基于MATLAB的“信號與系統”虛擬實(shí)驗系統的研究

摘要：針對“信號與系統”課程理論性強、概念抽象、直觀(guān)性較差等特點(diǎn)，利用MATLAB軟件構建實(shí)現信號與系統虛擬實(shí)驗仿真平臺，通過(guò)對相關(guān)參數進(jìn)行設置，在交互式平臺上直觀(guān)顯示仿真實(shí)驗結果，克服硬件實(shí)驗系統的局限性，促進(jìn)時(shí)抽象理論的快速理解，培養學(xué)生的創(chuàng )新意識和創(chuàng )新能力，實(shí)現更好的實(shí)驗效果。
關(guān)鍵詞：MATLAB；信號與系統；虛擬實(shí)驗系統；GUI；仿真

信號與系統課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，它以高等數學(xué)、線(xiàn)性代數、電路分析以及工程數學(xué)等課程為基礎，同時(shí)又是后續如通信原理、數字信號處理以及研究生階段現代數字信號處理、隨機信號分析等專(zhuān)業(yè)課程的基礎，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)教育體系中起著(zhù)承上啟下的作用。該課程理論性強、概念抽象且難以理解、公式推導復雜計算繁瑣、實(shí)驗內容豐富等特點(diǎn)，使得其成為一門(mén)數學(xué)方法、專(zhuān)業(yè)理論和工程應用密切相結合的課程。因此，教學(xué)效果成敗的關(guān)鍵不在于學(xué)生認識和記憶了多少定義定理的條文，而應注重正確引導學(xué)生運用數學(xué)工具分析典型的實(shí)際問(wèn)題。
實(shí)驗教學(xué)是該課程理論學(xué)習中必不可少的部分。但是，在實(shí)驗教學(xué)中面臨很多問(wèn)題，諸如高校需要花費大量的經(jīng)費購置實(shí)驗儀器；硬件實(shí)驗儀器易于損壞、操作復雜、中間過(guò)程可視性差等。虛擬實(shí)驗技術(shù)的出現使上述問(wèn)題迎刃而解。虛擬實(shí)驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實(shí)等技術(shù)在計算機上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實(shí)驗各操作環(huán)節的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗項目，所取得的實(shí)驗效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗環(huán)境(平臺仿真)之上，并且注重實(shí)驗操作的交互性和實(shí)驗結果的仿真性。虛擬實(shí)驗是現代實(shí)驗教學(xué)的發(fā)展模式，它能夠有效地補充和完善硬件實(shí)驗，緩解實(shí)驗設備不足和滯后等問(wèn)題；允許出現誤操作，獲得“零”維護保障，便于開(kāi)展設計型、綜合型實(shí)驗；二次開(kāi)發(fā)和維護容易。因此，研究信號與系統虛擬實(shí)驗技術(shù)能夠有效地補充完善課程的實(shí)驗教學(xué)。

1 開(kāi)發(fā)工具MATLAB簡(jiǎn)介
MATLAB作為虛擬實(shí)驗仿真最常用軟件之一，在進(jìn)行實(shí)驗項目開(kāi)發(fā)時(shí)能夠有效彌補某些傳統硬件實(shí)驗箱的不足，利用其圖形用戶(hù)界面設計技術(shù)和強大的仿真功能完成原來(lái)在物理設備上所要完成的理論實(shí)驗，不僅可將抽象理論知識運用圖形、文字、數據等多種形式展現，更為實(shí)驗教學(xué)提供一個(gè)界面友好、操作簡(jiǎn)便的虛擬環(huán)境。
MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗室)的縮寫(xiě)，是美國MathWorks公司推出的商業(yè)化科技應用軟件，是一套適合多學(xué)科的、功能強大的工程計算和系統仿真軟件。它也是一種面向對象的交互式程序設計語(yǔ)言，具有友好的用戶(hù)界面及接近數學(xué)表達式的自然化語(yǔ)言、高效的數值計算及符號計算功能、完備的圖形處理功能以及功能豐富的應用工具箱等特點(diǎn)。在利用其進(jìn)行工程計算和系統仿真時(shí)，可以略去復雜的理論推導過(guò)程，使得編程快捷方便，易于實(shí)現。
MATLAB的GUI工具是一種包含多種圖形對象的界面，主要包括圖形顯示、功能按鈕控件以及用戶(hù)自定義的功能菜單等，利用屬性、事件過(guò)程、菜單等編輯器，可以構建一個(gè)功能完善，界面良好的交互式操作平臺，實(shí)現人機信息的交互。在設計界面內，用戶(hù)可以根據提示完成整個(gè)工程，而不必關(guān)心工程內部如何進(jìn)行工作。GUI設計主要依附于MATIAB環(huán)境提供的基本科學(xué)計算，同時(shí)也可利用GUIDE進(jìn)行設計，方便的穿件各種圖形句柄對象，實(shí)現仿真平臺的
用戶(hù)界面設計。

2 虛擬實(shí)驗系統設計
筆者借助于MATLAB軟件及其GUI工具，開(kāi)發(fā)設計可視化的信號與系虛擬實(shí)驗平臺，通過(guò)簡(jiǎn)單友好的交互式界面，完善實(shí)驗教學(xué)。
2．1 系統模塊結構
從信號與系統的理論教學(xué)內容著(zhù)手分析，結合傳統的信號與系統硬件實(shí)驗箱實(shí)現的實(shí)驗項目，將信號與系統虛擬實(shí)驗系統分為信號實(shí)驗和系統實(shí)驗兩大部分，然后針對每部分實(shí)驗再分別從連續時(shí)間和離散時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行虛擬仿真實(shí)現。信號實(shí)驗方面主要包括：信號的表示和仿真、信號的時(shí)域運算、信號的變換(傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換)；系統實(shí)驗方面主要包括系統的時(shí)域分析、頻域分析、S域分析以及Z域分析。同時(shí)兼顧連續和離散兩種特性，對虛擬實(shí)驗系統進(jìn)行模塊劃分逐一實(shí)現，系統模塊結構劃分如圖1所示。