“信號與系統(tǒng)”課程可視化實驗教學的平臺設計

談玲瓏，蘇寧馨，張 帆

（安徽新華學院 電子通信工程學院，安徽 合肥230088）

“信號與系統(tǒng)”是通信工程、電子信息工程、電子科學與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)必修課，作為信號處理課程群的基礎(chǔ)課程，地位非常重要。“信號與系統(tǒng)”課程理論性較強、對數(shù)學基礎(chǔ)要求較高。從實驗條件來看，以安徽新華學院信號與系統(tǒng)實驗室為例，《信號與系統(tǒng)》實驗室配有15套基礎(chǔ)實驗儀器，按每班50～60人分配，每組3～4人，這就導致有學生在規(guī)定的時間、地點不能全程參與到實驗過程中，對實驗的原理、步驟、結(jié)論沒有系統(tǒng)的認識，實驗效果不佳。實驗教學大都排在理論課結(jié)束后，且多數(shù)為驗證性實驗，實驗內(nèi)容較少且較簡單，不能完全做到與教材的配套。由于實驗儀器使用年限較長，部分芯片老化，導致有的實驗結(jié)果與理論誤差太大，實驗難度加大，準確性不高。

傳統(tǒng)的實驗教學方法缺少互動性和實時更新功能，學生們學到的僅限于實驗指導書中的內(nèi)容，學生難以融入到教學過程中，互動性受到限制，信號與系統(tǒng)實驗教學急需一種可視化交互教學手段。為滿足在驗證性實驗基礎(chǔ)上學生對設計性實驗探索的需求，提出一種基于MATLAB/SIMULINK的可視化實驗教學平臺，培養(yǎng)學生解決系統(tǒng)問題的綜合能力。

一、實驗平臺設計

針對“信號與系統(tǒng)”課程實驗教學中存在的問題，為提高實驗效果，提高學生學習積極性，本平臺采用MATLAB GUI搭建圖形用戶仿真界面，用SIMULINK搭建仿真系統(tǒng)，將實驗中的復雜內(nèi)部原理以可視化的模塊展示出來，并借助圖形的方式呈現(xiàn)仿真結(jié)果。

（一）設計思想與結(jié)構(gòu)

設計本平臺的目的是對信號系統(tǒng)課程中重要內(nèi)容進行動態(tài)仿真，在設計用戶交互界面時，充分考慮到學生用戶體驗效果，從學生的角度出發(fā)制作界面結(jié)構(gòu)圖。在MATLAB GUI交互界面中搭建靜態(tài)界面，然后對每個功能按鈕編寫回調(diào)函數(shù)，使界面轉(zhuǎn)換為動態(tài)界面［1-4］。在對一些復雜系統(tǒng)的實驗過程中，可在SIMULINK搭建好基本的系統(tǒng)模型，學生在實驗過程中，可根據(jù)需求設計完善系統(tǒng)、調(diào)整參數(shù)設置、結(jié)果顯示等操作，最大化拓寬學生自主設計空間。

該實驗教學平臺設計出十四個仿真模塊，其中前十三個實驗為模擬仿真實驗，分別是：信號的時域表示、信號的基本運算、連續(xù)時間系統(tǒng)的沖擊響應和單位階躍響應、二階系統(tǒng)的模擬、系統(tǒng)的零輸入零狀態(tài)及全響應、線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、信號的無失真?zhèn)鬏敗⑿盘柕牟杉c恢復、幅度調(diào)制與解調(diào)、濾波器頻率特性的研究、信號的分解與合成、周期信號的頻譜表示、LTI系統(tǒng)的頻率響應。這十三個實驗涵蓋了系統(tǒng)與系統(tǒng)課程中主要教學內(nèi)容，包括連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的時間域分析、頻域分析、復頻域分析及Z域分析［5-6］。最后一個仿真模塊設計為開放性實驗，學生可根據(jù)需要自主設計實驗內(nèi)容，在SIMULINK中搭建電路進行仿真，提高學生動手能力，可視化實驗平臺結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1可視化實驗平臺結(jié)構(gòu)

（二）界面功能設計

平臺為獲得更好的用戶體驗效果，采用MATALB GUI搭建可視化交互仿真平臺，該平臺由主界面和各個子界面構(gòu)成［7-9］。

主界面：由進入界面（見圖2）進入系統(tǒng)后，主界面提供各個實驗選項（見圖3），點擊相應的實驗按鈕即可進入該模塊的實驗，在各模塊中也設置了“返回”按鈕，返回到主界面。

圖2 進入界面

圖3 主界面

子界面：在各子界面中根據(jù)各實驗性質(zhì)和實驗內(nèi)容需求，將驗證性實驗用GUI建立交互性圖形界面，在界面中可通過下拉框或選項按鈕選擇不同的信號或參數(shù)，運行結(jié)果直接顯示在界面中，將操作過程可視化。對于設計性和綜合性實驗可采用SIMULINK的可視化框圖設計環(huán)境，實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真、分析。在SIMULINK中根據(jù)實驗內(nèi)容需求選擇相應的仿真領(lǐng)域模塊，在各個模塊中集成了該領(lǐng)域基本的功能框圖，通過鼠標的拖拽和連線操作即可實現(xiàn)系統(tǒng)設計，鼠標雙擊各個功能框圖即可打開參數(shù)設置對話框，根據(jù)設計需求輸入各個參數(shù)，提高實驗操作的靈活性和直觀性，激發(fā)學生探索學習欲望［10-12］。

二、實驗平臺應用實例

以信號采樣與恢復實驗為例，連續(xù)信號x（t）的采樣與恢復示意圖，見圖4。

圖4 信號的采樣與恢復示意

設x（t）的傅氏變換為x(jw)，則經(jīng)采樣后離散信號 x*（t）的傅氏變換為：

式中，ωs為采樣角頻率。

當k=0時，X*(jw)=X(jw)/T，這就是 X*(jw)的主頻譜。一般言之，連續(xù)信號x（t）的頻譜是孤立且?guī)捰邢薜模雌渖舷揞l率ωmax為一有限值，見圖5。

圖5 x*(t)的主頻譜

采樣后的離散信號x*(t)卻具有以采樣角頻率中ωs為周期的無限多個頻譜，見圖6。為使原信號的主頻譜不發(fā)生畸變，則要求圖中的相鄰頻譜間不相重疊，其條件為 ωs≥ωmax。

圖 6 x*(t)的頻譜

如用一個帶寬為0。5ωs的理想低通濾波器就可以濾去除主頻譜外的其它頻譜，從而使x*(t)的主頻譜x*(jw)不失真地得到復現(xiàn)，見圖7。

圖7 理想低通濾波器

運行仿真軟件后進入主界面，點擊 “仿真八”按鈕，進入SIMULINK仿真界面，見圖8。在該界面中可根據(jù)系統(tǒng)設計需求，在原有的系統(tǒng)上進行改進，也可雙擊巴特奧斯低通濾波器框圖，見圖9，或信號源框圖，見圖10，調(diào)出參數(shù)設置框更改參數(shù)，點擊菜單欄“開始運行”圖標，系統(tǒng)即可運行。輸入輸出信號可通過示波器觀測，如雙擊輸入信號示波器框圖即可看到輸入信號波形，見圖11，雙擊抽樣脈沖信號示波器即可看到抽樣脈沖信號，見圖12，雙擊抽樣后信號示波器即可觀察到抽樣后信號，見圖13，雙擊恢復信號示波器即可觀察到恢復信號，見圖14。通過SIMULINK搭建實驗平臺，可實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活設計、參數(shù)的交互式設置、輸入輸出信號的可視化直觀分析。

圖8 “信號采樣與恢復”實驗

圖9 濾波器參數(shù)設置

圖10 信號源參數(shù)設置

圖11 輸入信號

圖12 抽樣脈沖信號

圖13 抽樣后信號

圖14恢復信號

三、結(jié)語

針對信號與系統(tǒng)課程實驗教學中存在的問題，提出了可視化交互仿真平臺，從實驗教學需求、教學知識點分布及學生操作體驗出發(fā)，設計這一軟件仿真平臺，該平臺基于MATLAB GUI和SIMULINK設計實現(xiàn)了交互式、可視化實驗教學系統(tǒng)。在系統(tǒng)投入實驗教學后，通過問卷調(diào)查反饋，學生對該系統(tǒng)很感興趣，如：在信號分解和合成實驗中，學生可在界面中不斷地增加合成信號數(shù)，觀察到合成波的變化情況，將原來深奧難懂的理論，通過圖形直觀體現(xiàn)出來，提高課堂互動性、學生參與度及教學效果。