信号与系统虚拟实验平台设计探讨

摘要：本文为了保证教学质量，利用MATLAB系统自带的图形用户界面（GraphicalUserInterface,GUI）设计出一个信号与系统虚拟实验平台。该平台涵盖了序列基本计算、基本信号产生、简单卷积实验、傅里叶变换实验、滤波器设计实验五大类，每个大类中含有小类。该平台操作简单，通俗易懂，更有利于学生的理解和老师的授课。

关键词：信号与系统；虚拟实验平台；MATLABGUI

信号与系统是工科类的一门重要课程，以数学分析、工程数学、电路理论等课程为基础，在此之上展开更深入的学习。同时，这门课程过于抽象，学生很难理解透，学习起来就显的动力不足，逐渐对课程失去兴趣，老师教授起来也颇具难度。在实验方面，以学生目前的水平，还无法做到完整的做出实验，因此，虚拟实验平台显的尤为重要。近年来，许多课程的实验实施都离不开MATLAB，尤其是工科的课程。利用MATLABGUI，设计信号与系统虚拟实验平台包括序列基本计算、基本信号产生、简单卷积实验、傅里叶变换实验、滤波器设计实验，大大减少了老师的教学压力，同时提高了学生的学习效率。

1MATLAB

Simulink是MATLAB中重要的仿真工具。Simulink提供图形编辑器，并且自动生成代码。在辅助教学中，可利用其进行对应实验的仿真，并且仿真结果可直接导入到MATLAB中，在此基础上，对实验结果进行更深层的分析，大大减少了老师的工作量。Simulink拥有庞大的数据库，对于仿真有深刻的确定性。学生只需简单学习操作步骤，就能直接进行仿真实验，节省了大量的时间。

2图形用户界面

GUI，图形用户界面，是由普通按钮，静态文本，可编辑文本，坐标区等控件组成的应用程序界面。在命令窗口中输入“guide”命令，进入到GUI设计窗口中，选择所需要的控件设置界面，通过改变控件的属性达到目的。设置成功后返回到MATLAB界面，代码自动生成。设计GUI应力求简洁明了，清晰大方，多采用图形，避免数值。在主界面上最好设置直达按钮，可直接进入到子界面。同时，子界面设置返回按钮，可直接返回上一界面，不需要重新打开。本虚拟实验平台界面清楚，操作方便，结果明了，可直接辅助教学。

3系统总体设计

3.1信号与系统实验平台总体框架设计

基于MATLABGUI的信号与系统虚拟实验平台包括序列基本计算、基本信号产生、简单卷积实验、傅里叶变换实验、滤波器设计实验五个主要板块。其中序列基本计算板块包括单位脉冲序列、单位阶跃序列、指数序列、序列卷积。基本信号产生模块包括正弦信号、指数信号、单位冲激信号。简单卷积实验板块包括卷积实验。傅里叶变换板块包括方波傅里叶分析、离散傅里叶变换。滤波器设计实验板块包括低通FIR滤波器和高通FIR滤波器。五个主要板块对应五个子界面，编写控件的回调函数，来实现控件相应的功能。编写主界面的回调函数，建立主界面和各个子界面之间的连接。实验平台系统的组成如图1所示。

3.2信号与系统实验平台分部框架设计

基于MALABGUI的信号与系统虚拟实验平台设计与开发框架设计如图2所示。

3.3设计步骤

（1）运用GUI的设计方法，先设计出系统的主界面，主界面包含了五个大的实验板块，分别设计出五个板块，板块设计直奔主题即可，不需要将文字进行美化。再分别设计出系统的子界面，相对于主界面，子界面的设计多了可编辑文本框，返回按钮。（2）对系统主界面和子界面的各个控件进行回调函数的编写，点击对应按钮即可进入到对应的界面，点击子界面上的返回按钮，可返回到上一界面。将实验结果记录，对其进行分析。（3）编写主界面的回调函数，将子界面嵌入到主界面中，通过主界面直接进入到子界面。

4系统界面设计

4.1主界面设计

如图3所示。在MATLAB命令窗口中输入’guide’指令，进入GUI设计窗口。在新建窗口中分别拖入一个静态文本和五个普通按钮。静态文本的String为“信号与系统”。背景颜色根据个人爱好设置，例如图2的淡粉色。五个普通按钮的String设置依次为“序列基本产生”，“基本信号产生”，“简单卷积实验”，“傅里叶变换实验”，“滤波器设计实验”。

4.2功能模块界面设计

该系统包含五个实验，每个实验都有相对应的按钮，点击对应的按钮，即可进入到对应的界面。同时，每个实验对应的界面都设置了返回按钮，可直接返回到主界面。以打开序列基本计算子界面为例，如图4所示。序列基本计算实验包括单位脉冲序列、单位阶跃序列、指数序列、序列卷积，点击对应的按钮即可出现对应的图像。4.2.1单位脉冲序列在按钮对应的可编辑的文本框中输入位移量，当输入位移量时，相应图像会显示出来。由于单位脉冲响应的特殊性，只在n=0处有定义，并且值始终为1。（1）单位脉冲序列算法原理脉冲信号：4.2.3指数序列（3）指数序列算法原理连续指数信号的一般表示为：4.2.4序列卷积在按钮对应的可编辑文本框中输入卷积幅度，当输入卷积幅度时，图像可显示出来。（4）序列卷积算法原理任意时间序列x(n)可表示为δ(n)的加权移位之线性关系组合。

5系统特征分析

操作简单，界面友好。老师通过平台教学，降低了复杂度，学生通过平台直接主观感受，更容易听懂。以繁化简，同时节省了老师和学生的时间。系统内容丰富。该系统涵盖了信号与系统这门课程的主要内容，扩展性强，老师可以根据实际情况进行改动，以此达到更好的教学效果。系统灵活性强。界面设计通俗易懂，完全可以按照教学要求直接进入界面，功能稳定，运行速度快。

6结语

信号与系统这门课程知识点繁杂，晦涩难懂，学生为此感到枯燥乏味。基于此，该实验平台的设计与开发融合了理论教学和实验教学，使得学生学起来轻松不少。教学过程中，通过画面展示，加深印象，使学生有更深刻的理解，从而提高课堂质量和效率，培养学生的思维能里。教师不需要反复强调，直接使用画面展示，且数字可以随意更改，使得计算结果更具对比性，大大减少了工作量。

参考文献

[1]沈再石.信号与系统MATLAB信号处理[M].清华大学出版社,2017.

[2]侯鹏亮，林其斌.基于MATLAB的“信号与系统”虚拟实验平台的设计[J].电子设计工程,2013.

[3]唐亮，吴扬，宫丽娜.基于GUI的信号与系统实验仿真平台设计[J].电脑知识与技术,2020,16(10):264-265.

[4]赵伶俐.基于MATLAB的信号与系统实验教学平台设计实现[J].2020,06,035.

作者：徐颖 胡琼 张会影 单位：江苏省南京市南京工业大学浦江学院