MATLAB軟件在《信號與系統(tǒng)》實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王琨　李海生

摘要：《信號與系統(tǒng)》是一門很重要的通信工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程。MATLAB是一款功能強大的軟件，能夠仿真出各類信號的時間域和頻率域的波形圖，將MATLAB應(yīng)用于信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)中，能夠使學(xué)生加深對于信號與系統(tǒng)理論知識的理解，增加學(xué)習(xí)抽象知識的趣味性。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；實驗教學(xué)；MATLAB

1概述

《信號與系統(tǒng)》是通信工程專業(yè)非常重要的一門必修課程，該課程是通信工程專業(yè)中信號處理類專業(yè)課程的基礎(chǔ)，信號處理對于通信工程意義重大，在很多具體的工程應(yīng)用中，涉及到通信工程的領(lǐng)域都要采用信號處理的技術(shù)和手段，這是因為通信工程的發(fā)展趨勢就是為了提供高速、大容量、高質(zhì)量的通信系統(tǒng)，而通信系統(tǒng)中的信號經(jīng)常會受到噪聲等因素的影響，常常使得通信系統(tǒng)從發(fā)送端發(fā)出的信號到達接收端以后經(jīng)常會出現(xiàn)畸變，因此這就需要采用包括信號處理在內(nèi)的技術(shù)來解決。此外學(xué)生對該課程的掌握程度也關(guān)系到后續(xù)一系列課程的學(xué)習(xí)，例如：數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、通信原理、隨機過程、光纖通信原理、移動通信原理等。因而該課程是通信專業(yè)核心課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，具有不可替代的作用，學(xué)好該課程對于掌握整個通信工程專業(yè)的核心內(nèi)容志關(guān)重要。本文探討MATLAB在《信號與系統(tǒng)》中實驗教學(xué)應(yīng)用，讓學(xué)生能夠更好地理解和掌握信號與系統(tǒng)理論知識，增加學(xué)習(xí)抽象知識的趣味性。

2課程教學(xué)存在的問題

《信號與系統(tǒng)》課程的特點是理論復(fù)雜，公式推導(dǎo)較多，目前在課堂上的理論教學(xué)方式主要以課件結(jié)合黑板的板書為主，但是黑板的板書很難讓學(xué)生對于抽象的信號的物理意義有較深的理解，而課件中的動畫播放的教學(xué)效果也比較有限。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，讓學(xué)生更加積極主動的投入到該課程的學(xué)習(xí)中來，就需要通過實驗教學(xué)來使學(xué)生加深對于理論內(nèi)容的理解。目前在信號與系統(tǒng)的實驗教學(xué)中常常采用實驗箱來完成相關(guān)的教學(xué)工作，但是實驗箱具有使用不方便，干擾性強，易壞等缺點，為了克服這些問題，尋找新的教學(xué)工具和方式顯得尤為重要。

3 MATLAB軟件在課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

MATLAB是由美國MathWorks公司開發(fā)的一款將計算、可視化和編程集一身的計算機環(huán)境軟件，它的系統(tǒng)包括桌面工具、開發(fā)環(huán)境、語言、圖形處理、數(shù)字函數(shù)庫和外部接口。經(jīng)過多年的應(yīng)用和版本的更新如今已經(jīng)擁有了無比強大的演算能力以及良好的跨平臺性。從豐富的組件和可視化功能中也可以看出Matlab相比其他平臺能夠?qū)λ惴ǖ膶崿F(xiàn)帶來更好的模擬效果，且最終以圖形形式存在的仿真結(jié)果也更加容易被用戶所分析和對比。另一方面，由于Matlab平臺在設(shè)計之初，就考慮到了其大多會被用于運算量較大的復(fù)雜演算場景中，因而其采用了模塊化的處理流程保證其實際的運行性能和效率。此外該平臺的設(shè)計人員還專門針對軟件本身的圖形界面的交互性和可操作性進行改進，最終使得其更多被用于圖形處理以及數(shù)字信號的模擬運算中來，現(xiàn)在用MATLAB語言來編寫程序都要比使用別的語言更簡便得多，由于其直觀和簡便的計算操作，提高了其在通信領(lǐng)域進行仿真的效率。利用MATLAB強大的信號仿真能力能夠?qū)π盘柵c系統(tǒng)中的很多內(nèi)容進行直觀的仿真，比如：信號的表示、信號的卷積、周期信號的頻譜等。將MATLAB引入到信號與系統(tǒng)的實驗教學(xué)中，能夠使得原本較為繁瑣和枯燥的實驗變得更加簡單和有趣，從而能夠進一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

4 MATLAB軟件在信號與系統(tǒng)實驗中的仿真實例

4.1 MATLAB軟件仿真功能介紹

MATLAB軟件由于其強大的運算能力和圖形化的仿真能力，已經(jīng)在很多領(lǐng)域大放異彩，其中在很多課程的教學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用，Matlab的操作界面包含有四種不同職責(zé)分工的窗口，這四種窗口共同構(gòu)成了一個高度集成的工作環(huán)境。這四個窗口分別是：命令窗口（Command Window）、工作空間窗口（Workspace）、歷史命令窗口（Command History）、當前目錄窗口（Current Directory）。

MATLAB的四個命令窗口各司其職，MATLAB的命令窗口（Command Window）主要進行函數(shù)以及表達式的運行，MATLAB為用戶提供了各類功能強大的函數(shù)庫，能夠支持各類運算仿真，也正因為如此，MATLAB被稱為“站在巨人肩上的工具”，這也就為MATLAB的廣泛運用奠定了基礎(chǔ)。用戶根據(jù)需要在命令窗口中輸入相應(yīng)的命令代碼，按下回車鍵，就能仿真出結(jié)果。工作空間窗口（Workspace）的主要作用是顯示出在計算機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的變量信息，包括變量名、變量字節(jié)大小、變量數(shù)組大小、變量類型等內(nèi)容。歷史命令窗口（Command History）可以將用戶的歷史命令記錄下來，方便用戶瀏覽及使用之前的命令。當前目錄窗口（Current Directory）能夠顯示當前運行和保存的路徑。當用戶需要自己編寫子函數(shù)文件進行調(diào)用時，只要將其與主函數(shù)所在文件放在同一個文件夾下面，就能很方便的對自己編寫的子函數(shù)文件進行調(diào)用。

4.2系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)

對于線性是不變系統(tǒng)（LTI）系統(tǒng)來說，常使用常系數(shù)微分方程來進行描述，假設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，那么就可以通過常系數(shù)微分方程來求解系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，MATLAB控制系統(tǒng)工具箱提供了一個lsim函數(shù)來求解連續(xù)時間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)。下面是一個典型的利用常系數(shù)微分方程來求解系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，并通過MATLAB來進行仿真的例子。

已知系統(tǒng)的微分方程為endprint