谈玲珑，孙雁南，蒋圆圆

（安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥230088）

基于MATLAB GUI的《信号与系统》教学、实验一体化平台建设研究

谈玲珑，孙雁南，蒋圆圆

（安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥230088）

通过MATLAB GUI界面设计和编写回调函数完成信号与系统教学演示和实验平台的建设，实现对抽象定义、复杂公式的动态模拟仿真，使信号分析过程和结果得到可视化直观表现，避免大量繁琐复杂的推演，提高学习兴趣和学习效率。实验结果表明，系统界面友好，使用简单，可移植性和可扩展性强。

MATLAB GUI，信号与系统，教学演示、仿真实验

《信号与系统》课程主要讲解信号是什么、系统是什么、信号作用于系统的输出是什么。围绕这三个问题讲解信号与系统的基本概念和基本分析方法，这三个问题贯穿信号系统的四大域（时间域、频域、复频域、Z域），涉及的公式、理论推导、数学计算较多，需要学生具备较强的数学功底。

1 目前教学中存在的问题

该课程传统的教学模式是先理论教学后实验教学。采用板书讲授理论内容，课堂中大部分时间老师都是在对概念、公式及基本分析方法进行讲解。这种教学模式需要学生花大量时间在公式计算上，导致学生忽视对理论方法的理解及实际应用［1～3］。例如课程中第二章傅里叶变化，可以利用傅里叶变化数学工具将原来时域中复杂的信号转换为频域中的简单三角函数信号，原来在时域中求解系统输出的复杂过程到频域中可以得到简化。可以说傅里叶变化在整个信号与系统的研究发展中起到了基石的作用，然而在学习中，学生花费大量时间学习傅里叶变换公式、傅里叶变换性质，再利用傅里叶变化对线性时不变系统进行分析，结果只是得出了正确的结论。至于，傅里叶变化这种工具在信号与系统中有什么作用？为什么要用傅里叶变换来分析系统呢？有什么优缺点呢？学生没有直观的感受到，这就导致学生的学习只停留在表面上，理论方法不能很好的应用到实际中去，学生学习感觉到枯燥无味、积极性不高，学习效果不明显。另外，本课程涉及到的内容较多，理论讲解和定理推演较多，导致教学方法灵活性差，与学生的互动较少，启发性差［4］。

实验教学方面，受到实验仪器数量的限制，大多实行分组实验，这就导致有部分学生在规定的时间地点下不能全程参与到实验过程中，对实验的原理、步骤、结论没有系统的认识，实验效果不佳。另外，实验教学大都排在理论课结束后，且多数为验证性实验，实验内容较少且较简单，不能完全做到与教材配套。此外，实验仪器使用年限较长，部分芯片老化，导致有的实验结果与理论误差太大，实验难度加大，准确性不高［5，6］。

结合目前《信号与系统》课程理论、实验教学中存在的问题，可基于MATLAB GUI提供的图形界面开发一套用于辅助理论教学、开设虚拟实验的一体化平台。

2 《信号与系统》课程教学、实验一体化平台建设思路

《信号与系统》是电信类人才培养中的专业基础课程，为提高这一专业课的教学质量，建立一套用于提升理论和实验教学质量的一体化平台迫在眉睫［7］（如图1）。该平台由理论教学演示和仿真实验两部分组成。理论教学模块设计思路结合《信号与线性系统分析》（吴大正主编）教材将离散与连续并行处理、先时域后变换域。实验仿真模块根据理论教学模块设计相应的辅助实验，该平台涉及到信号与系统中四大域的主要知识点，几乎囊括了本课程的所有教学内容。在各个模块下按照教学需求和实验需求安排相应的子模块，例如教学演示下的信号与系统模块又包含如图2所示子模块。

图1 《信号与系统》教学、实验平台结构框图

图2 信号与系统子模块结构

3 基于MATLABGUI的信号与系统教学、实验平台建设效果

MATLAB作为一种高级计算机语言。其在算法开发、数值计算、图像处理等领域有着广泛的应用。其自带功能强大的数据处理、信号处理、控制设计等工具箱为用户免费提供软件接口和发布平台，省去了大量底层源代码的编写。其自带的图形界面开发工具GUI，通过可视化菜单中各功能模块的函数调用实现人机交互的用户界面，用户可以直观地看到各模块实现的功能，也可通过修改参数对比参数发生变化后对结果的影响。此外，用户也可在原有界面的基础上进行再次开发，对各模块功能进行修改、删除、增加等操作［8～10］。

通过MATLAB GUI界面设计和编写回调函数完成信号与系统教学、实验平台建设，主界面如图3示，点击相应的按钮可进入教学演示模块（图4）和实验仿真模块［11，12］（图5）。

4 基于MATLAB的信号与系统GUI演示实例

4.1 信号的基本运算

选择输入信号1为2sin0.5t，输入信号2为3sint，点击“信号相加”按钮计算两信号的和（如图6所示），实验结果与理论计算相符，达到预期演示效果。

图3 《信号与系统》教学、实验平台主界面

图4 教学演示模块

图5 实验仿真模块

图6 简单函数的性质

4.2 信号的频谱分析

（1）连续信号的频谱分析

选择输入信号波形为方波，输入频率为100，输入信号波形（图7虚线），点击“频谱分析”按钮，显示方波信号的频谱图（图7实线）。实验结果与理论计算相符，达到预期演示效果。

（2）离散信号的频谱分析

选择输入信号波形为正弦波，信号频率为100Hz，采样频率200Hz，对其做36点傅里叶变化，点击“频谱分析”按钮，得到该正弦信号的时域波形（图8虚线），和频域波形（图8实线）。实验结果与理论相符，达到预期演示效果。

图7 连续信号的频谱分析

图8 离散信号的频谱分析

4.3 滤波器设计

（1）巴特沃斯滤波器设计

设计一个截止频率为5000Hz、通带最大衰减3dB、阻带起始频率10000Hz、阻带最小衰减30dB的巴特沃斯低通滤波器。在实验仿真模块中点击相应的按钮进入模拟滤波器设计界面，选择巴特沃斯滤波器，设置相应的参数（如图9），点击“生成滤波器”按钮，生成滤波器如图9所示。实验结果与理论相符，达到预期演示效果。

（2）切比雪夫Ⅱ型滤波器设计

设计一个抽样脉冲为1000Hz、通带边界频率0.2π、通带最大衰减1dB、阻带截止频率0.4π、阻带最小衰减80dB的切比雪夫Ⅱ型低通滤波器。进入实验仿真模块后点击相应的按钮进入数字滤波器设计界面。在该界面中选择切比雪夫Ⅱ型滤波器，输入相应的参数（如图10），点击“生成滤波器”按钮，得到切比雪夫Ⅱ型滤波器如图10。实验结果与理论相符，达到预期演示效果。

图9 巴特沃斯滤波器设计

图10 切比雪夫Ⅱ型滤波器设计

5 结语

基于MATLAB GUI设计的《信号与系统》一体化平台突破了传统的理论教学和实验教学分离的现状，将理论与实践有机结合。系统将某些抽象的理论通过图形、动画直观展示，消除学生对复杂数学计算的恐惧心理。实践证明，使用该系统可帮助学生在学习过程中思考总结规律，极大地提高了教学效率和教学质量。

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Design of Teaching and Experiment Platform of Signals and Systems Based on MATLAB GUI

TAN Ling－long，SUN Yan－nan，JlANG Yuan－yuan

（Electronic Communication Engineering College，Anhui Xinhua University，Hefei Anhui 230088，China）

The teaching and experiment platform of signals and systems by the MATLAB GUI interface design and callback function.The platform complete dynamic simulation of the abstract definition and complex formula for the visual intuitive of signal analysis process and result，to avoid a large amount of complicated derivation.The experimental results show that this system has friendly interface，operation simple，portability and scalability.

MATLAB GUI；signals and systems；teaching demonstration；simulation experiment

TN911－33

A

1004－2237（2016）03－0038－04

10.3969／j.issn.1004－2237.2016.03.008

2016－04－14

安徽新华学院教育教学研究重点项目（2015jy009）

谈玲珑（1985－），女，安徽合肥人，讲师，硕士，研究方向为信号处理。E－mail：309618876＠qq.com