信号与系统仿真平台的设计

刘荣华，于红光

（北京石油化工学院 信息工程学院，北京102617）

信号与系统仿真平台的设计

刘荣华，于红光

（北京石油化工学院 信息工程学院，北京102617）

针对当前信号与系统课程教学中存在的问题，在面向对象设计思想的指导下，利用层次化的设计方法，借助MATLAB的信号处理工具和GUI图形用户界面功能设计并开发了一个信号与系统的仿真平台分析软件。在该仿真平台上用户可以选择连续或者离散部分，在每一部分可以对其相应的信号及系统进行时域、频域以及复频域的变换，用户可以非常直观的了解他们之间的运算关系。平台界面友好，使用简单，充分体现了该仿真平台的综合性、直观性、应用灵活性。

信号与系统；MATLAB；图形用户界面；仿真平台；连续信号

“信号与系统”是通信工程、电子信息科学和技术等电子信息类专业一门重要的专业基础课程。它以高等数学、复变函数与积分变换及电路原理等课程为基础，是相关专业后续数字信号处理、通信原理等专业课程的先修课程，其教学质量的好坏直接影响到学生对信号、系统和频谱等重要概念的理解及后续课程的学习。在信号与系统的整个知识体系当中涉及到众多的知识点，比如连续时间信号与系统的时域分析、频域分析、复频域分析以及离散时间信号与系统的时域分析、频域分析、Z域分析。每一种分析方法都涉及到复杂的数学计算，仅从计算结果上用户不能直观的看到信号与系统在时域、频域和复频域之间的关系，因此需要有一种信号与系统的仿真平台来完成这样的功能。

近些年来，国内外高校相继应用MATLAB对信号与系统当中的一些重要内容进行验证和仿真，收到了较好的效果[1]。但是现有的信号与系统仿真多数是针对一些独立的知识点编写的MATLAB语言程序，缺乏系统的、能包含信号与系统整个知识体系内容的仿真平台，且这些MATLAB语言程序普遍存在可读性、可重用性和可扩展性差等缺点[2]。

为了解决这些问题，文中提出了一种基于MATLAB GUI的信号与系统仿真平台的设计方案，利用MATLAB的强大的信号处理能力及图形用户界面（GUI）设计和实现了该平台。该平台包含了信号与系统知识体系当中的主要内容，用户可以通过该平台非常直观的看到信号及系统在时域、频域和复频域进行的相应变换。

1 程序设计

1.1 设计的主要内容

设计总界面，实现连续信号与系统以及离散信号与系统之间相互的切换。

1）连续信号部分，实现以下功能：

基本变换：加法运算、乘法运算、标乘、反转、平移、尺度变换（伸缩）。

时域变换：卷积、积分、微分。

频域变换：傅立叶变换。

复频域变换：拉氏变换

2）设计连续系统部分，实现以下功能：

单位冲激响应

阶跃响应

零状态响应

零输入响应

频率响应：傅立叶变换。

复频域：拉氏变换。

3）设计离散信号的部分，实现以下功能：

基本变换：加法运算、乘法运算、标乘、反转、平移、尺度变换（伸缩）。

时域分析：卷积

频域分析：傅立叶变换。

复频域分析：Z变换

4）设计离散系统部分，实现以下功能：

单位抽样响应

单位阶跃响应

零状态响应

频域分析：幅频响应、相频响应。

复频域分析：Z变换

1.2 设计图形界面

1.2.1 总界面设计

根据总的设计任务要求，设计出如图1所示的总操作界面[3-5]。

该界面包括实现连续信号与系统以及离散信号与系统之间相互的切换。设计构想：

1）点击连续（离散）部分的连续（离散）信号或连续（离散）系统的无线电按钮可以进入各自的操作界面，实现其功能。

图1 总操作界面

2）点击退出按钮，退出MATALB软件。

由于文章篇幅有限，本文主要以连续信号与系统部分为例介绍该仿真平台的设计过程。

1.2.2 连续信号设计部分

为了让读者对本人设计成果有个大致的了解，先将程序运行过程演示一次：

点击连续信号无线电按钮，运行代码：

出现如图2～图4所示的输入参数界面。

图2 输入x1的幅度、频率、相位

设定参数后，点击“OK”键出现如图5所示的连续信号设计操作界面。

界面包括基本运算、时域分析和频域分析以及复频域分析。设计构想：

1）点击第一、二个弹出式菜单选择其中的基本信号，可以进行加法、乘法、卷积等基本变换；

2）点击第一、三个弹出式菜单，选择其中的信号，可以进行标乘、平移、伸缩等基本变换；

3）点击第一个弹出式菜单，选择信号，可以进行翻转、傅立叶变换、积分、微分、拉氏变换。

由于篇幅有限，文中主要以加法、乘法、卷积以及傅里叶变换为例对连续信号进行分析[6-7]。

图4 输入时间参数

图5 连续信号设计操作界面

1）加法

输入信号分别为x1和x2，参数设置如下：

运行结果如图6所示。

2）乘法

x1=A1sin（2*pi1*f1*t+phi1）；

图6 执行加法的运行结果

结果如图7所示。

图7 执行乘法的运行结果

3）卷积

结果如图8所示。

2 结 论

本软件借助 MATLAB信号处理功能，拥有GUIDE简单直观的优势，可以脱离 MATLAB环境而独立运行，并且内容完善涵盖了信号与系统分析的大部分重要内容。用户只需在相应的编辑框中输入相应的参数，就可以在输出框及图形框中获得相应的结果，从而可以方便地对结果进行分析；还可以对输入参数进行修改，可在一个界面中输入不同参数来进行反复实验，展示人机交互式图形用户界面及其参数的可调控性。

图8 执行卷积命令的运行结果

[1]李红.《信号与系统》中连续时间系统的 Matlab应用[J].科技信息，2010（18）:484.

[2]罗华飞.MATLAB GUI设计学习手册 [M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[3]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（18）:57-59.

[4]李念念，张红梅.基于MATLAB GUI的信号与系统分析软件开发 [J].计算机应用与软件，2009，26（2）:10-11.

[5]陈垚光，毛涛涛，王正林，等.精通 MATLAB GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6]俎云霄，贾越，李奔，等.“信号与系统”仿真演示系统设计[J].电气电子教学学报，2012，34（1）:70-72.

[7]安 树，杨凤彪，闫建生.信号与系统仿真实验平台设计[J].高校实验室工作研究，2012，112（2）:26-28.

[8]张 猛，王晓峰.信号与系统建模与仿真[J].长春大学学报，2010，20（8）:63-65.

[9]沈捷，王莉.数字信号处理教学实验软件包的GUI设计与实现[J].实验技术与管理，2008，25（2）:88-91.

[10]童峰，李霞.Matlab在“信号与系统”课堂教学中的应用[J].电气电子教学学报，2007，29（1）:82-84.

[11]李强，明艳，吴坤君.基于Matlab的通信原理演示系统的设计与应用[J].实验技术与管理，2008，25（8）:77-80.

[12]郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统[M].2版.北京：高等教育出版社，2000.

[13]高远.基于MATLAB的《信号与系统》教学改革与实践[J].柳州师专学报，2010（2）:99-101.

[14]王秀清.MATLAB软件在信号与系统教学中的应用[J].内蒙古民族大学学报，2010（2）:187-188.

[15]王雪.基于MATLAB的《信号与系统》教学探讨[J].金陵科技学院学报，2006（4）:106-108.

Design of signals and systems simulation platform

LIU Rong-hua，YU Hong-guang
（Department of Information Engineering，Beijing Institute of Petro-chemical Technology，Beijing 102617，China）

Aiming at the current problems in teaching of signals and systems，under the guidance of the object-oriented design method，A set of analysis software for signals and systems simulation platform is designed by using signal processing tool and graphical user interface in MATLAB，through the hierarchical design method.Users can choose continuous portion or discrete portion at this platform. Signals and systems have been analyzed in time domain and transform domain for each part.Users can comprehend the arithmetic relationship between them easily.The platform has the advantage of friendly interface and is easy to use.It was approved that the simulation platform is integrated，intuitive and flexible.

signals and systems；MATLAB；graphic user interface；simulation platform；continues signal

TN915.6

A

1674-6236（2017）09-0167-04

2016-03-25稿件编号：201603343

刘荣华（1979—），女，山西运城人，硕士研究生，实验师。研究方向：信号与系统方面的教学科研。