MATLAB软件在《信号与系统》实验教学中的应用

王琨　李海生

摘要：《信号与系统》是一门很重要的通信工程的专业基础课程。MATLAB是一款功能强大的软件，能够仿真出各类信号的时间域和频率域的波形图，将MATLAB应用于信号与系统实验教学中，能够使学生加深对于信号与系统理论知识的理解，增加学习抽象知识的趣味性。

关键词：信号与系统；实验教学；MATLAB

1概述

《信号与系统》是通信工程专业非常重要的一门必修课程，该课程是通信工程专业中信号处理类专业课程的基础，信号处理对于通信工程意义重大，在很多具体的工程应用中，涉及到通信工程的领域都要采用信号处理的技术和手段，这是因为通信工程的发展趋势就是为了提供高速、大容量、高质量的通信系统，而通信系统中的信号经常会受到噪声等因素的影响，常常使得通信系统从发送端发出的信号到达接收端以后经常会出现畸变，因此这就需要采用包括信号处理在内的技术来解决。此外学生对该课程的掌握程度也关系到后续一系列课程的学习，例如：数字信号处理、数字图像处理、通信原理、随机过程、光纤通信原理、移动通信原理等。因而该课程是通信专业核心课程学习的基础，具有不可替代的作用，学好该课程对于掌握整个通信工程专业的核心内容志关重要。本文探讨MATLAB在《信号与系统》中实验教学应用，让学生能够更好地理解和掌握信号与系统理论知识，增加学习抽象知识的趣味性。

2课程教学存在的问题

《信号与系统》课程的特点是理论复杂，公式推导较多，目前在课堂上的理论教学方式主要以课件结合黑板的板书为主，但是黑板的板书很难让学生对于抽象的信号的物理意义有较深的理解，而课件中的动画播放的教学效果也比较有限。为了提高学生的学习动机，让学生更加积极主动的投入到该课程的学习中来，就需要通过实验教学来使学生加深对于理论内容的理解。目前在信号与系统的实验教学中常常采用实验箱来完成相关的教学工作，但是实验箱具有使用不方便，干扰性强，易坏等缺点，为了克服这些问题，寻找新的教学工具和方式显得尤为重要。

3 MATLAB软件在课程教学中的应用分析

MATLAB是由美国MathWorks公司开发的一款将计算、可视化和编程集一身的计算机环境软件，它的系统包括桌面工具、开发环境、语言、图形处理、数字函数库和外部接口。经过多年的应用和版本的更新如今已经拥有了无比强大的演算能力以及良好的跨平台性。从丰富的组件和可视化功能中也可以看出Matlab相比其他平台能够对算法的实现带来更好的模拟效果，且最终以图形形式存在的仿真结果也更加容易被用户所分析和对比。另一方面，由于Matlab平台在设计之初，就考虑到了其大多会被用于运算量较大的复杂演算场景中，因而其采用了模块化的处理流程保证其实际的运行性能和效率。此外该平台的设计人员还专门针对软件本身的图形界面的交互性和可操作性进行改进，最终使得其更多被用于图形处理以及数字信号的模拟运算中来，现在用MATLAB语言来编写程序都要比使用别的语言更简便得多，由于其直观和简便的计算操作，提高了其在通信领域进行仿真的效率。利用MATLAB强大的信号仿真能力能够对信号与系统中的很多内容进行直观的仿真，比如：信号的表示、信号的卷积、周期信号的频谱等。将MATLAB引入到信号与系统的实验教学中，能够使得原本较为繁琐和枯燥的实验变得更加简单和有趣，从而能够进一步提高学生学习的积极性和主动性。

4 MATLAB软件在信号与系统实验中的仿真实例

4.1 MATLAB软件仿真功能介绍

MATLAB软件由于其强大的运算能力和图形化的仿真能力，已经在很多领域大放异彩，其中在很多课程的教学中也得到了广泛的应用，Matlab的操作界面包含有四种不同职责分工的窗口，这四种窗口共同构成了一个高度集成的工作环境。这四个窗口分别是：命令窗口（Command Window）、工作空间窗口（Workspace）、历史命令窗口（Command History）、当前目录窗口（Current Directory）。

MATLAB的四个命令窗口各司其职，MATLAB的命令窗口（Command Window）主要进行函数以及表达式的运行，MATLAB为用户提供了各类功能强大的函数库，能够支持各类运算仿真，也正因为如此，MATLAB被称为“站在巨人肩上的工具”，这也就为MATLAB的广泛运用奠定了基础。用户根据需要在命令窗口中输入相应的命令代码，按下回车键，就能仿真出结果。工作空间窗口（Workspace）的主要作用是显示出在计算机内存中的数据的变量信息，包括变量名、变量字节大小、变量数组大小、变量类型等内容。历史命令窗口（Command History）可以将用户的历史命令记录下来，方便用户浏览及使用之前的命令。当前目录窗口（Current Directory）能够显示当前运行和保存的路径。当用户需要自己编写子函数文件进行调用时，只要将其与主函数所在文件放在同一个文件夹下面，就能很方便的对自己编写的子函数文件进行调用。

4.2系统的零状态响应

对于线性是不变系统（LTI）系统来说，常使用常系数微分方程来进行描述，假设系统的初始状态为零，那么就可以通过常系数微分方程来求解系统的零状态响应，MATLAB控制系统工具箱提供了一个lsim函数来求解连续时间系统的零状态响应。下面是一个典型的利用常系数微分方程来求解系统的零状态響应，并通过MATLAB来进行仿真的例子。

已知系统的微分方程为endprint