基于MATLAB的“信號(hào)與系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究

摘要：針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程理論性強(qiáng)、概念抽象、直觀性較差等特點(diǎn)，利用MATLAB軟件構(gòu)建實(shí)現(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在交互式平臺(tái)上直觀顯示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克服硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的局限性，促進(jìn)時(shí)抽象理論的快速理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)驗(yàn)效果。
關(guān)鍵詞：MATLAB；信號(hào)與系統(tǒng)；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；GUI；仿真

信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路分析以及工程數(shù)學(xué)等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)如通信原理、數(shù)字信號(hào)處理以及研究生階段現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、隨機(jī)信號(hào)分析等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)教育體系中起著承上啟下的作用。該課程理論性強(qiáng)、概念抽象且難以理解、公式推導(dǎo)復(fù)雜計(jì)算繁瑣、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，使得其成為一門數(shù)學(xué)方法、專業(yè)理論和工程應(yīng)用密切相結(jié)合的課程。因此，教學(xué)效果成敗的關(guān)鍵不在于學(xué)生認(rèn)識(shí)和記憶了多少定義定理的條文，而應(yīng)注重正確引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析典型的實(shí)際問題。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程理論學(xué)習(xí)中必不可少的部分。但是，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨很多問題，諸如高校需要花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)購置實(shí)驗(yàn)儀器；硬件實(shí)驗(yàn)儀器易于損壞、操作復(fù)雜、中間過程可視性差等。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)使上述問題迎刃而解。虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)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(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(平臺(tái)仿真)之上，并且注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。虛擬實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展模式，它能夠有效地補(bǔ)充和完善硬件實(shí)驗(yàn)，緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和滯后等問題；允許出現(xiàn)誤操作，獲得“零”維護(hù)保障，便于開展設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)；二次開發(fā)和維護(hù)容易。因此，研究信號(hào)與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠有效地補(bǔ)充完善課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 開發(fā)工具MATLAB簡介
MATLAB作為虛擬實(shí)驗(yàn)仿真最常用軟件之一，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)時(shí)能夠有效彌補(bǔ)某些傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱的不足，利用其圖形用戶界面設(shè)計(jì)技術(shù)和強(qiáng)大的仿真功能完成原來在物理設(shè)備上所要完成的理論實(shí)驗(yàn)，不僅可將抽象理論知識(shí)運(yùn)用圖形、文字、數(shù)據(jù)等多種形式展現(xiàn)，更為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個(gè)界面友好、操作簡便的虛擬環(huán)境。
MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫，是美國MathWorks公司推出的商業(yè)化科技應(yīng)用軟件，是一套適合多學(xué)科的、功能強(qiáng)大的工程計(jì)算和系統(tǒng)仿真軟件。它也是一種面向?qū)ο蟮慕换ナ匠绦蛟O(shè)計(jì)語言，具有友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言、高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能、完備的圖形處理功能以及功能豐富的應(yīng)用工具箱等特點(diǎn)。在利用其進(jìn)行工程計(jì)算和系統(tǒng)仿真時(shí)，可以略去復(fù)雜的理論推導(dǎo)過程，使得編程快捷方便，易于實(shí)現(xiàn)。
MATLAB的GUI工具是一種包含多種圖形對(duì)象的界面，主要包括圖形顯示、功能按鈕控件以及用戶自定義的功能菜單等，利用屬性、事件過程、菜單等編輯器，可以構(gòu)建一個(gè)功能完善，界面良好的交互式操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息的交互。在設(shè)計(jì)界面內(nèi)，用戶可以根據(jù)提示完成整個(gè)工程，而不必關(guān)心工程內(nèi)部如何進(jìn)行工作。GUI設(shè)計(jì)主要依附于MATIAB環(huán)境提供的基本科學(xué)計(jì)算，同時(shí)也可利用GUIDE進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便的穿件各種圖形句柄對(duì)象，實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的
用戶界面設(shè)計(jì)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
筆者借助于MATLAB軟件及其GUI工具，開發(fā)設(shè)計(jì)可視化的信號(hào)與系虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過簡單友好的交互式界面，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
2．1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)
從信號(hào)與系統(tǒng)的理論教學(xué)內(nèi)容著手分析，結(jié)合傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將信號(hào)與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為信號(hào)實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)兩大部分，然后針對(duì)每部分實(shí)驗(yàn)再分別從連續(xù)時(shí)間和離散時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行虛擬仿真實(shí)現(xiàn)。信號(hào)實(shí)驗(yàn)方面主要包括：信號(hào)的表示和仿真、信號(hào)的時(shí)域運(yùn)算、信號(hào)的變換(傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換)；系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方面主要包括系統(tǒng)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(xù)和離散兩種特性，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分逐一實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。