信號(hào)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

燕慧英 杜 娟

（洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471022）

信號(hào)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

燕慧英 杜 娟

（洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471022）

針對(duì)信號(hào)類課程的實(shí)驗(yàn)硬件投入不足、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容受限的特點(diǎn)，利用MATLAB軟件強(qiáng)大的數(shù)值處理及Web發(fā)布功能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以交互的形式對(duì)課程中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行仿真并實(shí)時(shí)顯示，將抽象的概念、復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算變得簡單直觀，有利于學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)概念和原理的理解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以克服硬件實(shí)驗(yàn)的限制，拓寬了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的靈活性，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了新的思路。

信號(hào)類課程；虛擬實(shí)驗(yàn)；MATLAB；Web

1 引言

實(shí)驗(yàn)是電子信息類專業(yè)必不可少的課程，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨很多問題，比如高校需要投入大量資金購買實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而且硬件儀器操作復(fù)雜易于損壞需要維護(hù)更新，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單且可供選擇的數(shù)量較少，同時(shí)受到學(xué)校教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求很難完全達(dá)到。為了解決在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題和困難，許多高校教師不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，建立軟件仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1-4]。

以信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理為代表的信號(hào)類課程理論性強(qiáng)、概念抽象、公式推導(dǎo)繁瑣，以致學(xué)生對(duì)所學(xué)的概念、原理模糊不清，感覺講授的理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響其學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣[5]。為了幫助學(xué)生更好地理解信號(hào)類課程的相關(guān)概念和基本分析方法，克服實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)通過計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)就能讓學(xué)生完成信號(hào)類課程實(shí)驗(yàn)的虛擬平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不僅可以輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理及相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，還有效解決了實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)儀器短缺的問題，補(bǔ)充和完善了信號(hào)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 開發(fā)工具簡介

MATLAB作為一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，集計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化和程序設(shè)計(jì)于一體。Matlab Web Server是MATLAB軟件具有網(wǎng)絡(luò)計(jì)算功能的重要工具包之一，利用它可以建立遠(yuǎn)程仿真系統(tǒng)，避免安裝MATLAB軟件，能夠隨時(shí)隨地的利用Internet方便快捷的進(jìn)行遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來極大的方便。Matlab Web Server的核心是可執(zhí)行程序matweb.exe，它負(fù)責(zé)解釋客戶機(jī)通過html頁面發(fā)送的請求，轉(zhuǎn)換為運(yùn)行MATLAB應(yīng)用程序所需要的參數(shù)；接著啟動(dòng)MATLAB進(jìn)程，并將參數(shù)傳遞給應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算完畢，MATLAB程序還負(fù)責(zé)將計(jì)算結(jié)果以html頁面的方式，通過matweb.exe輸出給客戶端的瀏覽器并顯示出來[6]。根據(jù)matweb.exe的工作過程，只要設(shè)計(jì)好輸入、輸出頁面和MATLAB的應(yīng)用程序就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

信號(hào)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Dreamwerver CS5進(jìn)行輸入輸出頁面的設(shè)計(jì)。Dreamwerver CS5是Adobe公司推出的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)制作軟件，是一款集網(wǎng)頁制作和網(wǎng)站管理于一身的所見即所得網(wǎng)頁編輯器，利用它可以方便地制作出跨越平臺(tái)限制、跨越瀏覽器限制的充滿動(dòng)感的網(wǎng)頁[7]。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)容設(shè)計(jì)

信號(hào)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以信號(hào)與系統(tǒng)為基礎(chǔ)，同時(shí)涵蓋了數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)內(nèi)容。由于信號(hào)類課程的教學(xué)內(nèi)容廣泛，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，圍繞信號(hào)分析、系統(tǒng)分析和綜合應(yīng)用三個(gè)方面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。每個(gè)方面設(shè)計(jì)若干個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又有若干個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，層次清晰、簡單明了。結(jié)合我院選用的信號(hào)類課程的教材，信號(hào)分析設(shè)計(jì)了五個(gè)子系統(tǒng)，分別是：連續(xù)信號(hào)的時(shí)域分析（信號(hào)的平移、反褶、尺度變換以及兩個(gè)信號(hào)的相加與相乘運(yùn)算）、連續(xù)信號(hào)的頻域分析（吉布斯現(xiàn)象、典型非周期信號(hào)的頻譜圖）、離散信號(hào)的時(shí)域分析（序列的平移、反褶、尺度變換以及兩個(gè)序列的相加與相乘運(yùn)算）、離散信號(hào)的頻域分析（序列的傅里葉變換及離散傅里葉變換）、信號(hào)的采樣與恢復(fù)；系統(tǒng)分析也設(shè)計(jì)了五個(gè)子系統(tǒng)，分別是：連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析及s域分析，離散系統(tǒng)的時(shí)域分析和z域分析；綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)了五個(gè)子系統(tǒng)，分別是：無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器、有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器、語音加密器、語音合成系統(tǒng)和雙音多頻（DTMF）撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)。

3.2虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的界面采用多級(jí)嵌套的形式，自上而下進(jìn)行設(shè)計(jì)。先設(shè)計(jì)平臺(tái)的主界面，再設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的界面，最后設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)界面。當(dāng)所有界面都設(shè)計(jì)完成，還需要將它們有序地鏈接在一起以方便學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所有的界面均是網(wǎng)頁形式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行顯示。如圖1所示是設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面。

圖1　虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面

圖2　離散信號(hào)的時(shí)域分析頁面

4 具體的實(shí)驗(yàn)演示

下面以離散信號(hào)的時(shí)域分析和雙音多頻（DTMF）撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)為例，演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法。

4.1離散信號(hào)的時(shí)域分析

離散信號(hào)是指在時(shí)間上依次出現(xiàn)的數(shù)值序列，常用波形表示。離散信號(hào)的時(shí)域分析主要是關(guān)于離散信號(hào)的表示方法及基本運(yùn)算，包括信號(hào)的平移、反轉(zhuǎn)、尺度變換等基本變換和兩個(gè)信號(hào)的加減和乘法運(yùn)算。為此，我們設(shè)計(jì)了三個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)，分別是：序列的相加與相乘、序列的平移與反褶、序列的尺度變換。在圖 2所示的頁面上點(diǎn)擊相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的“單擊進(jìn)入”即可出現(xiàn)具體的實(shí)驗(yàn)頁面，如圖 3所示是“離散信號(hào)的尺度變換”實(shí)驗(yàn)頁面。假設(shè)離散信號(hào)，在頁面上輸入信號(hào)的頻率ω及抽取或插入的數(shù)值a，當(dāng)a>1時(shí))(nf壓縮，當(dāng)a<1時(shí))(nf擴(kuò)展。若頻率ω輸入10，a輸入3，點(diǎn)擊“運(yùn)行”得到如圖4所示的波形，該波形驗(yàn)證了離散信號(hào)的尺度變換。

圖3　離散信號(hào)的尺度變換實(shí)驗(yàn)頁面

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面上以分塊、列表的形式顯示其構(gòu)成。點(diǎn)擊列表中的名稱即可進(jìn)入對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。比如點(diǎn)擊“離散信號(hào)的時(shí)域分析”，就會(huì)彈出相應(yīng)的頁面，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的頁面上包含所要操作實(shí)驗(yàn)的名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖4　離散信號(hào)尺度變換的生成頁面

4.2雙音多頻（DTMF）撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)

一個(gè)雙音多頻（DTMF）電話機(jī)可以對(duì)16個(gè)按鍵進(jìn)行編碼，每個(gè)編碼均是兩個(gè)單頻正弦信號(hào)之和，這兩個(gè)單頻正弦信號(hào)分別來自兩個(gè)頻率組即低頻組和高頻組，它們與每個(gè)按鍵的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示[8]。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)計(jì)的DTMF撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了12個(gè)按鍵，舍去了表1中最右邊A、B、C、D四個(gè)字母，即高頻組變?yōu)槿齻€(gè)頻率組成，低頻組不變。數(shù)字DTMF接收機(jī)通過接收的雙音信號(hào)的頻譜，再現(xiàn)每個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率，從而確認(rèn)被發(fā)送的電話號(hào)碼。

表1　DTMF按鍵對(duì)應(yīng)關(guān)系表

DTMF信號(hào)的編碼采用查表的方式模擬產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的正弦波，解碼采用快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算N點(diǎn)頻率處的頻譜值，然后估算出所撥的電話號(hào)碼。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，先在主界面上點(diǎn)擊“DTMF撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)”彈出如圖5所示的實(shí)驗(yàn)頁面，然后在該頁面上輸入四位電話號(hào)碼，接著點(diǎn)擊“運(yùn)行”即可在輸出頁面上顯示電話號(hào)碼及其頻域波形，如圖6所示。

圖5　雙音多頻撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)頁面

圖6　雙音多頻撥號(hào)音編解碼系統(tǒng)的生成頁面

5 結(jié)論

利用仿真軟件開發(fā)的信號(hào)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，它打破了學(xué)生學(xué)習(xí)受到的時(shí)間和空間的限制，形成了開放式的教學(xué)環(huán)境，充分發(fā)揮了校園網(wǎng)絡(luò)的作用，進(jìn)一步將電子化、信息化的校園建設(shè)落實(shí)到實(shí)際教學(xué)中，為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化教育打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容全面，可以直接用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)驗(yàn)界面上輸入不同的參數(shù)即可觀察產(chǎn)生的相應(yīng)圖形，將抽象的原理進(jìn)行形象地解釋，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以輔助課堂教學(xué)，教師將實(shí)驗(yàn)程序從系統(tǒng)中取出，在講授具體的概念或原理時(shí)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，有助于教師的講授和學(xué)生的理解，從而提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了改善教學(xué)效果的目的。

[1] 楊新盛.基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)[J].廣東白云學(xué)院學(xué)報(bào),2009,16(4):52-56.

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[3] 胡永生,譚業(yè)武.基于MATLAB的“信號(hào)與系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J].山西電子技術(shù),2012,(1):92-94.

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[5] 張學(xué)敏,呂曉麗.信號(hào)類課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].科技教育,2014,(27):181-183.

[6] 何強(qiáng),何英.MATLAB擴(kuò)展編程[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2002.

[7] 唯美科技工作室編著.完全實(shí)例自學(xué) Dreamweaver CS5+ ASP+Access動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁制作[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[8] 王艷芬,王剛.數(shù)字信號(hào)處理原理及實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)(第 2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

Design of virtual experiment platform of signal courses

Aiming to the characteristic of the hardware experimental input shortage and the limitations of the experimental teaching content, using the function of MATLAB powerful numerical processing and web publishing, it designs and achieves the virtual experimental platform for signal courses. It simulates and real-time displays the experimental content of the signal courses in the form of interaction, the abstract concepts and complex numerical calculation becomes Simple and intuitive, which is beneficial to the students' understanding on the basic concept and principle. Experimental teaching shows that the experimental platform can overcome the limitations of hardware experiments, broaden the experimental content, enhance the flexibility of the experiment, and provide a new way for the reform of experimental teaching.

Signal courses; virtual experiment; MATLAB;Web

TP319

A

1008-1151(2015)07-0155-03

2015-06-10

洛陽師范學(xué)院教改項(xiàng)目。

燕慧英（1979－），女，河南開封人，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信號(hào)處理；杜娟（1964－），女，河南洛陽人，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ排c計(jì)算機(jī)應(yīng)用。