基于MATLAB的《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)研究

侯大有　陳萬瓊　張巖　韓波　譚拂曉

摘要：《信號(hào)與系統(tǒng)》課程在信息工程類教學(xué)過程中起到承上啟下的作用，該文主要針對(duì)在教學(xué)過程中存在的問題，提出以下兩點(diǎn)改進(jìn)，在理論教學(xué)過程中結(jié)合MATLAB軟件，實(shí)現(xiàn)“畫面化”教學(xué)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采取硬件試驗(yàn)箱與MATLAB軟件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合。通過使用MATLAB實(shí)現(xiàn)基本信號(hào)的表示，求解系統(tǒng)的沖激響應(yīng)、階躍及零狀態(tài)響應(yīng)，周期與非周期信號(hào)傅里葉變換，方波合成等試驗(yàn)實(shí)例，說明該課程引入MATLAB，使教學(xué)內(nèi)容更具“畫面感”，實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容更具融會(huì)貫通的作用，教學(xué)效率顯著提高。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；MATLAB軟件；零狀態(tài)響應(yīng)；傅里葉變換

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）06-0089-03

1引言

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程是信息工程、通信工程類專業(yè)一門必修專業(yè)核心課程，在學(xué)生專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)中起關(guān)鍵作用。該課程主要涉及信號(hào)基本表達(dá)與系統(tǒng)的概念，信號(hào)時(shí)域分析，傅里葉變換，拉普拉斯變換等內(nèi)容，其典型的特點(diǎn)就是課程內(nèi)容比較抽象，對(duì)學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)要求很高，因此學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，同時(shí)課堂中對(duì)理論及公式以板書形式反復(fù)推導(dǎo)增加了學(xué)生的枯燥乏味感。

本文一方面MATLAB與理論教學(xué)結(jié)合，通過引入MAT-LAB軟件改進(jìn)教學(xué)方法，將抽象的信號(hào)轉(zhuǎn)化成“可視化”的概念，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生“畫面感”，再結(jié)合電子課件和板書推導(dǎo)，提高大家的學(xué)習(xí)興趣。

另一方面MATLAB與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，采取硬件試驗(yàn)箱與MATLAB軟件分析相驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)形式，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合，融會(huì)貫通課堂上講解的理論知識(shí)，以下通過幾個(gè)實(shí)例說明在實(shí)際教學(xué)中的具體實(shí)踐。

2 MATLAB與理論教學(xué)結(jié)合

MATLAB是一種數(shù)學(xué)軟件，在數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算上有強(qiáng)大的功能體現(xiàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的畫面化和系統(tǒng)分析提供了強(qiáng)大的幫助。

2.1基本信號(hào)的表示

典型信號(hào)的描述屬于《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的導(dǎo)人部分，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣尤為重要。在教學(xué)過程中采用傳統(tǒng)的黑板以及電子課件教學(xué)，學(xué)生只能理解其數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過MATLAB能夠繪制出不同基本信號(hào)的圖形，讓學(xué)生更加深刻理解其概念。以下給出了四種基本信號(hào)的圖形使學(xué)生對(duì)其有更加直觀感受。

2.2系統(tǒng)沖激響、階躍和零狀態(tài)響應(yīng)的求解

在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析過程中，傳統(tǒng)的教學(xué)其計(jì)算過程偏數(shù)學(xué)化，系統(tǒng)的響應(yīng)求解也都是公式計(jì)算得到的，這樣增加了學(xué)習(xí)難度，從而導(dǎo)致丟失學(xué)習(xí)興趣。通過MATLAB讓學(xué)生理解系統(tǒng)的概念又能很方便的求解出系統(tǒng)的響應(yīng)。下面給出了鄭君里老師主編的《信號(hào)與系統(tǒng)》中例2-9的MATLAB求解。

2.3周期與非周期信號(hào)的傅里葉變換

從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域是信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)。如何讓學(xué)生更好地去理解頻域，傳統(tǒng)的教學(xué)只是通過理論公式推導(dǎo)，學(xué)生難以理解。以下通過MATLAB描繪出非周期與周期信號(hào)的頻譜圖。

3 MATLAB與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合

通過MATLAB與課堂教學(xué)結(jié)合，學(xué)生更加直觀的“看見”信號(hào)，如何讓學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合，僅僅靠試驗(yàn)箱的操作并不能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。通過與MATLAB可視化編程語言環(huán)境下做信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，與硬件實(shí)驗(yàn)相驗(yàn)證，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。以下給出了通過硬件試驗(yàn)箱得出的方波（圖4中方波信號(hào)）合成實(shí)驗(yàn)，并與通過MATLAB編程得出的方波合成實(shí)驗(yàn)相對(duì)比。

3.1方波信號(hào)合成實(shí)驗(yàn)

方波信號(hào)頻率f=100Hz，幅值為4V。分別選取了3次諧波（a），7次諧波（b），9次諧波（c）疊加對(duì)比圖。

4結(jié)束語

通過MATLAB軟件與《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)相結(jié)合，基于MATLAB具有強(qiáng)大的圖形繪制能力，使學(xué)生對(duì)抽象的概念具體化，畫面化，直接作用就是增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)生學(xué)會(huì)使用MATLAB軟件，增加了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)提供了幫助。通過本人在教學(xué)中的實(shí)踐證明，引入MAT-LAB極大地提高了教學(xué)效率，學(xué)生學(xué)習(xí)效果及動(dòng)手能力顯著提高。