Matlab在信號(hào)與系統(tǒng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

周云波，劉小群

(寶雞文理學(xué)院物理與信息技術(shù)系，陜西寶雞721013)

信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)本科生的一門(mén)必修專業(yè)基礎(chǔ)課，它是一門(mén)很抽象、理論和實(shí)踐結(jié)合緊密的學(xué)科，因此實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中占有十分重要的作用。通過(guò)本門(mén)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠熟練掌握信號(hào)的表示、運(yùn)算，了解系統(tǒng)的性質(zhì)及表示;掌握系統(tǒng)的時(shí)域分析和變換域的分析方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐，使學(xué)生能夠?qū)⑿盘?hào)與系統(tǒng)分析的基本原理、方法與應(yīng)用直接聯(lián)系起來(lái)，鞏固和加深對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》理論教學(xué)中重要概念和理論的理解［1］。我們目前設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:(1)電信號(hào)的分解與合成;(2)信號(hào)的抽樣與恢復(fù);(3)連續(xù)系統(tǒng)的模擬與仿真;(4)連續(xù)信號(hào)的傅里葉分析。從開(kāi)設(shè)項(xiàng)目看遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需要。為了充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，讓學(xué)生能夠自主選擇實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與時(shí)間，從而激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，提高學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。近幾年各高校都開(kāi)設(shè)了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，為了配合信號(hào)與系統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課的理論教學(xué)，我們?cè)陔娮有畔⒖茖W(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中安排了信號(hào)與系統(tǒng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)課，主要是針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行綜合訓(xùn)練，以使學(xué)生鞏固所學(xué)的知識(shí)，加強(qiáng)理論和實(shí)際結(jié)合的能力，培養(yǎng)其綜合設(shè)計(jì)能力與實(shí)際應(yīng)用能力。由于學(xué)生要自選題目，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備提出了很高的要求，利用Matlab軟件開(kāi)設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目、內(nèi)容和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克服了實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的矛盾。

1 Matlab的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)舉例

Matlab語(yǔ)言是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語(yǔ)言，其功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)、編程效率高，深受廣大科技工作者的歡迎［2］。針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程特點(diǎn)利用Matlab開(kāi)設(shè)一些開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)各章節(jié)學(xué)習(xí)情況自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定題目，自己設(shè)計(jì)程序，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，收到了良好的效果。下面是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)例子，對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1.1 傅里葉分析

有一信號(hào)x由三種不同頻率的正弦信號(hào)混合而成，通過(guò)得到信號(hào)的DFT，確定出信號(hào)的頻率及其強(qiáng)度關(guān)系。參考程序如下:

t=0:1/119:1;

x=5*sin(2*pi*20*t)+sin(2*pi*30*t)+sin(2*pi*45*t);

y=fft(x);

m=abs(y);

f=(0:length(y) －1)’*119/length(y);

figure(1)

subplot(2，1，1)，plot(t，x)，grid on

title(‘多頻率混合信號(hào)’)

ylabel(‘Inputitx’)，xlabel(‘Time’)

subplot(2，1，2)，plot(f，m)

ylabel(‘Abs.Magnitude’)，grid on

xlabel(‘Frequency(Hertz)’) 運(yùn)行結(jié)果如圖1所示:

圖1 多頻率混合信號(hào)與幅頻特性圖

1.2 對(duì)數(shù)字濾波器

? b=［0.2 0.3 1］

? a=［1 0.4 1］

? freqz(b，a，128) 幅頻特性

? y=tf(b，a)傳遞函數(shù)

?impulse(y)脈沖響應(yīng)

運(yùn)行結(jié)果如圖2所示，接著上面繼續(xù)做:

? x=［1 2 －1 2］

? z=filter(b，a，x)

運(yùn)行結(jié)果如圖3所示:

圖2 幅頻特性與相頻特性圖

圖3 濾波后幅頻與相頻特性圖

2 結(jié)論

在信號(hào)與系統(tǒng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Matlab軟件，可以對(duì)課程中理論知識(shí)系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試和驗(yàn)證。利用Matlab軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形功能，可以簡(jiǎn)便高效地解決傳統(tǒng)教學(xué)方法中的授課難點(diǎn)，又能解決一些硬件實(shí)驗(yàn)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的可視化分析。經(jīng)過(guò)Matlab編程實(shí)踐，可以將學(xué)生從傳統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的計(jì)算中解脫出來(lái)，從而讓學(xué)生將重點(diǎn)放在對(duì)概念、原理的理解和實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的理論與實(shí)踐教學(xué)具有重要的實(shí)際意義。筆者在電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)07，08級(jí)采用Matlab進(jìn)行信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練使學(xué)生逐步由基本理論過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多層次，多方式教學(xué)的全面訓(xùn)練后，學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深了《信號(hào)與系統(tǒng)》的理論知識(shí)，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)掌握分析和處理問(wèn)題的方法，理論聯(lián)系實(shí)際，能排除簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)故障，認(rèn)真觀察現(xiàn)象，正確地讀取數(shù)據(jù)，描繪波形并加以檢查和判斷。正確地書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，繪制曲線和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生很快掌握了編程方法和解決實(shí)際問(wèn)題的技巧，取得了良好的教學(xué)效果。

［1］王紅梅，黃華飛，唐春霞.MATLAB軟件在信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用［J］.廣西輕工業(yè)，2007(6):55－56.

［2］姚曼.基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究［J］.硅谷，2010(15):157－158.