基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺的設計

侯鵬亮， 林其斌

隨著我校“培養(yǎng)應用型本科人才，服務地方經(jīng)濟發(fā)展”的人才培養(yǎng)模式的確立，機電學院肩負著培養(yǎng)應用型人才的重任，要改變以往只注重理論不重視實驗的教學模式，加大實驗環(huán)節(jié)在教學過程中的比例?！靶盘柵c系統(tǒng)”是我院電子信息工程、電子科學與技術(shù)和自動化專業(yè)的必修課，也是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其對學生的數(shù)學知識要求也比較高，特別是傅氏變換、拉氏變換、差分方程和微分方程等內(nèi)容[1]。這門課能否學好將直接影響后續(xù)對“數(shù)字信號處理”和“通信原理”的學習。同時該課程還是許多學?？佳腥雽W考試的必考科目，如果這門課沒有學好將增加學生考試的困難，將直接影響學生的考研結(jié)果。

“信號與系統(tǒng)”對數(shù)學知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識要求特別高，計算復雜，概念抽象不容易理解，教學方式單一，計算結(jié)果只是一堆數(shù)學公式，看不到實體的效果，這些因素造成了“信號與系統(tǒng)”這門課成了難學、不容易理解的代名詞。我院“信號與系統(tǒng)”的教學模式是以老師的教學為主，主要依靠老師在課堂上將教學內(nèi)容給予講解，通過在黑板上對復雜的計算過程進行推導，畫出不規(guī)范的波形，增強學生對抽象理論知識的理解[2]；同時也能增強學生對數(shù)學知識的掌握，熟悉具體的計算過程。學生通過做作業(yè)和課后的習題，熟練計算過程，加強對抽象理論、概念的理解，掌握基本的理論知識，有限的實現(xiàn)了教與學的有機結(jié)合。隨著我校教學環(huán)境的改善，利用多媒體教學已經(jīng)成為我院進行課堂教學的主要模式。多媒體教學有利于教師將抽象的理論以圖形、圖像的形式展現(xiàn)出來，增強了學生對抽象理論、概念的理解。但同時也存在有的教師減少了在黑板上對復雜理論知識的推導，導致數(shù)學基礎(chǔ)薄弱的同學無法理解和掌握這些知識，打擊了學生學習的熱情。

如何提高“信號與系統(tǒng)”教學效果一直困擾著我們，近年來隨著MATLAB應用的越來越廣泛，特別是現(xiàn)在許多的教材都引入了MATLAB，通過利用MATLAB軟件來進行“信號與系統(tǒng)”的計算、仿真，可以有效的提高學生的學習熱情，方便的進行人機交流，將抽象的理論、概念直觀的展現(xiàn)出來，增強了公式、概念的可讀性。

1 MATLAB 簡介

MATLAB (Matrix Laboratory ，矩陣實驗室)是由美國Math works公司于1984年推出的。MATLAB即是Matrix + Laboratory，又稱為“矩陣實驗室，其強項就是高效的矩陣計算[3]。MATLAB廣泛應用于電子、航空航天、數(shù)學、計算機、機械和經(jīng)濟學等領(lǐng)域。我國各大院校的相關(guān)專業(yè)都將MATLAB做為專業(yè)的必修課和選修課，增強學生對科學軟件的掌握，為社會輸送合格的人才。我校開設MATLAB的學院有機電學院、數(shù)學學院、計算機學院和經(jīng)管學院，特別是我們學院對電子大類的所有專業(yè)都開設。對學生學習《信號與系統(tǒng)》、《通信原理》和《數(shù)字信號處理》等課程，起到輔助的作用，能夠通過建立仿真模型，形象、直觀的展現(xiàn)抽象的概念和理論知識，加強學生對這些專業(yè)知識的理解，提高學生的學習成績。

MATLAB GUI(Graphical User Interface)即圖形用戶界面，是指由按鈕、列表框、編輯框等用戶界面控件構(gòu)成的應用程序界面[4]。GUI 是一種結(jié)合計算機科學、美學、心理學、行為學，及各商業(yè)領(lǐng)域需求分析的人機系統(tǒng)工程，強調(diào)人-機-環(huán)境三者作為一個系統(tǒng)進行總體設計。

“GUI設計的原則是應力求簡潔、直接、清晰地體現(xiàn)界面的功能和特征。設計的圖形界面要直觀，為此應多采用圖形，而盡量避免數(shù)值。設計界面應盡量減少窗口數(shù)目，力求避免在不同的窗口之間進行來回切換[5]。”本虛擬平臺的設計就是利用MATLAB GUI控件，在一個窗口中完成信號的輸入與輸出同時顯示，力求界面簡單，操作方便，以方便學生使用為宗旨，以提高“信號與系統(tǒng)”的教學效果為最終目的。

2 “信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺的設計

2.1 虛擬實驗平臺的組成

由于“信號與系統(tǒng)”這門課的概念和理論知識太抽象，很不容易理解和掌握，所以通過這個實驗平臺可以讓學生自已動手熟悉和掌握抽象的概念和理論知識，對學生的學習將產(chǎn)生事半功倍的效果。實驗平臺的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 實驗平臺的系統(tǒng)組成

2.2 虛擬實驗平臺的特點

相對于硬件實驗箱，虛擬實驗平臺，具有操作界面簡單、易懂、方便和靈活。教師也可以在上課的時候使用，增強學生對抽象概念和理論知識的理解，提高課堂教學質(zhì)量。課后學生可以自己掌握時間來做實驗，杜絕了硬件實驗對時間的限制和實驗內(nèi)容的限制，學生可以自由掌握，根據(jù)自己的學習情況靈活的選擇實驗的內(nèi)容。

2.3 虛擬實驗平臺主界面的設計

運行MATLAB后，在命令窗口中鍵入GUIDE，進入GUIDE設計向?qū)?，選擇缺省的空白GUI即可。在彈出在新建窗口中拖入1個靜態(tài)文本框(Static Text)和5個按鈕(Push Button)以及一個坐標軸(Axes)。如圖2所示。設置靜態(tài)文本的String為“信號與系統(tǒng)虛擬實驗平臺歡迎你！”，Background Color為淺藍色，F(xiàn)ontSize為22.0，F(xiàn)oreground Color為紅色。依次設置五個按鈕的String為“實驗一基本序列產(chǎn)生”、“實驗二基本信號產(chǎn)生”、“實驗三簡單卷積實驗”、“實驗四傅里葉變換實驗”、“實驗五濾波器設計實驗”。 在上面得到的GUI中，我們繼續(xù)在figure上添加一個pushbutton，修改pushbutton的Units屬性為pixels，將position屬性的width和height分別設置為65和65，點擊運行后的結(jié)果如圖3所示。

圖2 虛擬實驗平臺主界面的設計

圖3 虛擬實驗平臺運行后顯示的主界面

2.4 虛擬實驗平臺子界面的設計

以實驗四為例來說明子界面的設計。從左邊選擇編輯框(Edit Text)這個控件然后拖入窗口中，調(diào)整到合適尺寸，保持整個實驗界面的和諧，讓操作者看起來簡潔直觀。雙擊編輯框，修改屬性，將String設為空，字體由默認的8.0調(diào)為11.0，以便用戶輸入時能清楚地看見自己所輸入的內(nèi)容。點擊GUI菜單欄的Tools，在下拉菜單中選擇GUI options，然后在彈出的GUI options對話框中Resize behavior一欄中不選默認的Non-resizable，下拉選擇第二個備選項Proportional，這樣再運行后就會發(fā)現(xiàn)窗口可調(diào)了。設計好后的實驗四如圖4所示。

圖4 實驗一基本序列產(chǎn)生界面

2.5 虛擬實驗平臺調(diào)試結(jié)果輸出

我們以實驗四傅里葉變換和實驗五濾波器的設計為例來說明虛擬實驗平臺的輸出結(jié)果。在圖3的主界面中，點擊實驗四傅里葉變換實驗按鈕，將彈出如圖4所出的子界面。在方波傅里葉變換的后面方框輸入4時，輸出的波形如圖5(a)所示；在離散傅里葉變換的后面方框輸入2時，輸出的波形如圖5(b)所示。實驗結(jié)束點擊返回按鈕，就可以返回到如圖3所示的虛擬實驗平臺的主界面。點擊實驗五濾波器設計按鈕，就可以進入實驗五的子界面如圖6所示。在低通濾波器的后面方框輸入0.2，則輸出結(jié)果如圖7(a)所示，如果在高通濾波器的后面方框入0.6，則輸出的結(jié)果如圖7(b)所示,點擊返回按鈕將退出子界面，返回到主界面。

圖5 虛擬實驗平臺實驗輸出結(jié)果

圖6 實驗五濾波器的設計界面

圖7 實驗五濾波器的輸出結(jié)果

3 結(jié)論

“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺，界面簡單，操作容易，可以方便教師在進行課堂理論教學時，進行演示，將抽象的概念和理論通過圖示的形式，直觀的展現(xiàn)出來。同時學生也可以利用課余時間，方便的進行實驗和學習。本實驗平臺的原代碼是公開的，教師和學生都可以根據(jù)自己的學習特點，設計符合自己學習特點的“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺。通過在教學的過程中使用“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺，使“信號與系統(tǒng)”這門課的教學效果發(fā)生了明顯的改善，學生的學習成績明顯提高，達到了提高教學質(zhì)量的效果。

[參 考 文 獻]

[1] 張小虹.信號與系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011: 2.

[2] 梁 虹,楊 鑒.基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”計算機輔助教學系統(tǒng)的設計[J].云南大學學報(自然科學版)，2001(23):111.

[3] 鄭阿奇.MATLAB實驗教程(第3版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 谷源濤,應啟珩,鄭君里.信號與系統(tǒng)-MATLAB綜合實驗[M].北京:高等教育出版社,2008:221.

[5] 徐利民,舒君.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實驗教程[M].北京:清華大學出版社,2010:55.