基于MATLAB的《信号与系统》课程教学研究

侯大有　陈万琼　张岩　韩波　谭拂晓

摘要：《信号与系统》课程在信息工程类教学过程中起到承上启下的作用，该文主要针对在教学过程中存在的问题，提出以下两点改进，在理论教学过程中结合MATLAB软件，实现“画面化”教学；在实验教学过程中采取硬件试验箱与MATLAB软件结合的方式，实现软硬件结合。通过使用MATLAB实现基本信号的表示，求解系统的冲激响应、阶跃及零状态响应，周期与非周期信号傅里叶变换，方波合成等试验实例，说明该课程引入MATLAB，使教学内容更具“画面感”，实验与教学内容更具融会贯通的作用，教学效率显著提高。

关键词：信号与系统；MATLAB软件；零状态响应；傅里叶变换

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0089-03

1引言

《信号与系统》课程是信息工程、通信工程类专业一门必修专业核心课程，在学生专业素质培养中起关键作用。该课程主要涉及信号基本表达与系统的概念，信号时域分析，傅里叶变换，拉普拉斯变换等内容，其典型的特点就是课程内容比较抽象，对学生理论基础知识要求很高，因此学生学习难度较大，同时课堂中对理论及公式以板书形式反复推导增加了学生的枯燥乏味感。

本文一方面MATLAB与理论教学结合，通过引入MAT-LAB软件改进教学方法，将抽象的信号转化成“可视化”的概念，学生对教学内容产生“画面感”，再结合电子课件和板书推导，提高大家的学习兴趣。

另一方面MATLAB与实验教学结合，采取硬件试验箱与MATLAB软件分析相验证的实验形式，实现软硬件结合，融会贯通课堂上讲解的理论知识，以下通过几个实例说明在实际教学中的具体实践。

2 MATLAB与理论教学结合

MATLAB是一种数学软件，在数据可视化、数据分析以及数值计算上有强大的功能体现，对于实现信号的画面化和系统分析提供了强大的帮助。

2.1基本信号的表示

典型信号的描述属于《信号与系统》课程的导人部分，对于学生的学习兴趣尤为重要。在教学过程中采用传统的黑板以及电子课件教学，学生只能理解其数学表达式，通过MATLAB能够绘制出不同基本信号的图形，让学生更加深刻理解其概念。以下给出了四种基本信号的图形使学生对其有更加直观感受。

2.2系统冲激响、阶跃和零状态响应的求解

在连续时间系统的时域分析过程中，传统的教学其计算过程偏数学化，系统的响应求解也都是公式计算得到的，这样增加了学习难度，从而导致丢失学习兴趣。通过MATLAB让学生理解系统的概念又能很方便的求解出系统的响应。下面给出了郑君里老师主编的《信号与系统》中例2-9的MATLAB求解。

2.3周期與非周期信号的傅里叶变换

从时域转换到频域是信号与系统教学的一个重点也是一个难点。如何让学生更好地去理解频域，传统的教学只是通过理论公式推导，学生难以理解。以下通过MATLAB描绘出非周期与周期信号的频谱图。

3 MATLAB与实验教学结合

通过MATLAB与课堂教学结合，学生更加直观的“看见”信号，如何让学生将理论知识与实践结合，仅仅靠试验箱的操作并不能发挥学生的主观能动性。通过与MATLAB可视化编程语言环境下做信号与系统实验，与硬件实验相验证，增加学生学习兴趣，同时可以培养学生的创造能力。以下给出了通过硬件试验箱得出的方波（图4中方波信号）合成实验，并与通过MATLAB编程得出的方波合成实验相对比。

3.1方波信号合成实验

方波信号频率f=100Hz，幅值为4V。分别选取了3次谐波（a），7次谐波（b），9次谐波（c）叠加对比图。

4结束语

通过MATLAB软件与《信号与系统》课程教学相结合，基于MATLAB具有强大的图形绘制能力，使学生对抽象的概念具体化，画面化，直接作用就是增加了学生的学习兴趣，同时学生学会使用MATLAB软件，增加了学生的动手实践能力，为后续的学习提供了帮助。通过本人在教学中的实践证明，引入MAT-LAB极大地提高了教学效率，学生学习效果及动手能力显著提高。