基于Matlab的信号与系统实验平台设计

全星慧+周围+韩建+吕秀丽

摘 要： 信号与系统课程实验内容繁杂，为了克服传统硬件实验系统的局限性，利用Matlab软件提供的图形用户界面（GUI）设计了信号与系统仿真实验平台。该实验平台由一个主界面和若干子界面构成，包括信号卷积、傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换、系统的频率响应等实验项目。每个实验界面都可以由用户设定和修改仿真参数，实时显示仿真结果。该平台将抽象的理论教学转化为生动的仿真实验，从而提高学生学习兴趣，加深对教学内容的理解。

关键词： 信号与系统； Matlab； 图形用户界面； 实验平台

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0088?03

Design of MATLAB?based experiment platform for signal and system

QUAN Xing?hui， ZHOU Wei， HAN Jian， [LU] Xiu?li

（Electronic Science College， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China）

Abstract： “Signal and System” course experiment content is multifarious. In order to overcome the limitations of the traditional hardware experimental system， a simulation experiment platform of “Signal and System” course was designed based on graphical user interface （GUI） in Matlab. The experiment platform consists of a main interface and several sub interfaces， including signal convolution， Fourier transform， Laplace transform， z?transform， frequency response of the system， etc. The simulation parameters of each experiment interface can be set and modify by users， and the simulation results can be displayed in real time. The platform translates the abstract theory teaching into vivid simulation experiment. Therefore， students' learning interest was evoked， and their understanding for the teaching content was deepened.

Keywords： “Signal and System”； Matlab； graphical user interface； experiment platform

0 引 言

信号与系统课程是电子信息类专业重要的专业基础课[1?2]。但由于课程内容理论性强，概念抽象，公式繁多，长期以来使得教、学处于两难境地。因此需要通过动手实验来加深理解各种数学运算在信号处理中的实际应用。然而，传统的硬件实验系统存在着实验设备短缺、实验项目选择受限、实验设备老化等弊端，为此，利用Matlab强大的数值计算、符号计算、绘图显示及图形用户界面等功能，设计了信号与系统仿真实验GUI平台，增加计算机辅助实验教学手段是对信号与系统课程教学方法的有力补充，同时，GUI实验平台简单的程序和可视化结果有助于学生对抽象概念及理论知识的理解。

1 Matlab及GUI简介

Matlab是MATrix LABoratory（矩阵实验室）的简称。Matlab是由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件，是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境[3]。Matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域，与Mathematica、Maple并称为3大数学软件。

Matlab具有强大的图形用户界面（Graphical User Interface ，GUI）[4]生成功能。采用Matlab的 GUI 设计仿真实验界面，过程简单，操作方便。GUI 设计有2种方式：一种是利用基本Matlab程序设计；另一种是利用GUIDE工具设计。GUIDE是一个专用于GUI程序设计的快速开发环境，使用者可以在该设计环境内方便地得到各种GUI控件，并可随意改变它们的外形、大小、颜色等属性，从而设计出符合要求的图形用户界面。

利用Matlab 及GUI设计开发的信号与系统仿真实验平台[5?7]，将信号与系统课程中较难掌握和理解的理论和概念形象地展示，从而达到使学生对所学知识理解更加透彻的目的。

2 信号与系统实验平台设计

2.1 系统平台的整体框图

本实验系统整体结构框图如图1所示。包括2大模块：连续时间信号与系统、离散时间信号与系统。下设基本信号时域性质、卷积、傅里叶变换、连续时间系统的频率响应、拉普拉斯变换、离散时间信号卷积、离散时间系统的频率响应、离散傅里叶变换性质、基本离散信号Z变换、Z变换基本性质等实验模块。每一个实验模块又有下一级实验界面，如傅里叶变换模块下面还有周期矩形脉冲信号的频谱、时移特性、频移特性和抽样定理等实验内容。

图1 系统框图

2.2 系统平台的设计步骤

设计的具体步骤如下：

（1） 运用 Matlab的图形用户界面（GUI）设计方法，设计整个实验系统的开始引导主界面以及实现信号与系统课程中具体实验的各个子界面；

（2） 分别编写各子界面控件对象的回调函数，实现控件相应控制功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入输出，并可以方便地对实验结果的数据及其图形进行显示和分析；

（3） 编写主界面的回调函数，将各实验子界面整合在信号与系统仿真实验平台主界面中，即通过主界面就可以进入任何一个实验子界面进行实验。

2.3 系统平台的界面设计

信号与系统仿真实验平台主界面如图2所示。该实验平台主要分为连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块。

图2 主界面

连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块界面分别如图3和图4所示。

图3 连续时间信号与系统界面

图4 离散时间信号与系统界面

2.4 实验示例

以傅里叶变换模块为例介绍相关实验内容。本实验的目的是使学生理解信号的傅里叶变换频谱与时域信号的对应关系，掌握并灵活运用傅里叶变换的时移、频移、抽样定理等性质。实验包括周期矩形脉冲的频谱、时移特性、频移特性和抽样定理等。

周期矩形脉冲的频谱分析界面如图5所示，图中周期矩形脉冲信号的幅度为2，脉冲的宽度为1.7，脉冲的周期为10，其频谱为离散的抽样信号。在界面通过滑动条可以调节脉冲的高度、宽度及周期等参数。

傅里叶变换的时移特性如图6所示，由图可见，矩形脉冲时域平移，其傅里叶变换幅度谱不发生改变。通过滑动条可以调节时移参数。

图5 周期矩形脉冲的频谱界面

图6 傅里叶变换的时移特性界面

傅里叶变换的频移特性如图7所示，信号的频谱向左和向右平移后的叠加，对应原信号时域乘以一个余弦信号，即信号的双边带调制。通过滑动条可以调节频移参数。

图7 傅里叶变换的频移特性界面

傅里叶变换的抽样定理如图8所示，当抽样周期满足奈奎斯特抽样间隔，则采样信号的频谱刚好不发生混叠。通过滑动条可以调节抽样周期。

图8 傅里叶变换的抽样定理界面

3 结 语

运用Matlab设计了信号与系统仿真实验GUI平台。该实验平台人机交互界面友好，操作方便，形象直观。实验过程中，只需输入或调节仿真实验参数，就可在图形框中获得仿真结果，从而便于对实验结果的分析。在理论教学中合理地运用仿真实验，既有助于教师对课程难点内容的讲解，同时也有助于提高学生学习兴趣和学习效率。

参考文献

[1] 郑君里，应启衍，杨为理.信号与系统[M].2版.北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吴大正.信号与线性系统分析[M].4版.北京：高等教育出版社， 2005.

[3] 毛涛涛，王正林，王玲.精通Matlab GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 李显宏.Matlab 7.x界面设计与编程技巧[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 王洁丽，贾素梅，薛芳.Matlab软件在信号与系统辅助教学中的应用[J].现代电子技术，2007，30（6）：123?125.

[6] 林霖，杨丰，张志德.基于Matlab的“信号与系统”课程演示软件的应用[J].电气电子教学学报，2009，31（5）：98?100.

[7] 张尤赛，马国军，黄炜嘉，等.信号与系统Matlab实验仿真教学系统设计[J].现代电子技术，2010，33（18）：57?59.

[8] 邬少飞.基于Matlab的信号与系统教学研究[J].电脑与电信，2013（11）：70?71，73.

图1 系统框图

2.2 系统平台的设计步骤

设计的具体步骤如下：

（1） 运用 Matlab的图形用户界面（GUI）设计方法，设计整个实验系统的开始引导主界面以及实现信号与系统课程中具体实验的各个子界面；

（2） 分别编写各子界面控件对象的回调函数，实现控件相应控制功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入输出，并可以方便地对实验结果的数据及其图形进行显示和分析；

（3） 编写主界面的回调函数，将各实验子界面整合在信号与系统仿真实验平台主界面中，即通过主界面就可以进入任何一个实验子界面进行实验。

2.3 系统平台的界面设计

信号与系统仿真实验平台主界面如图2所示。该实验平台主要分为连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块。

图2 主界面

连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块界面分别如图3和图4所示。

图3 连续时间信号与系统界面

图4 离散时间信号与系统界面

2.4 实验示例

以傅里叶变换模块为例介绍相关实验内容。本实验的目的是使学生理解信号的傅里叶变换频谱与时域信号的对应关系，掌握并灵活运用傅里叶变换的时移、频移、抽样定理等性质。实验包括周期矩形脉冲的频谱、时移特性、频移特性和抽样定理等。

周期矩形脉冲的频谱分析界面如图5所示，图中周期矩形脉冲信号的幅度为2，脉冲的宽度为1.7，脉冲的周期为10，其频谱为离散的抽样信号。在界面通过滑动条可以调节脉冲的高度、宽度及周期等参数。

傅里叶变换的时移特性如图6所示，由图可见，矩形脉冲时域平移，其傅里叶变换幅度谱不发生改变。通过滑动条可以调节时移参数。

图5 周期矩形脉冲的频谱界面

图6 傅里叶变换的时移特性界面

傅里叶变换的频移特性如图7所示，信号的频谱向左和向右平移后的叠加，对应原信号时域乘以一个余弦信号，即信号的双边带调制。通过滑动条可以调节频移参数。

图7 傅里叶变换的频移特性界面

傅里叶变换的抽样定理如图8所示，当抽样周期满足奈奎斯特抽样间隔，则采样信号的频谱刚好不发生混叠。通过滑动条可以调节抽样周期。

图8 傅里叶变换的抽样定理界面

3 结 语

运用Matlab设计了信号与系统仿真实验GUI平台。该实验平台人机交互界面友好，操作方便，形象直观。实验过程中，只需输入或调节仿真实验参数，就可在图形框中获得仿真结果，从而便于对实验结果的分析。在理论教学中合理地运用仿真实验，既有助于教师对课程难点内容的讲解，同时也有助于提高学生学习兴趣和学习效率。

参考文献

[1] 郑君里，应启衍，杨为理.信号与系统[M].2版.北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吴大正.信号与线性系统分析[M].4版.北京：高等教育出版社， 2005.

[3] 毛涛涛，王正林，王玲.精通Matlab GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 李显宏.Matlab 7.x界面设计与编程技巧[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 王洁丽，贾素梅，薛芳.Matlab软件在信号与系统辅助教学中的应用[J].现代电子技术，2007，30（6）：123?125.

[6] 林霖，杨丰，张志德.基于Matlab的“信号与系统”课程演示软件的应用[J].电气电子教学学报，2009，31（5）：98?100.

[7] 张尤赛，马国军，黄炜嘉，等.信号与系统Matlab实验仿真教学系统设计[J].现代电子技术，2010，33（18）：57?59.

[8] 邬少飞.基于Matlab的信号与系统教学研究[J].电脑与电信，2013（11）：70?71，73.

图1 系统框图

2.2 系统平台的设计步骤

设计的具体步骤如下：

（1） 运用 Matlab的图形用户界面（GUI）设计方法，设计整个实验系统的开始引导主界面以及实现信号与系统课程中具体实验的各个子界面；

（2） 分别编写各子界面控件对象的回调函数，实现控件相应控制功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入输出，并可以方便地对实验结果的数据及其图形进行显示和分析；

（3） 编写主界面的回调函数，将各实验子界面整合在信号与系统仿真实验平台主界面中，即通过主界面就可以进入任何一个实验子界面进行实验。

2.3 系统平台的界面设计

信号与系统仿真实验平台主界面如图2所示。该实验平台主要分为连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块。

图2 主界面

连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块界面分别如图3和图4所示。

图3 连续时间信号与系统界面

图4 离散时间信号与系统界面

2.4 实验示例

以傅里叶变换模块为例介绍相关实验内容。本实验的目的是使学生理解信号的傅里叶变换频谱与时域信号的对应关系，掌握并灵活运用傅里叶变换的时移、频移、抽样定理等性质。实验包括周期矩形脉冲的频谱、时移特性、频移特性和抽样定理等。

周期矩形脉冲的频谱分析界面如图5所示，图中周期矩形脉冲信号的幅度为2，脉冲的宽度为1.7，脉冲的周期为10，其频谱为离散的抽样信号。在界面通过滑动条可以调节脉冲的高度、宽度及周期等参数。

傅里叶变换的时移特性如图6所示，由图可见，矩形脉冲时域平移，其傅里叶变换幅度谱不发生改变。通过滑动条可以调节时移参数。

图5 周期矩形脉冲的频谱界面

图6 傅里叶变换的时移特性界面

傅里叶变换的频移特性如图7所示，信号的频谱向左和向右平移后的叠加，对应原信号时域乘以一个余弦信号，即信号的双边带调制。通过滑动条可以调节频移参数。

图7 傅里叶变换的频移特性界面

傅里叶变换的抽样定理如图8所示，当抽样周期满足奈奎斯特抽样间隔，则采样信号的频谱刚好不发生混叠。通过滑动条可以调节抽样周期。

图8 傅里叶变换的抽样定理界面

3 结 语

运用Matlab设计了信号与系统仿真实验GUI平台。该实验平台人机交互界面友好，操作方便，形象直观。实验过程中，只需输入或调节仿真实验参数，就可在图形框中获得仿真结果，从而便于对实验结果的分析。在理论教学中合理地运用仿真实验，既有助于教师对课程难点内容的讲解，同时也有助于提高学生学习兴趣和学习效率。

参考文献

[1] 郑君里，应启衍，杨为理.信号与系统[M].2版.北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吴大正.信号与线性系统分析[M].4版.北京：高等教育出版社， 2005.

[3] 毛涛涛，王正林，王玲.精通Matlab GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 李显宏.Matlab 7.x界面设计与编程技巧[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 王洁丽，贾素梅，薛芳.Matlab软件在信号与系统辅助教学中的应用[J].现代电子技术，2007，30（6）：123?125.

[6] 林霖，杨丰，张志德.基于Matlab的“信号与系统”课程演示软件的应用[J].电气电子教学学报，2009，31（5）：98?100.

[7] 张尤赛，马国军，黄炜嘉，等.信号与系统Matlab实验仿真教学系统设计[J].现代电子技术，2010，33（18）：57?59.

[8] 邬少飞.基于Matlab的信号与系统教学研究[J].电脑与电信，2013（11）：70?71，73.