信號與系統虛擬實驗平臺設計探討

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摘要：本文為了保證教學質量，利用MATLAB系統自帶的圖形用戶界面（GraphicalUserInterface,GUI）設計出一個信號與系統虛擬實驗平臺。該平臺涵蓋了序列基本計算、基本信號產生、簡單卷積實驗、傅里葉變換實驗、濾波器設計實驗五大類，每個大類中含有小類。該平臺操作簡單，通俗易懂，更有利于學生的理解和老師的授課。

關鍵詞：信號與系統；虛擬實驗平臺；MATLABGUI

信號與系統是工科類的一門重要課程，以數學分析、工程數學、電路理論等課程為基礎，在此之上展開更深入的學習。同時，這門課程過于抽象，學生很難理解透，學習起來就顯的動力不足，逐漸對課程失去興趣，老師教授起來也頗具難度。在實驗方面，以學生目前的水平，還無法做到完整的做出實驗，因此，虛擬實驗平臺顯的尤為重要。近年來，許多課程的實驗實施都離不開MATLAB，尤其是工科的課程。利用MATLABGUI，設計信號與系統虛擬實驗平臺包括序列基本計算、基本信號產生、簡單卷積實驗、傅里葉變換實驗、濾波器設計實驗，大大減少了老師的教學壓力，同時提高了學生的學習效率。

1MATLAB

Simulink是MATLAB中重要的仿真工具。Simulink提供圖形編輯器，并且自動生成代碼。在輔助教學中，可利用其進行對應實驗的仿真，并且仿真結果可直接導入到MATLAB中，在此基礎上，對實驗結果進行更深層的分析，大大減少了老師的工作量。Simulink擁有龐大的數據庫，對于仿真有深刻的確定性。學生只需簡單學習操作步驟，就能直接進行仿真實驗，節省了大量的時間。

2圖形用戶界面

GUI，圖形用戶界面，是由普通按鈕，靜態文本，可編輯文本，坐標區等控件組成的應用程序界面。在命令窗口中輸入“guide”命令，進入到GUI設計窗口中，選擇所需要的控件設置界面，通過改變控件的屬性達到目的。設置成功后返回到MATLAB界面，代碼自動生成。設計GUI應力求簡潔明了，清晰大方，多采用圖形，避免數值。在主界面上最好設置直達按鈕，可直接進入到子界面。同時，子界面設置返回按鈕，可直接返回上一界面，不需要重新打開。本虛擬實驗平臺界面清楚，操作方便，結果明了，可直接輔助教學。

3系統總體設計

3.1信號與系統實驗平臺總體框架設計

基于MATLABGUI的信號與系統虛擬實驗平臺包括序列基本計算、基本信號產生、簡單卷積實驗、傅里葉變換實驗、濾波器設計實驗五個主要板塊。其中序列基本計算板塊包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數序列、序列卷積。基本信號產生模塊包括正弦信號、指數信號、單位沖激信號。簡單卷積實驗板塊包括卷積實驗。傅里葉變換板塊包括方波傅里葉分析、離散傅里葉變換。濾波器設計實驗板塊包括低通FIR濾波器和高通FIR濾波器。五個主要板塊對應五個子界面，編寫控件的回調函數，來實現控件相應的功能。編寫主界面的回調函數，建立主界面和各個子界面之間的連接。實驗平臺系統的組成如圖1所示。

3.2信號與系統實驗平臺分部框架設計

基于MALABGUI的信號與系統虛擬實驗平臺設計與開發框架設計如圖2所示。

3.3設計步驟

（1）運用GUI的設計方法，先設計出系統的主界面，主界面包含了五個大的實驗板塊，分別設計出五個板塊，板塊設計直奔主題即可，不需要將文字進行美化。再分別設計出系統的子界面，相對于主界面，子界面的設計多了可編輯文本框，返回按鈕。（2）對系統主界面和子界面的各個控件進行回調函數的編寫，點擊對應按鈕即可進入到對應的界面，點擊子界面上的返回按鈕，可返回到上一界面。將實驗結果記錄，對其進行分析。（3）編寫主界面的回調函數，將子界面嵌入到主界面中，通過主界面直接進入到子界面。

4系統界面設計

4.1主界面設計

如圖3所示。在MATLAB命令窗口中輸入’guide’指令，進入GUI設計窗口。在新建窗口中分別拖入一個靜態文本和五個普通按鈕。靜態文本的String為“信號與系統”。背景顏色根據個人愛好設置，例如圖2的淡粉色。五個普通按鈕的String設置依次為“序列基本產生”，“基本信號產生”，“簡單卷積實驗”，“傅里葉變換實驗”，“濾波器設計實驗”。

4.2功能模塊界面設計

該系統包含五個實驗，每個實驗都有相對應的按鈕，點擊對應的按鈕，即可進入到對應的界面。同時，每個實驗對應的界面都設置了返回按鈕，可直接返回到主界面。以打開序列基本計算子界面為例，如圖4所示。序列基本計算實驗包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數序列、序列卷積，點擊對應的按鈕即可出現對應的圖像。4.2.1單位脈沖序列在按鈕對應的可編輯的文本框中輸入位移量，當輸入位移量時，相應圖像會顯示出來。由于單位脈沖響應的特殊性，只在n=0處有定義，并且值始終為1。（1）單位脈沖序列算法原理脈沖信號：4.2.3指數序列（3）指數序列算法原理連續指數信號的一般表示為：4.2.4序列卷積在按鈕對應的可編輯文本框中輸入卷積幅度，當輸入卷積幅度時，圖像可顯示出來。（4）序列卷積算法原理任意時間序列x(n)可表示為δ(n)的加權移位之線性關系組合。

5系統特征分析

操作簡單，界面友好。老師通過平臺教學，降低了復雜度，學生通過平臺直接主觀感受，更容易聽懂。以繁化簡，同時節省了老師和學生的時間。系統內容豐富。該系統涵蓋了信號與系統這門課程的主要內容，擴展性強，老師可以根據實際情況進行改動，以此達到更好的教學效果。系統靈活性強。界面設計通俗易懂，完全可以按照教學要求直接進入界面，功能穩定，運行速度快。

6結語

信號與系統這門課程知識點繁雜，晦澀難懂，學生為此感到枯燥乏味。基于此，該實驗平臺的設計與開發融合了理論教學和實驗教學，使得學生學起來輕松不少。教學過程中，通過畫面展示，加深印象，使學生有更深刻的理解，從而提高課堂質量和效率，培養學生的思維能里。教師不需要反復強調，直接使用畫面展示，且數字可以隨意更改，使得計算結果更具對比性，大大減少了工作量。

參考文獻

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[3]唐亮，吳揚，宮麗娜.基于GUI的信號與系統實驗仿真平臺設計[J].電腦知識與技術,2020,16(10):264-265.

[4]趙伶俐.基于MATLAB的信號與系統實驗教學平臺設計實現[J].2020,06,035.

作者：徐穎 胡瓊 張會影 單位：江蘇省南京市南京工業大學浦江學院