基于Android系統(tǒng)的信號仿真APP的設(shè)計與實現(xiàn)

李天賦 朱齊媛

摘要 教育產(chǎn)業(yè)逐步緊跟時代發(fā)展潮流，面向現(xiàn)代化、便利化、高效化、大眾化發(fā)展。經(jīng)過分析當今信號與系統(tǒng)學科的學習現(xiàn)狀和需求，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+發(fā)展趨勢，運用移動互聯(lián)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于Android系統(tǒng)的信號仿真APP，對學生了解并且深入學習信號與系統(tǒng)課程帶來更加便捷的途徑。解決學生在學習中因為實驗硬軟件的限制不能深入學習的問題，為學生提供可移動、方便、快捷的服務(wù)，將學習變?yōu)檎嬲碾S時隨地、 “隨心所欲”。

【關(guān)鍵詞】Android APP 信號與系統(tǒng) 移動互聯(lián)網(wǎng)

在模擬電路、數(shù)字電路以及信號與系統(tǒng)等課程的學習中，不單單需要學習理論知識，同時需要掌握相關(guān)計算機的軟件作為輔助學習的方法或者手段，這樣理性和感性的學習，可以更加有效提高學生學習的積極性以及最大程度提升學習的效果。目前常見的電子線路仿真軟件主要有Proteus、Labview、Matlab等等……隨著信息技術(shù)日新月異的發(fā)展，相關(guān)軟件的熟悉、靈活運用對于學生理解并掌握相關(guān)技術(shù)課程來說至關(guān)重要，然而計算機差強人意的移動性以及軟件本身的復雜性會給學生的使用帶來諸多不便。

現(xiàn)代移動技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，從各個角度影響著社會的進步和發(fā)展，近幾年手機APP的發(fā)展，極大程度的豐富了手機應(yīng)用的市場，另外在教育教學領(lǐng)域也開始有了APP的身影并且未來的發(fā)展不可限量。一款基于智能手機平臺功能強大的APP可隨時隨地進行信號與系統(tǒng)等課程的實驗，為學生提供可移動、方便、高效、快捷的服務(wù)，將學習變?yōu)檎嬲碾S時隨地、“隨心所欲”，在移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展快速的今天，利用碎片化的“微學習”儼然已經(jīng)成為了一股熱流。

1 基于Android系統(tǒng)的信號仿真APP主要實現(xiàn)的功能以及功能分析

1.1 基本信號（脈沖函數(shù)、三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)……）

這些主要是信號與系統(tǒng)課程教學中的核心函數(shù)，作為信號仿真體系中的主要函數(shù)、基本函數(shù)，可以構(gòu)成系統(tǒng)仿真所需的任意函數(shù)，至此看出，這類函數(shù)的重要性，所以在設(shè)計APP的基礎(chǔ)信號中，首要考慮的就是類似于脈沖函數(shù)、三角函數(shù)、高斯函數(shù)及指數(shù)函數(shù)等基礎(chǔ)函數(shù)。

1.2 線性時不變系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和卷積

線性時不變系統(tǒng)，它是信號與系統(tǒng)的重要組成部分，是構(gòu)成系統(tǒng)分析的關(guān)鍵部分。在現(xiàn)代系統(tǒng)體系里，絕大多數(shù)的系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)，但是線性系統(tǒng)研究是夠成非線性系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，通過對線性系統(tǒng)的分析和學習可以有效的提高對非線性系統(tǒng)的認識，可以在最大程度上幫助非線性系統(tǒng)的分解分析和處理。線性系統(tǒng)滿足可加性和齊次性，可以通過這個條件判斷系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)。同樣，時不變特性也是信號與系統(tǒng)學習中非常重要的一個特性。其特點是就是系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間而變化，即不管輸入信號作用的時間先后，輸出信號響應(yīng)的形狀均相同，僅是從出現(xiàn)的時間不同。

卷積運算，它是廣義函數(shù)和泛函分析中的重要組成部分，是一種積分變換的數(shù)學方法，在許多方面都有廣泛的應(yīng)用，特別是在信號與系統(tǒng)的本科教學中，整門課程的安排針對信號和系統(tǒng)里的基本函數(shù)和基本運算的介紹大約為全部理論的20%，剩余的80%基本上都是圍繞著卷積運算展開和延拓的。

1.3 傅里葉級數(shù)

任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示，這稱為傅里葉級數(shù)，是一種特殊的三角級數(shù)。傅里葉級數(shù)具有正交性、收斂性和奇偶性，其中收斂性要滿足狄利赫里條件：在任何周期內(nèi)，x（t）須絕對可積;在任一有限區(qū)間中，x（t）只能取有限個最大值或最小值;在任何有限區(qū)間上，x（t）只能有有限個第一類間斷點。引入傅立葉級數(shù)復指數(shù)形式的好處有二：

（1）復數(shù)振幅同時描述了第n次諧波的振幅An和初相角Ⅷ;

（2）為研究信號的頻譜提供了路徑和有效支持。

l.4 連續(xù)時間的傅里葉變換

連續(xù)時間的傅里葉變換是一個特殊的把一組函數(shù)映射為另一組函數(shù)的線性式子。傅里葉變換主要是將時域上的信號轉(zhuǎn)化為頻域上分析，由于實際中的信號是由有用信號和噪聲組合成的，轉(zhuǎn)換到頻域上，能夠進行頻譜分析，從而在頻譜中把兩者區(qū)分開，從而更好的分析我們研究的信號。傅里葉原理表明，任何連續(xù)的信號都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅立葉變換算法利用直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。

l.5 數(shù)字信號的合成以及信號的轉(zhuǎn)換

在數(shù)字信號的合成過程中，主要是以頻率合成技術(shù)為主。一個電子性能的好壞，主要取決于信號源性能的好壞。頻率合成理論自20世紀30年代被提出來以后，已經(jīng)逐步發(fā)展為以下四種技術(shù)：直接頻率合成技術(shù)、鎖相頻率合成技術(shù)、混合式頻率合成技術(shù)和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)。數(shù)字信號的合成技術(shù)在通信、雷達、廣播、導航等領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用。信號的轉(zhuǎn)換是將當前信號轉(zhuǎn)化為所需的信號，方便進行信號的處理、研究，目前可以將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號等等，根據(jù)自己的需要而選擇不同的轉(zhuǎn)換器，從而實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

2 APP客戶端的設(shè)計與功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

如表1所示，根據(jù)系統(tǒng)分析，系統(tǒng)的信號仿真平臺由用戶界面（客戶層）和控制信號生成（應(yīng)用層）兩部分組成，通過android studio開發(fā)平臺，對xml布局文件編寫調(diào)整形成直觀的用戶界面，調(diào)用MPAndroidChart圖表庫生成相應(yīng)的圖形界面;運用JNI技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用層功能。客戶層主要用于與客戶的信息交互，信息顯示以及簡單的信息處理;應(yīng)用層主要負責將客戶反饋的信息進行功能的實現(xiàn)，例如客戶想要實現(xiàn)一個三角函數(shù)信號，觸發(fā)點擊事件后，經(jīng)過處理數(shù)據(jù)，運行指定代碼，實現(xiàn)信號生成。通過這樣的方法，讓客戶更加直觀明了的認識該APP的功能，更加方便快捷的滿足客戶要求。

2.2 功能設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 界面設(shè)計

界面采用直接抽屜盒展示內(nèi)容的方式，清晰的將基本信號、線性時不變系統(tǒng)和卷積、傅里葉級數(shù)、傅里葉變換和數(shù)字信號及轉(zhuǎn)換的功能呈現(xiàn)在客戶面前，界面簡潔，增添搜索欄，讓客戶更容易上手，使用起來方便快捷。部分界面如圖l所示。

2.2.2 部分功能設(shè)計

設(shè)計過程：

matlab信號實現(xiàn)一>分析信號圖像一>生成C代碼一>導入c/.h文件一>調(diào)用AndroidNative Development Kit （NDK）方法一>信號實現(xiàn)。

以脈沖函數(shù)為例：

（1） matlab源碼：

function [xl]=Lab3_l（a，Delta）

FO：Delta：8-Delta;

xl=a*[ones（l，round（4/Delta》zeros（l，round（4/Delta》];

plot（t，xl）;

（2）生成信號圖像分析，如圖2所示。

（3）生成C代碼（部分），如下所示：

static float rt_roundf_snf（float u）{

floaty;

if《fioat） fabs（u）< 8.388608E+6F）{

if（u>=0 5F）{

y= （float） floor（u+ 0.5F）;

） else if（u>-0.5F）{

y=U * 0.OF;

） else{

y= （fioat） ceil（u - 0.5F）;

）

，else{

y=U;

）

returny;

}

（4）導入源文件和頭文件，如圖3所示。

（5） Android Native Development Kit（NDK）方法調(diào)用代碼（部分），如下所示：

JNIEXPORT jobjecrArray JNICALL

Java com xqdd function ldiagramfragment_ funcrions_basic_l signalImpulseFragment_impulse（JNIEnv *env， jobjectinstance，jfloat a，jfloat delta）{

Lab3_ljnitialize（）;

emxArray_reaI32_T *xl;

emxInitArray_rea132_T（&xl， 2）;

}

3 APP系統(tǒng)測試與仿真

APP系統(tǒng)測試與仿真如圖4、圖5、圖6所示。

4 結(jié)語

當今，我們的生活已經(jīng)無法離開網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)無處不在，一種新的模式興起，必定會對傳統(tǒng)模式形成沖擊。教育也不例外，傳統(tǒng)的教育教學模式已經(jīng)無法滿足人們迫切獲取知識的訴求。提高學生自學能力和動手能力是各大高校所亟待解決的問題，但是由于教學資源的限制和制約，不能很好的滿足學生的需求，于是打破傳統(tǒng)的教學方式，運用互聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮學生的思維能力，提高動手能力的移動教學APP應(yīng)運而生。

項目將進一步研究和開發(fā)實現(xiàn)以下目標：進一步完善信號與系統(tǒng)課程的全部函數(shù)功能、最大程度的實現(xiàn)界面人性化、將互聯(lián)網(wǎng)+教育帶進各大高校和課堂、打造碎片化的“微學習”新模式。

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