任蕾 周紀(jì)

摘要：“信號與系統(tǒng)”是電氣信息類本科專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，該課程理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大。將信號運(yùn)算、頻譜分析、系統(tǒng)分析等知識點(diǎn)利用仿真演示平臺配合傳統(tǒng)教學(xué)，有助于學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容。開發(fā)的信號與系統(tǒng)教學(xué)仿真演示系統(tǒng)包括信號處理模塊、信號和系統(tǒng)分析模塊、信號處理應(yīng)用模塊、幫助模塊等。該系統(tǒng)應(yīng)用Matlab中的圖形用戶界面編程實(shí)現(xiàn)，具有良好的互動性。為配合教學(xué)，演示系統(tǒng)中包括了常用信號運(yùn)算、信號分解、信號頻譜分析、卷積運(yùn)算、系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析及各類應(yīng)用等，同時為結(jié)合工程應(yīng)用，系統(tǒng)中包含在通信、語音信號處理、圖像處理領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。該演示平臺可作為傳統(tǒng)教學(xué)的補(bǔ)充和輔助。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；Matlab；教學(xué)仿真演示平臺；圖形用戶界面

中圖分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）21-0180-04

Teaching Simulation Demonstration Platform for Signal and System

REN Lei， ZHOU Ji

（College of Information Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： Signal and system is the fundamental course for disciplines of electrical engineering and information science. The course is difficult to learn for theoretical intensity. Application of teaching demonstration system cooperated with traditional teaching is helpful for students mastering teaching contents， which includes signal computation， signal spectrum analysis and system analysis. The platform is developed using graphical user interface of Matlab with good interaction. The system includes demonstrations about typical signal computation， signal decomposition， signal spectrum analysis， convolution， frequency response analysis and applications. To cooperate with engineering application， examples concerning communication， audio signal processing and image processing are also provided. The proposed demonstration platform is the assistant for classical teaching.

Key words： signal and system； Matlab； teaching simulation demonstration platform； graphical user interface （GUI）

“信號與系統(tǒng)”課程是電氣信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課，理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大，互動性強(qiáng)的演示系統(tǒng)有助于課程的教學(xué)開展。近年來國內(nèi)高校針對課程演示平臺的開發(fā)進(jìn)行了大量工作。有代表性的包括：金波等設(shè)計(jì)的“信號與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)涵蓋了課程中20個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算過程的可視化與人機(jī)互動[1]。李秀梅等開發(fā)的“信號與系統(tǒng)”課程圖形用戶（GUI，Graphical User Interface）演示系統(tǒng)包括信號的基本運(yùn)算、信號卷積、LTI連續(xù)及離散系統(tǒng)、采樣定理、傅里葉級數(shù)展開、濾波器設(shè)計(jì)六個模塊[2]。俎云霄等開發(fā)的同類系統(tǒng)分為連續(xù)時間信號與系統(tǒng)、離散時間信號與系統(tǒng)兩大模塊，每個模塊中包括五個子模塊，分別是信號的時域性質(zhì)及卷積、信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換、系統(tǒng)頻率響應(yīng)、通信系統(tǒng)等，同時該系統(tǒng)可生成exe文件，在無Matlab環(huán)境下運(yùn)行[3]。杜世民等開發(fā)的教學(xué)仿真平臺以“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容為主線，內(nèi)容涉及了信號時域分析、系統(tǒng)時域分析、連續(xù)周期和非周期信號頻域分析、系統(tǒng)頻域分析、連續(xù)信號與系統(tǒng)s域分析、離散信號與系統(tǒng)z域分析七個模塊[4]。

上述系統(tǒng)基本以教學(xué)內(nèi)容為主線，將各知識點(diǎn)演示，可作為課堂教學(xué)的輔助，亦可作為學(xué)生課后復(fù)習(xí)使用。筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的教學(xué)仿真演示平臺，同樣基于Matlab的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，平臺中除包含課程教學(xué)核心內(nèi)容外，著重在動態(tài)演示、工程應(yīng)用方面加入實(shí)例，目前平臺中包括通信領(lǐng)域的調(diào)制與解調(diào)、語音信號處理、圖像處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用等。

1 教學(xué)仿真演示平臺整體框架和功能介紹

1.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)的教學(xué)演示平臺包含四個方面：信號的表示、信號處理、系統(tǒng)分析、工程應(yīng)用四大模塊，同時為了方便用戶查看知識點(diǎn)，平臺中設(shè)計(jì)了幫助系統(tǒng)。Matlab中的圖形用戶界面，具有良好的交互性，方便課程知識點(diǎn)的仿真演示[5]。演示平臺整體框架如圖1所示，圖2是平臺主界面圖。

1.2 平臺功能介紹

1） 信號的表示：該功能模塊主要用以演示典型連續(xù)與離散時間信號的波形。系統(tǒng)提供了八種典型信號可供選擇，信號的基本參數(shù)可選擇，同時在界面中提供信號波形生成的代碼；

2） 信號處理：信號處理模塊包括信號的基本運(yùn)算、信號分成與分解、信號的傅里葉變換域頻譜分析。其中基本運(yùn)算包括對信號時間變量的運(yùn)算、對信號值的運(yùn)算以及信號的卷積，信號的傅里葉變換模塊中，提供多種信號頻譜進(jìn)行演示。信號合成模塊給出方波和鋸齒波兩類信號傅里葉級數(shù)展開的動態(tài)合成過程。部分演示界面如圖3所示；

3） 系統(tǒng)分析

該部分包括離散時間系統(tǒng)分析和采樣系統(tǒng)的過程演示兩大模塊。離散時間系統(tǒng)分析根據(jù)手動選擇系統(tǒng)零極點(diǎn)位置，動態(tài)展示系統(tǒng)單位樣值響應(yīng)、系統(tǒng)頻譜響應(yīng)之間的關(guān)系。采樣系統(tǒng)可展示連續(xù)時間信號欠采樣、臨界采樣、過采樣三類狀態(tài)下信號的頻譜以及復(fù)原過程；

4） 應(yīng)用模塊

目前該模塊包括三個應(yīng)用領(lǐng)域：通信系統(tǒng)中的調(diào)制與解調(diào)、語音信號分析、圖像信號處理。其中語音信號分析包括語音信號生成、語音信號分析、語音信號處理三個實(shí)例，主界面見圖4；

5） 幫助模塊

為方便查看課程知識點(diǎn)，本演示平臺中設(shè)計(jì)了幫助模塊，其界面如圖5所示，方便用戶使用過程中查詢相關(guān)知識點(diǎn)。

2 典型模塊舉例

2.1 動態(tài)演示模塊舉例

為配合教學(xué)，本平臺中加入了動態(tài)顯示的模塊，用以闡述信號運(yùn)算過程或系統(tǒng)的特性。信號基本運(yùn)算模塊中加入了離散信號卷積的動態(tài)顯示部分，可清晰揭示卷積的圖解過程，幫助學(xué)生理解卷積的本質(zhì)和運(yùn)算過程，其界面和結(jié)果圖如圖6所示。連續(xù)時間信號的傅里葉級數(shù)分解一直是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)的演示系統(tǒng)中給出了方波和鋸齒波信號合成的動態(tài)過程，通過該演示界面，可直觀了解連續(xù)時間信號傅里葉級數(shù)展開的原理，并觀察吉伯斯現(xiàn)象，該界面圖如圖7所示。圖8是離散時間系統(tǒng)分析的演示界面圖，可實(shí)現(xiàn)人工選擇系統(tǒng)零極點(diǎn)位置，由此動態(tài)演示系統(tǒng)頻率響應(yīng)、求解系統(tǒng)單位樣值響應(yīng)的整個過程，該實(shí)例將有效幫助學(xué)生理解系統(tǒng)零極點(diǎn)圖與系統(tǒng)頻率響應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，深刻認(rèn)識系統(tǒng)濾波的概念。

2.2 工程應(yīng)用舉例

“信號與系統(tǒng)”課程中理論知識點(diǎn)較多，與工程實(shí)踐的結(jié)合是教學(xué)改革的趨勢[6]。筆者參考了部分教材中的應(yīng)用實(shí)例[7-9]，選擇了通信、語音信號處理和圖像處理三個領(lǐng)域的工程實(shí)例作為仿真演示實(shí)例。調(diào)制和解調(diào)是“信號與系統(tǒng)”課程的重要知識點(diǎn)，通過演示界面，直觀地給出信號調(diào)制和解調(diào)的全過程，特別是調(diào)制前后時域和頻域的波形，其界面圖如圖9所示。語音信號和圖像信號是兩類常用工程信號，有眾多工程應(yīng)用，筆者選擇語音信號合成、語音信號分析作為初步的演示實(shí)例，同時配合課程教學(xué)中的系統(tǒng)分析應(yīng)用，將語音信號回聲消除系統(tǒng)進(jìn)行展示，上述界面圖如圖10-12所示。同時，平臺中將利用小波變換進(jìn)行圖像去噪的實(shí)例作為工程應(yīng)用的實(shí)例之一。

3 總結(jié)

本文介紹了“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)演示平臺的主要功能，特別詳細(xì)介紹了面向工程應(yīng)用的幾個實(shí)例和動態(tài)演示實(shí)例。該教學(xué)演示平臺互動性強(qiáng)，可為教學(xué)的有益輔助。目前，該教學(xué)仿真演示平臺僅涉及了三個應(yīng)用實(shí)例，今后可擴(kuò)展至更多領(lǐng)域，將工程案例與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合。目前，筆者團(tuán)隊(duì)正在擴(kuò)展語音信號分析與處理、圖像處理模塊的內(nèi)容，將更多應(yīng)用案例加入平臺中。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 杜世民， 楊潤萍. 基于Matlab GUI 的 “信號與系統(tǒng)”教學(xué)仿真平臺開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（3）：87-90.

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