MATLAB在信號與系統(tǒng)課程教學中的應(yīng)用研究*

郭建英

(河南大學濮陽工學院,河南 濮陽 457000)

0 引言

信號與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)核心課，主要講解信號與系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立、分析和設(shè)計。該課程的學習要求具備扎實的高等數(shù)學、電路分析基礎(chǔ)。學習過程中會有大量的數(shù)學推導(dǎo)，被稱為專業(yè)課中的數(shù)學課，所以學生學習過程中會感到枯燥、積極性不高。另外，課程中的每個數(shù)學模型和計算，都具有相應(yīng)的物理模型和信號處理過程，只有理解了每個數(shù)學計算的物理含義，才能真正將該課程學好。為此，將概念和計算過程形象化、可視化是提高該課程學習效率、激發(fā)學生學習積極性的有效辦法。

MATLAB是一種將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程特性以及圖形用戶界面完美地結(jié)合到一起的軟件。在圖形可視化方面，MATLAB提供了大量繪圖函數(shù)，方便用戶進行圖形繪制。由于該軟件簡單易學，容易實現(xiàn)，目前多個院校已經(jīng)將MATLAB應(yīng)用于信號與系統(tǒng)的課堂教學中[1-5]。但是已有研究都是使用MATLAB語言，對信號與系統(tǒng)中的理論推導(dǎo)、計算繪圖、典型實驗進行了分析和研究，沒有結(jié)合用戶圖形界面且不具有普遍性，為此，文中利用MATLAB的用戶圖形界面建立一種基于MATLAB的LTI系統(tǒng)仿真分析平臺，利用MATLAB強大的信號處理能力及集成的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境設(shè)計和實現(xiàn)一個圖形用戶界面。該界面包括典型連續(xù)時間信號的實現(xiàn)，信號的基本運算，系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)的輸出波形、沖激響應(yīng)的輸出波形、階躍響應(yīng)的輸出波形，零極點分布圖以及系統(tǒng)的頻響特性等。

1 系統(tǒng)分析用戶界面

界面布局設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，界面的模塊主要是根據(jù)信號與系統(tǒng)分析的內(nèi)容結(jié)構(gòu)來進行劃分，各模塊所包含的主要內(nèi)容在人機界面中均進行了可視化實現(xiàn)。各界面的設(shè)計主要采用了彈出式菜單欄、靜態(tài)文本框、列表框、按鈕、可編輯文本框和坐標軸等控件來實現(xiàn)一些功能。各個控件的功能通過編寫其相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)。

1.1 主界面設(shè)置

主界面是軟件開始運行時的界面，也是進入系統(tǒng)分析的各個子界面的接口，主要分為典型連續(xù)時間信號的實現(xiàn)、信號的運算、系統(tǒng)響應(yīng)分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析以及系統(tǒng)的頻響特性五部分內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 主界面

其背景設(shè)置程序為：

ha=axes(′units′,′normalized′,′pos’,[0 0 1 1]);

uistack(ha,′down′);

ii=imread(′1.jpg’);

image(ii);

colormap gray

set(ha,′handlevisibility′,′off′,′visible′,′off′);

1.2 子界面設(shè)置

各子界面中都設(shè)置了一個“返回上一級按鈕”和“退出系統(tǒng)”按鈕，方便我們在不同界面之間轉(zhuǎn)換。這里“返回上一級時”調(diào)用了問題會話框，可以選擇返回或留在當前界面，如圖2所示?！巴顺鱿到y(tǒng)”按鈕則直接退出界面。

圖2 返回界面

子界面1：“典型信號連續(xù)時間信號的實現(xiàn)”可以產(chǎn)生單位階躍信號、正弦信號、抽樣信號、實指數(shù)信號、矩形脈沖信號、周期方波信號以及周期三角波信號(均選取特殊值作為信號的參數(shù))。該界面設(shè)置了一個彈出式菜單欄來供我們選擇信號，部分信號的波形如圖3所示。

圖3 典型信號產(chǎn)生

子界面2：“信號的運算”子界面實現(xiàn)了正余弦信號的相加、相乘和矩形脈沖信號與指數(shù)信號的卷積三部分內(nèi)容。該界面中可以通過彈出式菜單欄來選擇運算方式，各運算的輸出波形如圖4所示。

子界面3：“系統(tǒng)響應(yīng)分析”子界面包括系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)分析、沖激響應(yīng)分析和階躍響應(yīng)分析三部分內(nèi)容，其中零狀態(tài)響應(yīng)考慮了初值問題。該界面設(shè)置了一個錯誤對話框來判別鍵盤輸入的值是否為數(shù)字、是否為空值，對話框及各運算的輸出波形如圖5所示。

圖4 信號基本運算

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)分析

子界面4：“系統(tǒng)穩(wěn)定性分析”包括零極點分布和零極點分布與沖激響應(yīng)的關(guān)系兩部分內(nèi)容，通過設(shè)置不同的參數(shù)值，就會得到相應(yīng)的波形。觀察零極點分布就可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。程序沒有對其設(shè)置默認參數(shù)，當這些參數(shù)為空或輸入的不是數(shù)字時系統(tǒng)會彈出錯誤對話框，各部分的輸出波形如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

子界面5：“系統(tǒng)的頻響特性”界面可以通過設(shè)置不同的參數(shù)值，得到相應(yīng)的系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)的頻響特性

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種MATLAB的用戶圖形界面LTI系統(tǒng)仿真分析平臺，該平臺可以實現(xiàn)典型連續(xù)時間信號的實現(xiàn)，信號的基本運算，系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)的輸出波形、沖激響應(yīng)的輸出波形、階躍響應(yīng)的輸出波形，零極點分布圖以及系統(tǒng)的頻響特性等。該平臺應(yīng)用到信號與系統(tǒng)的教學中，可以有效提高教學效率，幫助學生理解抽象定義，激發(fā)學生學習興趣。