基于MALAB GUI的信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐穎 胡瓊 張會(huì)影

（江蘇省南京市南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 江蘇省南京市 210000）

信號與系統(tǒng)是工科類的一門重要課程 ，以數(shù)學(xué)分析、工程數(shù)學(xué)、電路理論等課程為基礎(chǔ)，在此之上展開更深入的學(xué)習(xí)。同時(shí)，這門課程過于抽象，學(xué)生很難理解透，學(xué)習(xí)起來就顯的動(dòng)力不足，逐漸對課程失去興趣，老師教授起來也頗具難度。在實(shí)驗(yàn)方面，以學(xué)生目前的水平，還無法做到完整的做出實(shí)驗(yàn)，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯的尤為重要。

近年來，許多課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)施都離不開MATLAB，尤其是工科的課程。利用MATLAB GUI，設(shè)計(jì)信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括序列基本計(jì)算、基本信號產(chǎn)生、簡單卷積實(shí)驗(yàn)、傅里葉變換實(shí)驗(yàn)、濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，大大減少了老師的教學(xué)壓力，同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1 MATLAB

Simulink 是MATLAB 中重要的仿真 工具。Simulink 提供圖形編輯器，并且自動(dòng)生成代碼。在輔助教學(xué)中，可利用其進(jìn)行對應(yīng)實(shí)驗(yàn)的仿真，并且仿真結(jié)果可直接導(dǎo)入到MATLAB 中，在此基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更深層的分析，大大減少了老師的工作量。Simulink 擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，對于仿真有深刻的確定性。學(xué)生只需簡單學(xué)習(xí)操作步驟，就能直接進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了大量的時(shí)間。

2 圖形用戶界面

GUI，圖形用戶界面，是由普通按鈕，靜態(tài)文本，可編輯文本，坐標(biāo)區(qū)等控件組成的應(yīng)用程序界面。在命令窗口中輸入“guide”命令，進(jìn)入到GUI 設(shè)計(jì)窗口中，選擇所需要的控件設(shè)置界面，通過改變控件的屬性達(dá)到目的。設(shè)置成功后返回到MATLAB 界面，代碼自動(dòng)生成。

設(shè)計(jì)GUI 應(yīng)力求簡潔明了，清晰大方，多采用圖形，避免數(shù)值。在主界面上最好設(shè)置直達(dá)按鈕，可直接進(jìn)入到子界面。同時(shí)，子界面設(shè)置返回按鈕，可直接返回上一界面，不需要重新打開。本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面清楚，操作方便，結(jié)果明了，可直接輔助教學(xué)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)

基于MATLAB GUI 的信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括序列基本計(jì)算、基本信號產(chǎn)生、簡單卷積實(shí)驗(yàn)、傅里葉變換實(shí)驗(yàn)、濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)五個(gè)主要板塊。其中序列基本計(jì)算板塊包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數(shù)序列、序列卷積?；拘盘柈a(chǎn)生模塊包括正弦信號、指數(shù)信號、單位沖激信號。簡單卷積實(shí)驗(yàn)板塊包括卷積實(shí)驗(yàn)。傅里葉變換板塊包括方波傅里葉分析、離散傅里葉變換。濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板塊包括低通FIR 濾波器和高通FIR 濾波器。五個(gè)主要板塊對應(yīng)五個(gè)子界面，編寫控件的回調(diào)函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)控件相應(yīng)的功能。編寫主界面的回調(diào)函數(shù)，建立主界面和各個(gè)子界面之間的連接。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

3.2 信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分部框架設(shè)計(jì)

圖1：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)組成

圖2：框架設(shè)計(jì)

框架設(shè)計(jì)如圖2 所示。

3.3 設(shè)計(jì)步驟

（1）運(yùn)用GUI 的設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的主界面，主界面包含了五個(gè)大的實(shí)驗(yàn)板塊，分別設(shè)計(jì)出五個(gè)板塊，板塊設(shè)計(jì)直奔主題即可，不需要將文字進(jìn)行美化。再分別設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的子界面，相對于主界面，子界面的設(shè)計(jì)多了可編輯文本框，返回按鈕。

（2）對系統(tǒng)主界面和子界面的各個(gè)控件進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的編寫，點(diǎn)擊對應(yīng)按鈕即可進(jìn)入到對應(yīng)的界面，點(diǎn)擊子界面上的返回按鈕，可返回到上一界面 。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，對其進(jìn)行分析。

（3）編寫主界面的回調(diào)函數(shù)，將子界面嵌入到主界面中，通過主界面直接進(jìn)入到子界面。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

4.1 主界面設(shè)計(jì)

如圖3 所示。

圖3：信號與系統(tǒng)主界面

在MATLAB 命令窗口中輸入’guide’指令，進(jìn)入GUI 設(shè)計(jì)窗口。在新建窗口中分別拖入一個(gè)靜態(tài)文本和五個(gè)普通按鈕。靜態(tài)文本的String 為“信號與系統(tǒng)”。背景顏色根據(jù)個(gè)人愛好設(shè)置，例如圖2 的淡粉色。五個(gè)普通按鈕的String 設(shè)置依次為“序列基本產(chǎn)生”，“基本信號產(chǎn)生”，“簡單卷積實(shí)驗(yàn)”，“傅里葉變換實(shí)驗(yàn)”，“濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”。

4.2 功能模塊界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含五個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有相對應(yīng)的按鈕，點(diǎn)擊對應(yīng)的按鈕，即可進(jìn)入到對應(yīng)的界面。同時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的界面都設(shè)置了返回按鈕，可直接返回到主界面。以打開序列基本計(jì)算子界面為例，如圖4 所示。

序列基本計(jì)算實(shí)驗(yàn)包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數(shù)序列、序列卷積，點(diǎn)擊對應(yīng)的按鈕即可出現(xiàn)對應(yīng)的圖像。

4.2.1 單位脈沖序列

在按鈕對應(yīng)的可編輯的文本框中輸入位移量，當(dāng)輸入位移量時(shí)，相應(yīng)圖像會(huì)顯示出來。由于單位脈沖響應(yīng)的特殊性，只在n=0 處有定義，并且值始終為1。

（1）單位脈沖序列算法原理

脈沖信號：

令ε →0，即得脈沖信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

單位脈沖響應(yīng)系統(tǒng)對單位脈沖輸入的響應(yīng)，也稱作記憶函數(shù)。其定義為：

4.2.2 單位階躍序列

在按鈕對應(yīng)的可編輯的文本框中輸入位移量，當(dāng)輸入位移量時(shí)，圖像可顯示出來。

（2）單位階躍序列算法原理

一個(gè)LTI 系統(tǒng)，以單位階躍信號u(t)作激勵(lì)，系統(tǒng)產(chǎn)生的零狀態(tài)響應(yīng)稱為“單位階躍響應(yīng)”或簡稱“階躍響應(yīng)”，以g(t)表示。單位階躍函數(shù)屬于典型輸入信號，其定義為：

由定義可以看出，單位階躍函數(shù)在t=0 這一點(diǎn)是不連續(xù)的。

4.2.3 指數(shù)序列

（3）指數(shù)序列算法原理

連續(xù)指數(shù)信號的一般表示為：

分以下三種情況討論。

當(dāng) 都是實(shí)數(shù)，f(t)為實(shí)指數(shù)信號。

4.2.4 序列卷積

在按鈕對應(yīng)的可編輯文本框中輸入卷積幅度，當(dāng)輸入卷積幅度時(shí)，圖像可顯示出來。

（4）序列卷積算法原理

任意時(shí)間序列x(n)可表示為δ(n)的加權(quán)移位之線性關(guān)系組合：

公式表明：任意兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行卷積，其卷積積分為：

5 系統(tǒng)特征分析

操作簡單，界面友好。老師通過平臺(tái)教學(xué)，降低了復(fù)雜度，學(xué)生通過平臺(tái)直接主觀感受，更容易聽懂。以繁化簡，同時(shí)節(jié)省了老師和學(xué)生的時(shí)間。

系統(tǒng)內(nèi)容豐富。該系統(tǒng)涵蓋了信號與系統(tǒng)這門課程的主要內(nèi)容，擴(kuò)展性強(qiáng)，老師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改動(dòng)，以此達(dá)到更好的教學(xué)效果。

系統(tǒng)靈活性強(qiáng)。界面設(shè)計(jì)通俗易懂，完全可以按照教學(xué)要求直接進(jìn)入界面，功能穩(wěn)定，運(yùn)行速度快。

6 結(jié)語

信號與系統(tǒng)這門課程知識點(diǎn)繁雜，晦澀難懂，學(xué)生為此感到枯燥乏味?；诖?，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)融合了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得學(xué)生學(xué)起來輕松不少。教學(xué)過程中，通過畫面展示，加深印象，使學(xué)生有更深刻的理解，從而提高課堂質(zhì)量和效率，培養(yǎng)學(xué)生的思維能里。教師不需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)，直接使用畫面展示，且數(shù)字可以隨意更改，使得計(jì)算結(jié)果更具對比性，大大減少了工作量。