基于MATLAB GUI的《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)、實(shí)驗(yàn)一體化平臺(tái)建設(shè)研究

談玲瓏，孫雁南，蔣圓圓

（安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥230088）

基于MATLAB GUI的《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)、實(shí)驗(yàn)一體化平臺(tái)建設(shè)研究

談玲瓏，孫雁南，蔣圓圓

（安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥230088）

通過(guò)MATLAB GUI界面設(shè)計(jì)和編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)完成信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)演示和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽象定義、復(fù)雜公式的動(dòng)態(tài)模擬仿真，使信號(hào)分析過(guò)程和結(jié)果得到可視化直觀表現(xiàn)，避免大量繁瑣復(fù)雜的推演，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)界面友好，使用簡(jiǎn)單，可移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

MATLAB GUI，信號(hào)與系統(tǒng)，教學(xué)演示、仿真實(shí)驗(yàn)

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程主要講解信號(hào)是什么、系統(tǒng)是什么、信號(hào)作用于系統(tǒng)的輸出是什么。圍繞這三個(gè)問(wèn)題講解信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念和基本分析方法，這三個(gè)問(wèn)題貫穿信號(hào)系統(tǒng)的四大域（時(shí)間域、頻域、復(fù)頻域、Z域），涉及的公式、理論推導(dǎo)、數(shù)學(xué)計(jì)算較多，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底。

1 目前教學(xué)中存在的問(wèn)題

該課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式是先理論教學(xué)后實(shí)驗(yàn)教學(xué)。采用板書(shū)講授理論內(nèi)容，課堂中大部分時(shí)間老師都是在對(duì)概念、公式及基本分析方法進(jìn)行講解。這種教學(xué)模式需要學(xué)生花大量時(shí)間在公式計(jì)算上，導(dǎo)致學(xué)生忽視對(duì)理論方法的理解及實(shí)際應(yīng)用［1～3］。例如課程中第二章傅里葉變化，可以利用傅里葉變化數(shù)學(xué)工具將原來(lái)時(shí)域中復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域中的簡(jiǎn)單三角函數(shù)信號(hào)，原來(lái)在時(shí)域中求解系統(tǒng)輸出的復(fù)雜過(guò)程到頻域中可以得到簡(jiǎn)化?？梢哉f(shuō)傅里葉變化在整個(gè)信號(hào)與系統(tǒng)的研究發(fā)展中起到了基石的作用，然而在學(xué)習(xí)中，學(xué)生花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)傅里葉變換公式、傅里葉變換性質(zhì)，再利用傅里葉變化對(duì)線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果只是得出了正確的結(jié)論。至于，傅里葉變化這種工具在信號(hào)與系統(tǒng)中有什么作用？為什么要用傅里葉變換來(lái)分析系統(tǒng)呢？有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？學(xué)生沒(méi)有直觀的感受到，這就導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)只停留在表面上，理論方法不能很好的應(yīng)用到實(shí)際中去，學(xué)生學(xué)習(xí)感覺(jué)到枯燥無(wú)味、積極性不高，學(xué)習(xí)效果不明顯。另外，本課程涉及到的內(nèi)容較多，理論講解和定理推演較多，導(dǎo)致教學(xué)方法靈活性差，與學(xué)生的互動(dòng)較少，啟發(fā)性差［4］。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，受到實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量的限制，大多實(shí)行分組實(shí)驗(yàn)，這就導(dǎo)致有部分學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間地點(diǎn)下不能全程參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理、步驟、結(jié)論沒(méi)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)效果不佳。另外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)大都排在理論課結(jié)束后，且多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少且較簡(jiǎn)單，不能完全做到與教材配套。此外，實(shí)驗(yàn)儀器使用年限較長(zhǎng)，部分芯片老化，導(dǎo)致有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論誤差太大，實(shí)驗(yàn)難度加大，準(zhǔn)確性不高［5，6］。

結(jié)合目前《信號(hào)與系統(tǒng)》課程理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，可基于MATLAB GUI提供的圖形界面開(kāi)發(fā)一套用于輔助理論教學(xué)、開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)的一體化平臺(tái)。

2 《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)一體化平臺(tái)建設(shè)思路

《信號(hào)與系統(tǒng)》是電信類(lèi)人才培養(yǎng)中的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，為提高這一專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)質(zhì)量，建立一套用于提升理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的一體化平臺(tái)迫在眉睫［7］（如圖1）。該平臺(tái)由理論教學(xué)演示和仿真實(shí)驗(yàn)兩部分組成。理論教學(xué)模塊設(shè)計(jì)思路結(jié)合《信號(hào)與線(xiàn)性系統(tǒng)分析》（吳大正主編）教材將離散與連續(xù)并行處理、先時(shí)域后變換域。實(shí)驗(yàn)仿真模塊根據(jù)理論教學(xué)模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)涉及到信號(hào)與系統(tǒng)中四大域的主要知識(shí)點(diǎn)，幾乎囊括了本課程的所有教學(xué)內(nèi)容。在各個(gè)模塊下按照教學(xué)需求和實(shí)驗(yàn)需求安排相應(yīng)的子模塊，例如教學(xué)演示下的信號(hào)與系統(tǒng)模塊又包含如圖2所示子模塊。

圖1 《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 信號(hào)與系統(tǒng)子模塊結(jié)構(gòu)

3 基于MATLABGUI的信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)效果

MATLAB作為一種高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。其在算法開(kāi)發(fā)、數(shù)值計(jì)算、圖像處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其自帶功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、信號(hào)處理、控制設(shè)計(jì)等工具箱為用戶(hù)免費(fèi)提供軟件接口和發(fā)布平臺(tái)，省去了大量底層源代碼的編寫(xiě)。其自帶的圖形界面開(kāi)發(fā)工具GUI，通過(guò)可視化菜單中各功能模塊的函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的用戶(hù)界面，用戶(hù)可以直觀地看到各模塊實(shí)現(xiàn)的功能，也可通過(guò)修改參數(shù)對(duì)比參數(shù)發(fā)生變化后對(duì)結(jié)果的影響。此外，用戶(hù)也可在原有界面的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)，對(duì)各模塊功能進(jìn)行修改、刪除、增加等操作［8～10］。

通過(guò)MATLAB GUI界面設(shè)計(jì)和編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)完成信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，主界面如圖3示，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕可進(jìn)入教學(xué)演示模塊（圖4）和實(shí)驗(yàn)仿真模塊［11，12］（圖5）。

4 基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)GUI演示實(shí)例

4.1 信號(hào)的基本運(yùn)算

選擇輸入信號(hào)1為2sin0.5t，輸入信號(hào)2為3sint，點(diǎn)擊“信號(hào)相加”按鈕計(jì)算兩信號(hào)的和（如圖6所示），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相符，達(dá)到預(yù)期演示效果。

圖3 《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

圖4 教學(xué)演示模塊

圖5 實(shí)驗(yàn)仿真模塊

圖6 簡(jiǎn)單函數(shù)的性質(zhì)

4.2 信號(hào)的頻譜分析

（1）連續(xù)信號(hào)的頻譜分析

選擇輸入信號(hào)波形為方波，輸入頻率為100，輸入信號(hào)波形（圖7虛線(xiàn)），點(diǎn)擊“頻譜分析”按鈕，顯示方波信號(hào)的頻譜圖（圖7實(shí)線(xiàn)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相符，達(dá)到預(yù)期演示效果。

（2）離散信號(hào)的頻譜分析

選擇輸入信號(hào)波形為正弦波，信號(hào)頻率為100Hz，采樣頻率200Hz，對(duì)其做36點(diǎn)傅里葉變化，點(diǎn)擊“頻譜分析”按鈕，得到該正弦信號(hào)的時(shí)域波形（圖8虛線(xiàn)），和頻域波形（圖8實(shí)線(xiàn)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符，達(dá)到預(yù)期演示效果。

圖7 連續(xù)信號(hào)的頻譜分析

圖8 離散信號(hào)的頻譜分析

4.3 濾波器設(shè)計(jì)

（1）巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為5000Hz、通帶最大衰減3dB、阻帶起始頻率10000Hz、阻帶最小衰減30dB的巴特沃斯低通濾波器。在實(shí)驗(yàn)仿真模塊中點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕進(jìn)入模擬濾波器設(shè)計(jì)界面，選擇巴特沃斯濾波器，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)（如圖9），點(diǎn)擊“生成濾波器”按鈕，生成濾波器如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符，達(dá)到預(yù)期演示效果。

（2）切比雪夫Ⅱ型濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)抽樣脈沖為1000Hz、通帶邊界頻率0.2π、通帶最大衰減1dB、阻帶截止頻率0.4π、阻帶最小衰減80dB的切比雪夫Ⅱ型低通濾波器。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)仿真模塊后點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕進(jìn)入數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)界面。在該界面中選擇切比雪夫Ⅱ型濾波器，輸入相應(yīng)的參數(shù)（如圖10），點(diǎn)擊“生成濾波器”按鈕，得到切比雪夫Ⅱ型濾波器如圖10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符，達(dá)到預(yù)期演示效果。

圖9 巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)

圖10 切比雪夫Ⅱ型濾波器設(shè)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

基于MATLAB GUI設(shè)計(jì)的《信號(hào)與系統(tǒng)》一體化平臺(tái)突破了傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離的現(xiàn)狀，將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)將某些抽象的理論通過(guò)圖形、動(dòng)畫(huà)直觀展示，消除學(xué)生對(duì)復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的恐懼心理。實(shí)踐證明，使用該系統(tǒng)可幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中思考總結(jié)規(guī)律，極大地提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

［1］劉長(zhǎng)征，周立波，張仁偉，等.應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)下的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)模式［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011（16）：29－32.

［2］李香林.信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的探討［J］.哈爾濱：高教論壇，2005（6）：159－161.

［3］王玉萍.地方性本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)研究［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009：6.

［4］許波，陳曉平，姬偉，等.信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革思考與實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：8－10.

［5］龍勝春，沈永增，何通能.高校電子信息專(zhuān)業(yè)特色課程群建設(shè)與探索［J］.高等理科教育，2010（1）：45－48.

［6］劉妍妍，張瑜.電工電子課程綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的開(kāi)放與實(shí)踐［J］.今日科苑，2007（12）：187－188.

［7］張鳴，閆紅梅.基于MATLAB GUI的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（1）：100－103.

［8］王潔麗，賈素梅，薛芳.MATLAB軟件在信號(hào)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.

［9］張圣勤，魏娟，宋福慶.MATLAB7實(shí)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：31－67.

［10］童峰，李霞.MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（1）：88－91.

［11］徐素莉，郜彥華，吳景艷.用MATLAB實(shí)現(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐［J］.河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，17（2）：61－63.

［12］許志鵬.LABVIEW在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2008（5）：181－182.

Design of Teaching and Experiment Platform of Signals and Systems Based on MATLAB GUI

TAN Ling－long，SUN Yan－nan，JlANG Yuan－yuan

（Electronic Communication Engineering College，Anhui Xinhua University，Hefei Anhui 230088，China）

The teaching and experiment platform of signals and systems by the MATLAB GUI interface design and callback function.The platform complete dynamic simulation of the abstract definition and complex formula for the visual intuitive of signal analysis process and result，to avoid a large amount of complicated derivation.The experimental results show that this system has friendly interface，operation simple，portability and scalability.

MATLAB GUI；signals and systems；teaching demonstration；simulation experiment

TN911－33

A

1004－2237（2016）03－0038－04

10.3969／j.issn.1004－2237.2016.03.008

2016－04－14

安徽新華學(xué)院教育教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2015jy009）

談玲瓏（1985－），女，安徽合肥人，講師，碩士，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。E－mail：309618876＠qq.com