燕慧英 杜 娟

（洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471022）

信號類課程的虛擬實驗平臺設(shè)計

燕慧英 杜 娟

（洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471022）

針對信號類課程的實驗硬件投入不足、實驗教學(xué)內(nèi)容受限的特點，利用MATLAB軟件強(qiáng)大的數(shù)值處理及Web發(fā)布功能，設(shè)計實現(xiàn)了信號類課程的虛擬實驗平臺。該實驗平臺以交互的形式對課程中的實驗內(nèi)容進(jìn)行仿真并實時顯示，將抽象的概念、復(fù)雜的數(shù)值計算變得簡單直觀，有利于學(xué)生對基礎(chǔ)概念和原理的理解。實驗教學(xué)表明，該實驗平臺可以克服硬件實驗的限制，拓寬了實驗內(nèi)容，增強(qiáng)了實驗的靈活性，為實驗教學(xué)的改革提供了新的思路。

信號類課程；虛擬實驗；MATLAB；Web

1 引言

實驗是電子信息類專業(yè)必不可少的課程，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，實驗教學(xué)面臨很多問題，比如高校需要投入大量資金購買實驗設(shè)備，而且硬件儀器操作復(fù)雜易于損壞需要維護(hù)更新，實驗內(nèi)容簡單且可供選擇的數(shù)量較少，同時受到學(xué)校教學(xué)時數(shù)的限制，致使實驗教學(xué)的要求很難完全達(dá)到。為了解決在實驗教學(xué)中遇到的問題和困難，許多高校教師不斷進(jìn)行實驗教學(xué)的改革，建立軟件仿真實驗系統(tǒng)，拓寬實驗教學(xué)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力[1-4]。

以信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理為代表的信號類課程理論性強(qiáng)、概念抽象、公式推導(dǎo)繁瑣，以致學(xué)生對所學(xué)的概念、原理模糊不清，感覺講授的理論知識和實際應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響其學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣[5]。為了幫助學(xué)生更好地理解信號類課程的相關(guān)概念和基本分析方法，克服實驗內(nèi)容的限制及實驗設(shè)備的不足，筆者設(shè)計了一個通過計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)就能讓學(xué)生完成信號類課程實驗的虛擬平臺。該實驗平臺利用計算機(jī)模擬實驗環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實驗操作，不僅可以輔助學(xué)生進(jìn)行實驗原理及相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，還有效解決了實驗場地和實驗儀器短缺的問題，補(bǔ)充和完善了信號類課程的實驗教學(xué)。

2 開發(fā)工具簡介

MATLAB作為一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學(xué)軟件，集計算、數(shù)據(jù)可視化和程序設(shè)計于一體。Matlab Web Server是MATLAB軟件具有網(wǎng)絡(luò)計算功能的重要工具包之一，利用它可以建立遠(yuǎn)程仿真系統(tǒng)，避免安裝MATLAB軟件，能夠隨時隨地的利用Internet方便快捷的進(jìn)行遠(yuǎn)程仿真實驗，給實驗教學(xué)帶來極大的方便。Matlab Web Server的核心是可執(zhí)行程序matweb.exe，它負(fù)責(zé)解釋客戶機(jī)通過html頁面發(fā)送的請求，轉(zhuǎn)換為運行MATLAB應(yīng)用程序所需要的參數(shù)；接著啟動MATLAB進(jìn)程，并將參數(shù)傳遞給應(yīng)用程序進(jìn)行計算；計算完畢，MATLAB程序還負(fù)責(zé)將計算結(jié)果以html頁面的方式，通過matweb.exe輸出給客戶端的瀏覽器并顯示出來[6]。根據(jù)matweb.exe的工作過程，只要設(shè)計好輸入、輸出頁面和MATLAB的應(yīng)用程序就可以進(jìn)行仿真實驗。

信號類課程的虛擬實驗平臺采用Dreamwerver CS5進(jìn)行輸入輸出頁面的設(shè)計。Dreamwerver CS5是Adobe公司推出的網(wǎng)頁設(shè)計制作軟件，是一款集網(wǎng)頁制作和網(wǎng)站管理于一身的所見即所得網(wǎng)頁編輯器，利用它可以方便地制作出跨越平臺限制、跨越瀏覽器限制的充滿動感的網(wǎng)頁[7]。

3 虛擬實驗平臺的設(shè)計

3.1虛擬實驗平臺的內(nèi)容設(shè)計

信號類課程的虛擬實驗平臺是以信號與系統(tǒng)為基礎(chǔ)，同時涵蓋了數(shù)字信號處理的相關(guān)內(nèi)容。由于信號類課程的教學(xué)內(nèi)容廣泛，實驗平臺采用模塊化的設(shè)計思想，圍繞信號分析、系統(tǒng)分析和綜合應(yīng)用三個方面設(shè)計實驗內(nèi)容。每個方面設(shè)計若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又有若干個實驗構(gòu)成，層次清晰、簡單明了。結(jié)合我院選用的信號類課程的教材，信號分析設(shè)計了五個子系統(tǒng)，分別是：連續(xù)信號的時域分析（信號的平移、反褶、尺度變換以及兩個信號的相加與相乘運算）、連續(xù)信號的頻域分析（吉布斯現(xiàn)象、典型非周期信號的頻譜圖）、離散信號的時域分析（序列的平移、反褶、尺度變換以及兩個序列的相加與相乘運算）、離散信號的頻域分析（序列的傅里葉變換及離散傅里葉變換）、信號的采樣與恢復(fù)；系統(tǒng)分析也設(shè)計了五個子系統(tǒng)，分別是：連續(xù)系統(tǒng)的時域分析、頻域分析及s域分析，離散系統(tǒng)的時域分析和z域分析；綜合應(yīng)用設(shè)計了五個子系統(tǒng)，分別是：無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器、有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器、語音加密器、語音合成系統(tǒng)和雙音多頻（DTMF）撥號音編解碼系統(tǒng)。

3.2虛擬實驗平臺的界面設(shè)計

虛擬實驗平臺的界面采用多級嵌套的形式，自上而下進(jìn)行設(shè)計。先設(shè)計平臺的主界面，再設(shè)計子系統(tǒng)的界面，最后設(shè)計具體的實驗界面。當(dāng)所有界面都設(shè)計完成，還需要將它們有序地鏈接在一起以方便學(xué)生做實驗時使用。由于實驗平臺是基于Web的虛擬實驗平臺，所有的界面均是網(wǎng)頁形式，實驗結(jié)果也以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行顯示。如圖1所示是設(shè)計好的實驗平臺主界面。

圖1　虛擬實驗平臺的主界面

圖2　離散信號的時域分析頁面

4 具體的實驗演示

下面以離散信號的時域分析和雙音多頻（DTMF）撥號音編解碼系統(tǒng)為例，演示實驗平臺的使用方法。

4.1離散信號的時域分析

離散信號是指在時間上依次出現(xiàn)的數(shù)值序列，常用波形表示。離散信號的時域分析主要是關(guān)于離散信號的表示方法及基本運算，包括信號的平移、反轉(zhuǎn)、尺度變換等基本變換和兩個信號的加減和乘法運算。為此，我們設(shè)計了三個具體的實驗，分別是：序列的相加與相乘、序列的平移與反褶、序列的尺度變換。在圖 2所示的頁面上點擊相應(yīng)實驗的“單擊進(jìn)入”即可出現(xiàn)具體的實驗頁面，如圖 3所示是“離散信號的尺度變換”實驗頁面。假設(shè)離散信號，在頁面上輸入信號的頻率ω及抽取或插入的數(shù)值a，當(dāng)a>1時)(nf壓縮，當(dāng)a<1時)(nf擴(kuò)展。若頻率ω輸入10，a輸入3，點擊“運行”得到如圖4所示的波形，該波形驗證了離散信號的尺度變換。

圖3　離散信號的尺度變換實驗頁面

在實驗平臺的主界面上以分塊、列表的形式顯示其構(gòu)成。點擊列表中的名稱即可進(jìn)入對應(yīng)的實驗系統(tǒng)。比如點擊“離散信號的時域分析”，就會彈出相應(yīng)的頁面，如圖2所示。在實驗系統(tǒng)的頁面上包含所要操作實驗的名稱、實驗?zāi)康?、實驗原理和實驗?nèi)容。

圖4　離散信號尺度變換的生成頁面

4.2雙音多頻（DTMF）撥號音編解碼系統(tǒng)

一個雙音多頻（DTMF）電話機(jī)可以對16個按鍵進(jìn)行編碼，每個編碼均是兩個單頻正弦信號之和，這兩個單頻正弦信號分別來自兩個頻率組即低頻組和高頻組，它們與每個按鍵的對應(yīng)關(guān)系如表1所示[8]。在虛擬實驗平臺中設(shè)計的DTMF撥號音編解碼系統(tǒng)只設(shè)計了12個按鍵，舍去了表1中最右邊A、B、C、D四個字母，即高頻組變?yōu)槿齻€頻率組成，低頻組不變。數(shù)字DTMF接收機(jī)通過接收的雙音信號的頻譜，再現(xiàn)每個按鍵所對應(yīng)的兩個頻率，從而確認(rèn)被發(fā)送的電話號碼。

表1　DTMF按鍵對應(yīng)關(guān)系表

DTMF信號的編碼采用查表的方式模擬產(chǎn)生兩個不同頻率的正弦波，解碼采用快速傅里葉變換（FFT）計算N點頻率處的頻譜值，然后估算出所撥的電話號碼。在進(jìn)行實驗操作時，先在主界面上點擊“DTMF撥號音編解碼系統(tǒng)”彈出如圖5所示的實驗頁面，然后在該頁面上輸入四位電話號碼，接著點擊“運行”即可在輸出頁面上顯示電話號碼及其頻域波形，如圖6所示。

圖5　雙音多頻撥號音編解碼系統(tǒng)頁面

圖6　雙音多頻撥號音編解碼系統(tǒng)的生成頁面

5 結(jié)論

利用仿真軟件開發(fā)的信號類課程的虛擬實驗平臺是實驗教學(xué)的有益補(bǔ)充，它打破了學(xué)生學(xué)習(xí)受到的時間和空間的限制，形成了開放式的教學(xué)環(huán)境，充分發(fā)揮了校園網(wǎng)絡(luò)的作用，進(jìn)一步將電子化、信息化的校園建設(shè)落實到實際教學(xué)中，為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、個性化教育打下堅實的基礎(chǔ)。

該實驗平臺內(nèi)容全面，可以直接用于實驗教學(xué)，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在實驗界面上輸入不同的參數(shù)即可觀察產(chǎn)生的相應(yīng)圖形，將抽象的原理進(jìn)行形象地解釋，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實驗平臺還可以輔助課堂教學(xué)，教師將實驗程序從系統(tǒng)中取出，在講授具體的概念或原理時對其進(jìn)行實時仿真，有助于教師的講授和學(xué)生的理解，從而提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了改善教學(xué)效果的目的。

[1] 楊新盛.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)仿真實驗[J].廣東白云學(xué)院學(xué)報,2009,16(4):52-56.

[2] 黃琴,熊大紅.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化,2010,(12):186-188.

[3] 胡永生,譚業(yè)武.基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗系統(tǒng)的研究[J].山西電子技術(shù),2012,(1):92-94.

[4] 陳真,王延江.面向 Web的信號與系統(tǒng)課程多媒體交互系統(tǒng)開發(fā)[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012,(21):7-8.

[5] 張學(xué)敏,呂曉麗.信號類課程教學(xué)改革探索與實踐[J].科技教育,2014,(27):181-183.

[6] 何強(qiáng),何英.MATLAB擴(kuò)展編程[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2002.

[7] 唯美科技工作室編著.完全實例自學(xué) Dreamweaver CS5+ ASP+Access動態(tài)網(wǎng)頁制作[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[8] 王艷芬,王剛.數(shù)字信號處理原理及實現(xiàn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)(第 2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

Design of virtual experiment platform of signal courses

Aiming to the characteristic of the hardware experimental input shortage and the limitations of the experimental teaching content, using the function of MATLAB powerful numerical processing and web publishing, it designs and achieves the virtual experimental platform for signal courses. It simulates and real-time displays the experimental content of the signal courses in the form of interaction, the abstract concepts and complex numerical calculation becomes Simple and intuitive, which is beneficial to the students' understanding on the basic concept and principle. Experimental teaching shows that the experimental platform can overcome the limitations of hardware experiments, broaden the experimental content, enhance the flexibility of the experiment, and provide a new way for the reform of experimental teaching.

Signal courses; virtual experiment; MATLAB;Web

TP319

A

1008-1151(2015)07-0155-03

2015-06-10

洛陽師范學(xué)院教改項目。

燕慧英（1979－），女，河南開封人，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院講師，碩士，研究方向為通信與信號處理；杜娟（1964－），女，河南洛陽人，洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院副教授，研究方向為通信與計算機(jī)應(yīng)用。