“信号与系统”课程可视化实验教学的平台设计

谈玲珑，苏宁馨，张 帆

（安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥230088）

“信号与系统”是通信工程、电子信息工程、电子科学与技术专业的专业核心基础必修课，作为信号处理课程群的基础课程，地位非常重要。“信号与系统”课程理论性较强、对数学基础要求较高。从实验条件来看，以安徽新华学院信号与系统实验室为例，《信号与系统》实验室配有15套基础实验仪器，按每班50～60人分配，每组3～4人，这就导致有学生在规定的时间、地点不能全程参与到实验过程中，对实验的原理、步骤、结论没有系统的认识，实验效果不佳。实验教学大都排在理论课结束后，且多数为验证性实验，实验内容较少且较简单，不能完全做到与教材的配套。由于实验仪器使用年限较长，部分芯片老化，导致有的实验结果与理论误差太大，实验难度加大，准确性不高。

传统的实验教学方法缺少互动性和实时更新功能，学生们学到的仅限于实验指导书中的内容，学生难以融入到教学过程中，互动性受到限制，信号与系统实验教学急需一种可视化交互教学手段。为满足在验证性实验基础上学生对设计性实验探索的需求，提出一种基于MATLAB/SIMULINK的可视化实验教学平台，培养学生解决系统问题的综合能力。

一、实验平台设计

针对“信号与系统”课程实验教学中存在的问题，为提高实验效果，提高学生学习积极性，本平台采用MATLAB GUI搭建图形用户仿真界面，用SIMULINK搭建仿真系统，将实验中的复杂内部原理以可视化的模块展示出来，并借助图形的方式呈现仿真结果。

（一）设计思想与结构

设计本平台的目的是对信号系统课程中重要内容进行动态仿真，在设计用户交互界面时，充分考虑到学生用户体验效果，从学生的角度出发制作界面结构图。在MATLAB GUI交互界面中搭建静态界面，然后对每个功能按钮编写回调函数，使界面转换为动态界面［1-4］。在对一些复杂系统的实验过程中，可在SIMULINK搭建好基本的系统模型，学生在实验过程中，可根据需求设计完善系统、调整参数设置、结果显示等操作，最大化拓宽学生自主设计空间。

该实验教学平台设计出十四个仿真模块，其中前十三个实验为模拟仿真实验，分别是：信号的时域表示、信号的基本运算、连续时间系统的冲击响应和单位阶跃响应、二阶系统的模拟、系统的零输入零状态及全响应、线性系统的稳定性分析、信号的无失真传输、信号的采集与恢复、幅度调制与解调、滤波器频率特性的研究、信号的分解与合成、周期信号的频谱表示、LTI系统的频率响应。这十三个实验涵盖了系统与系统课程中主要教学内容，包括连续系统和离散系统的时间域分析、频域分析、复频域分析及Z域分析［5-6］。最后一个仿真模块设计为开放性实验，学生可根据需要自主设计实验内容，在SIMULINK中搭建电路进行仿真，提高学生动手能力，可视化实验平台结构，见图1。

图1可视化实验平台结构

（二）界面功能设计

平台为获得更好的用户体验效果，采用MATALB GUI搭建可视化交互仿真平台，该平台由主界面和各个子界面构成［7-9］。

主界面：由进入界面（见图2）进入系统后，主界面提供各个实验选项（见图3），点击相应的实验按钮即可进入该模块的实验，在各模块中也设置了“返回”按钮，返回到主界面。

图2 进入界面

图3 主界面

子界面：在各子界面中根据各实验性质和实验内容需求，将验证性实验用GUI建立交互性图形界面，在界面中可通过下拉框或选项按钮选择不同的信号或参数，运行结果直接显示在界面中，将操作过程可视化。对于设计性和综合性实验可采用SIMULINK的可视化框图设计环境，实现动态系统的建模、仿真、分析。在SIMULINK中根据实验内容需求选择相应的仿真领域模块，在各个模块中集成了该领域基本的功能框图，通过鼠标的拖拽和连线操作即可实现系统设计，鼠标双击各个功能框图即可打开参数设置对话框，根据设计需求输入各个参数，提高实验操作的灵活性和直观性，激发学生探索学习欲望［10-12］。

二、实验平台应用实例

以信号采样与恢复实验为例，连续信号x（t）的采样与恢复示意图，见图4。

图4 信号的采样与恢复示意

设x（t）的傅氏变换为x(jw)，则经采样后离散信号 x*（t）的傅氏变换为：

式中，ωs为采样角频率。

当k=0时，X*(jw)=X(jw)/T，这就是 X*(jw)的主频谱。一般言之，连续信号x（t）的频谱是孤立且带宽有限的，即其上限频率ωmax为一有限值，见图5。

图5 x*(t)的主频谱

采样后的离散信号x*(t)却具有以采样角频率中ωs为周期的无限多个频谱，见图6。为使原信号的主频谱不发生畸变，则要求图中的相邻频谱间不相重叠，其条件为 ωs≥ωmax。

图 6 x*(t)的频谱

如用一个带宽为0。5ωs的理想低通滤波器就可以滤去除主频谱外的其它频谱，从而使x*(t)的主频谱x*(jw)不失真地得到复现，见图7。

图7 理想低通滤波器

运行仿真软件后进入主界面，点击 “仿真八”按钮，进入SIMULINK仿真界面，见图8。在该界面中可根据系统设计需求，在原有的系统上进行改进，也可双击巴特奥斯低通滤波器框图，见图9，或信号源框图，见图10，调出参数设置框更改参数，点击菜单栏“开始运行”图标，系统即可运行。输入输出信号可通过示波器观测，如双击输入信号示波器框图即可看到输入信号波形，见图11，双击抽样脉冲信号示波器即可看到抽样脉冲信号，见图12，双击抽样后信号示波器即可观察到抽样后信号，见图13，双击恢复信号示波器即可观察到恢复信号，见图14。通过SIMULINK搭建实验平台，可实现系统的灵活设计、参数的交互式设置、输入输出信号的可视化直观分析。

图8 “信号采样与恢复”实验

图9 滤波器参数设置

图10 信号源参数设置

图11 输入信号

图12 抽样脉冲信号

图13 抽样后信号

图14恢复信号

三、结语

针对信号与系统课程实验教学中存在的问题，提出了可视化交互仿真平台，从实验教学需求、教学知识点分布及学生操作体验出发，设计这一软件仿真平台，该平台基于MATLAB GUI和SIMULINK设计实现了交互式、可视化实验教学系统。在系统投入实验教学后，通过问卷调查反馈，学生对该系统很感兴趣，如：在信号分解和合成实验中，学生可在界面中不断地增加合成信号数，观察到合成波的变化情况，将原来深奥难懂的理论，通过图形直观体现出来，提高课堂互动性、学生参与度及教学效果。