的動態(tài)顯示部分，可清晰揭示卷積的圖解過程，幫助學生理解卷積的本質和運算過程，其界面和結果圖如圖6所示。連續(xù)時間信號的傅里葉級數分解一直是學習的難點，設計的演示系統(tǒng)中給出了方波和鋸齒波信號合成的動態(tài)過程，通過該演示界面，可直觀了解連續(xù)時間信號傅里葉級數展開的原理，并觀察吉伯斯現象，該界面圖如圖7所示。圖8是離散時間系統(tǒng)分析的演示界面圖，可實現人工選擇系統(tǒng)零極點位置，由此動態(tài)演示系統(tǒng)頻率響應、求解系統(tǒng)單位樣值響應的整個過程，該實例將有效幫助學生理解系統(tǒng)零極點圖與系統(tǒng)頻率響應的關聯(lián)性，深刻認識系統(tǒng)濾波的概念。

2.2 工程應用舉例

“信號與系統(tǒng)”課程中理論知識點較多，與工程實踐的結合是教學改革的趨勢[6]。筆者參考了部分教材中的應用實例[7-9]，選擇了通信、語音信號處理和圖像處理三個領域的工程實例作為仿真演示實例。調制和解調是“信號與系統(tǒng)”課程的重要知識點，通過演示界面，直觀地給出信號調制和解調的全過程，特別是調制前后時域和頻域的波形，其界面圖如圖9所示。語音信號和圖像信號是兩類常用工程信號，有眾多工程應用，筆者選擇語音信號合成、語音信號分析作為初步的演示實例，同時配合課程教學中的系統(tǒng)分析應用，將語音信號回聲消除系統(tǒng)進行展示，上述界面圖如圖10-12所示。同時，平臺中將利用小波變換進行圖像去噪的實例作為工程應用的實例之一。

3 總結

本文介紹了“信號與系統(tǒng)”課程教學演示平臺的主要功能，特別詳細介紹了面向工程應用的幾個實例和動態(tài)演示實例。該教學演示平臺互動性強，可為教學的有益輔助。目前，該教學仿真演示平臺僅涉及了三個應用實例，今后可擴展至更多領域，將工程案例與理論教學有機結合。目前，筆者團隊正在擴展語音信號分析與處理、圖像處理模塊的內容，將更多應用案例加入平臺中。

參考文獻：

[1] 金波. 基于Matlab的“信號與系統(tǒng)”實驗演示系統(tǒng)[J]. 實驗技術與管理，2010，27（12）：104-107.

[2] 李秀梅，董文，賈中云. 基于Matlab的信號與系統(tǒng)課程GUI演示系統(tǒng)[J]. 大學教育，2014（5）：78-79.

[3] 俎云霄，賈越，李奔，李勇. “信號與系統(tǒng)”仿真演示系統(tǒng)設計[J]. 電氣電子教學學報，2012，34（1）：70-72.

[4] 杜世民， 楊潤萍. 基于Matlab GUI 的 “信號與系統(tǒng)”教學仿真平臺開發(fā)[J]. 實驗技術與管理，2012，29（3）：87-90.

[5] 王永琦. Matlab與音視頻技術[M]. 北京：清華大學出版社，2013.

[6] 鄭君里，谷源濤. 試談“信號與系統(tǒng)”課程理論與實踐之結合[J]. 電氣電子教學學報，2014，36（3）：1-5.

[7] 奧本海姆.信號與系統(tǒng) [M]. 劉樹棠，譯.2版.西安：西安交通大學出版社，1998.

[8] Simon Haykin.信號與系統(tǒng) [M]. 林秩盛，譯. 2版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[9] 鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2000.