信號與系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計

劉榮華，于紅光

（北京石油化工學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京102617）

信號與系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計

劉榮華，于紅光

（北京石油化工學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京102617）

針對當前信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，在面向?qū)ο笤O(shè)計思想的指導(dǎo)下，利用層次化的設(shè)計方法，借助MATLAB的信號處理工具和GUI圖形用戶界面功能設(shè)計并開發(fā)了一個信號與系統(tǒng)的仿真平臺分析軟件。在該仿真平臺上用戶可以選擇連續(xù)或者離散部分，在每一部分可以對其相應(yīng)的信號及系統(tǒng)進行時域、頻域以及復(fù)頻域的變換，用戶可以非常直觀的了解他們之間的運算關(guān)系。平臺界面友好，使用簡單，充分體現(xiàn)了該仿真平臺的綜合性、直觀性、應(yīng)用靈活性。

信號與系統(tǒng)；MATLAB；圖形用戶界面；仿真平臺；連續(xù)信號

“信號與系統(tǒng)”是通信工程、電子信息科學(xué)和技術(shù)等電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它以高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換及電路原理等課程為基礎(chǔ)，是相關(guān)專業(yè)后續(xù)數(shù)字信號處理、通信原理等專業(yè)課程的先修課程，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響到學(xué)生對信號、系統(tǒng)和頻譜等重要概念的理解及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。在信號與系統(tǒng)的整個知識體系當中涉及到眾多的知識點，比如連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的時域分析、頻域分析、復(fù)頻域分析以及離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、頻域分析、Z域分析。每一種分析方法都涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，僅從計算結(jié)果上用戶不能直觀的看到信號與系統(tǒng)在時域、頻域和復(fù)頻域之間的關(guān)系，因此需要有一種信號與系統(tǒng)的仿真平臺來完成這樣的功能。

近些年來，國內(nèi)外高校相繼應(yīng)用MATLAB對信號與系統(tǒng)當中的一些重要內(nèi)容進行驗證和仿真，收到了較好的效果[1]。但是現(xiàn)有的信號與系統(tǒng)仿真多數(shù)是針對一些獨立的知識點編寫的MATLAB語言程序，缺乏系統(tǒng)的、能包含信號與系統(tǒng)整個知識體系內(nèi)容的仿真平臺，且這些MATLAB語言程序普遍存在可讀性、可重用性和可擴展性差等缺點[2]。

為了解決這些問題，文中提出了一種基于MATLAB GUI的信號與系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計方案，利用MATLAB的強大的信號處理能力及圖形用戶界面（GUI）設(shè)計和實現(xiàn)了該平臺。該平臺包含了信號與系統(tǒng)知識體系當中的主要內(nèi)容，用戶可以通過該平臺非常直觀的看到信號及系統(tǒng)在時域、頻域和復(fù)頻域進行的相應(yīng)變換。

1 程序設(shè)計

1.1 設(shè)計的主要內(nèi)容

設(shè)計總界面，實現(xiàn)連續(xù)信號與系統(tǒng)以及離散信號與系統(tǒng)之間相互的切換。

1）連續(xù)信號部分，實現(xiàn)以下功能：

基本變換：加法運算、乘法運算、標乘、反轉(zhuǎn)、平移、尺度變換（伸縮）。

時域變換：卷積、積分、微分。

頻域變換：傅立葉變換。

復(fù)頻域變換：拉氏變換

2）設(shè)計連續(xù)系統(tǒng)部分，實現(xiàn)以下功能：

單位沖激響應(yīng)

階躍響應(yīng)

零狀態(tài)響應(yīng)

零輸入響應(yīng)

頻率響應(yīng)：傅立葉變換。

復(fù)頻域：拉氏變換。

3）設(shè)計離散信號的部分，實現(xiàn)以下功能：

基本變換：加法運算、乘法運算、標乘、反轉(zhuǎn)、平移、尺度變換（伸縮）。

時域分析：卷積

頻域分析：傅立葉變換。

復(fù)頻域分析：Z變換

4）設(shè)計離散系統(tǒng)部分，實現(xiàn)以下功能：

單位抽樣響應(yīng)

單位階躍響應(yīng)

零狀態(tài)響應(yīng)

頻域分析：幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)。

復(fù)頻域分析：Z變換

1.2 設(shè)計圖形界面

1.2.1 總界面設(shè)計

根據(jù)總的設(shè)計任務(wù)要求，設(shè)計出如圖1所示的總操作界面[3-5]。

該界面包括實現(xiàn)連續(xù)信號與系統(tǒng)以及離散信號與系統(tǒng)之間相互的切換。設(shè)計構(gòu)想：

1）點擊連續(xù)（離散）部分的連續(xù)（離散）信號或連續(xù)（離散）系統(tǒng)的無線電按鈕可以進入各自的操作界面，實現(xiàn)其功能。

圖1 總操作界面

2）點擊退出按鈕，退出MATALB軟件。

由于文章篇幅有限，本文主要以連續(xù)信號與系統(tǒng)部分為例介紹該仿真平臺的設(shè)計過程。

1.2.2 連續(xù)信號設(shè)計部分

為了讓讀者對本人設(shè)計成果有個大致的了解，先將程序運行過程演示一次：

點擊連續(xù)信號無線電按鈕，運行代碼：

出現(xiàn)如圖2～圖4所示的輸入?yún)?shù)界面。

圖2 輸入x1的幅度、頻率、相位

設(shè)定參數(shù)后，點擊“OK”鍵出現(xiàn)如圖5所示的連續(xù)信號設(shè)計操作界面。

界面包括基本運算、時域分析和頻域分析以及復(fù)頻域分析。設(shè)計構(gòu)想：

1）點擊第一、二個彈出式菜單選擇其中的基本信號，可以進行加法、乘法、卷積等基本變換；

2）點擊第一、三個彈出式菜單，選擇其中的信號，可以進行標乘、平移、伸縮等基本變換；

3）點擊第一個彈出式菜單，選擇信號，可以進行翻轉(zhuǎn)、傅立葉變換、積分、微分、拉氏變換。

由于篇幅有限，文中主要以加法、乘法、卷積以及傅里葉變換為例對連續(xù)信號進行分析[6-7]。

圖4 輸入時間參數(shù)

圖5 連續(xù)信號設(shè)計操作界面

1）加法

輸入信號分別為x1和x2，參數(shù)設(shè)置如下：

運行結(jié)果如圖6所示。

2）乘法

x1=A1sin（2*pi1*f1*t+phi1）；

圖6 執(zhí)行加法的運行結(jié)果

結(jié)果如圖7所示。

圖7 執(zhí)行乘法的運行結(jié)果

3）卷積

結(jié)果如圖8所示。

2 結(jié) 論

本軟件借助 MATLAB信號處理功能，擁有GUIDE簡單直觀的優(yōu)勢，可以脫離 MATLAB環(huán)境而獨立運行，并且內(nèi)容完善涵蓋了信號與系統(tǒng)分析的大部分重要內(nèi)容。用戶只需在相應(yīng)的編輯框中輸入相應(yīng)的參數(shù)，就可以在輸出框及圖形框中獲得相應(yīng)的結(jié)果，從而可以方便地對結(jié)果進行分析；還可以對輸入?yún)?shù)進行修改，可在一個界面中輸入不同參數(shù)來進行反復(fù)實驗，展示人機交互式圖形用戶界面及其參數(shù)的可調(diào)控性。

圖8 執(zhí)行卷積命令的運行結(jié)果

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Design of signals and systems simulation platform

LIU Rong-hua，YU Hong-guang
（Department of Information Engineering，Beijing Institute of Petro-chemical Technology，Beijing 102617，China）

Aiming at the current problems in teaching of signals and systems，under the guidance of the object-oriented design method，A set of analysis software for signals and systems simulation platform is designed by using signal processing tool and graphical user interface in MATLAB，through the hierarchical design method.Users can choose continuous portion or discrete portion at this platform. Signals and systems have been analyzed in time domain and transform domain for each part.Users can comprehend the arithmetic relationship between them easily.The platform has the advantage of friendly interface and is easy to use.It was approved that the simulation platform is integrated，intuitive and flexible.

signals and systems；MATLAB；graphic user interface；simulation platform；continues signal

TN915.6

A

1674-6236（2017）09-0167-04

2016-03-25稿件編號：201603343

劉榮華（1979—），女，山西運城人，碩士研究生，實驗師。研究方向：信號與系統(tǒng)方面的教學(xué)科研。