導(dǎo)語：信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗平臺設(shè)計探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文為了保證教學(xué)質(zhì)量，利用MATLAB系統(tǒng)自帶的圖形用戶界面（GraphicalUserInterface,GUI）設(shè)計出一個信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗平臺。該平臺涵蓋了序列基本計算、基本信號產(chǎn)生、簡單卷積實(shí)驗、傅里葉變換實(shí)驗、濾波器設(shè)計實(shí)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(xué)生的理解和老師的授課。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；虛擬實(shí)驗平臺；MATLABGUI

信號與系統(tǒng)是工科類的一門重要課程，以數(shù)學(xué)分析、工程數(shù)學(xué)、電路理論等課程為基礎(chǔ)，在此之上展開更深入的學(xué)習(xí)。同時，這門課程過于抽象，學(xué)生很難理解透，學(xué)習(xí)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(shí)驗方面，以學(xué)生目前的水平，還無法做到完整的做出實(shí)驗，因此，虛擬實(shí)驗平臺顯的尤為重要。近年來，許多課程的實(shí)驗實(shí)施都離不開MATLAB，尤其是工科的課程。利用MATLABGUI，設(shè)計信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗平臺包括序列基本計算、基本信號產(chǎn)生、簡單卷積實(shí)驗、傅里葉變換實(shí)驗、濾波器設(shè)計實(shí)驗，大大減少了老師的教學(xué)壓力，同時提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)中，可利用其進(jìn)行對應(yīng)實(shí)驗的仿真，并且仿真結(jié)果可直接導(dǎo)入到MATLAB中，在此基礎(chǔ)上，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)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(shù)據(jù)庫，對于仿真有深刻的確定性。學(xué)生只需簡單學(xué)習(xí)操作步驟，就能直接進(jìn)行仿真實(shí)驗，節(jié)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(tài)文本，可編輯文本，坐標(biāo)區(qū)等控件組成的應(yīng)用程序界面。在命令窗口中輸入“guide”命令，進(jìn)入到GUI設(shè)計窗口中，選擇所需要的控件設(shè)置界面，通過改變控件的屬性達(dá)到目的。設(shè)置成功后返回到MATLAB界面，代碼自動生成。設(shè)計GUI應(yīng)力求簡潔明了，清晰大方，多采用圖形，避免數(shù)值。在主界面上最好設(shè)置直達(dá)按鈕，可直接進(jìn)入到子界面。同時，子界面設(shè)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(shí)驗平臺界面清楚，操作方便，結(jié)果明了，可直接輔助教學(xué)。

3系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1信號與系統(tǒng)實(shí)驗平臺總體框架設(shè)計

基于MATLABGUI的信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗平臺包括序列基本計算、基本信號產(chǎn)生、簡單卷積實(shí)驗、傅里葉變換實(shí)驗、濾波器設(shè)計實(shí)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(shù)序列、序列卷積。基本信號產(chǎn)生模塊包括正弦信號、指數(shù)信號、單位沖激信號。簡單卷積實(shí)驗板塊包括卷積實(shí)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(shè)計實(shí)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(yīng)五個子界面，編寫控件的回調(diào)函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)控件相應(yīng)的功能。編寫主界面的回調(diào)函數(shù)，建立主界面和各個子界面之間的連接。實(shí)驗平臺系統(tǒng)的組成如圖1所示。

3.2信號與系統(tǒng)實(shí)驗平臺分部框架設(shè)計

基于MALABGUI的信號與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗平臺設(shè)計與開發(fā)框架設(shè)計如圖2所示。

3.3設(shè)計步驟

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

4系統(tǒng)界面設(shè)計

4.1主界面設(shè)計

如圖3所示。在MATLAB命令窗口中輸入’guide’指令，進(jìn)入GUI設(shè)計窗口。在新建窗口中分別拖入一個靜態(tài)文本和五個普通按鈕。靜態(tài)文本的String為“信號與系統(tǒng)”。背景顏色根據(jù)個人愛好設(shè)置，例如圖2的淡粉色。五個普通按鈕的String設(shè)置依次為“序列基本產(chǎn)生”，“基本信號產(chǎn)生”，“簡單卷積實(shí)驗”，“傅里葉變換實(shí)驗”，“濾波器設(shè)計實(shí)驗”。

4.2功能模塊界面設(shè)計

該系統(tǒng)包含五個實(shí)驗，每個實(shí)驗都有相對應(yīng)的按鈕，點(diǎn)擊對應(yīng)的按鈕，即可進(jìn)入到對應(yīng)的界面。同時，每個實(shí)驗對應(yīng)的界面都設(shè)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(shí)驗包括單位脈沖序列、單位階躍序列、指數(shù)序列、序列卷積，點(diǎn)擊對應(yīng)的按鈕即可出現(xiàn)對應(yīng)的圖像。4.2.1單位脈沖序列在按鈕對應(yīng)的可編輯的文本框中輸入位移量，當(dāng)輸入位移量時，相應(yīng)圖像會顯示出來。由于單位脈沖響應(yīng)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(shù)序列（3）指數(shù)序列算法原理連續(xù)指數(shù)信號的一般表示為：4.2.4序列卷積在按鈕對應(yīng)的可編輯文本框中輸入卷積幅度，當(dāng)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(quán)移位之線性關(guān)系組合。

5系統(tǒng)特征分析

操作簡單，界面友好。老師通過平臺教學(xué)，降低了復(fù)雜度，學(xué)生通過平臺直接主觀感受，更容易聽懂。以繁化簡，同時節(jié)省了老師和學(xué)生的時間。系統(tǒng)內(nèi)容豐富。該系統(tǒng)涵蓋了信號與系統(tǒng)這門課程的主要內(nèi)容，擴(kuò)展性強(qiáng)，老師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改動，以此達(dá)到更好的教學(xué)效果。系統(tǒng)靈活性強(qiáng)。界面設(shè)計通俗易懂，完全可以按照教學(xué)要求直接進(jìn)入界面，功能穩(wěn)定，運(yùn)行速度快。

6結(jié)語

信號與系統(tǒng)這門課程知識點(diǎn)繁雜，晦澀難懂，學(xué)生為此感到枯燥乏味。基于此，該實(shí)驗平臺的設(shè)計與開發(fā)融合了理論教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)，使得學(xué)生學(xué)起來輕松不少。教學(xué)過程中，通過畫面展示，加深印象，使學(xué)生有更深刻的理解，從而提高課堂質(zhì)量和效率，培養(yǎng)學(xué)生的思維能里。教師不需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)，直接使用畫面展示，且數(shù)字可以隨意更改，使得計算結(jié)果更具對比性，大大減少了工作量。

參考文獻(xiàn)

[1]沈再石.信號與系統(tǒng)MATLAB信號處理[M].清華大學(xué)出版社,2017.

[2]侯鵬亮，林其斌.基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗平臺的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2013.

[3]唐亮，吳揚(yáng)，宮麗娜.基于GUI的信號與系統(tǒng)實(shí)驗仿真平臺設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù),2020,16(10):264-265.

[4]趙伶俐.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)平臺設(shè)計實(shí)現(xiàn)[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(yè)大學(xué)浦江學(xué)院