摘要：“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)的開發(fā)背景、開發(fā)平臺(tái)軟件簡(jiǎn)要介紹，采用編寫演示程序，建立MATLAB虛擬實(shí)驗(yàn)室等方法，可明顯提高實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matlab)；演示程序；虛擬實(shí)驗(yàn)

“信號(hào)與系統(tǒng)”是高職工科電子類專業(yè)學(xué)生受益面最廣而又最有用途的課程之一， 該課程所涉及的有關(guān)信息的獲取、信息的傳輸、信息的處理和信息重視的基本理論和相關(guān)技術(shù)，對(duì)幾乎所有的工程技術(shù)人員來說都是不可缺少的必備知識(shí)。但長(zhǎng)期以來，由于“信號(hào)與系統(tǒng)”課程本身的特點(diǎn)及教學(xué)方法和手段的單一，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程卻一直處于教難、學(xué)更難的境況中?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”課的特點(diǎn)是概念抽象，數(shù)學(xué)含量大，繁雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)及數(shù)學(xué)結(jié)果使學(xué)生難于理解。高職學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，這就更加需要通過實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生理解這些抽象概念。但是，由于信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備價(jià)格較高，實(shí)驗(yàn)難度較大，許多學(xué)校都因不具備實(shí)驗(yàn)條件而放棄了實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，極大地影響了教育質(zhì)量的提高。

如何找到一種切實(shí)可行的途徑來解決這一問題一直是努力的方向。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提升和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)成為一種潮流，并正取得積極的成果。

1. 《信號(hào)與系統(tǒng)》虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)平臺(tái)

MATLAB 是 matrixlabortory (矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫，是1984 年由美國(guó)Mathworks 公司推出的數(shù)值計(jì)算及圖形工具軟件，它最初是作為“矩陣?yán)碚摗焙汀皵?shù)據(jù)分析”等課程的計(jì)算工具，經(jīng)過十幾年的發(fā)展和完善，目前已成為世界各國(guó)在科學(xué)分析和計(jì)算領(lǐng)域的主流軟件，并被IEEE 評(píng)述為國(guó)際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。

它的主要特點(diǎn)是：

（1) MATLAB 可以用來解線性方程組、進(jìn)行矩陣變換與運(yùn)算、數(shù)據(jù)插值運(yùn)算等，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解 脫出來。

（2) MATLAB 中有許多高級(jí)的繪圖函數(shù)，包括二維、三維、專用圖形函數(shù)、圖形句柄、用戶圖形界面工具等，利用這些函數(shù)可以輕松地完成各種圖形的繪制和編輯工作，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化。

（3) 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)習(xí)者易于學(xué)習(xí)和掌握。

（4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱，通信工具箱，控制系統(tǒng)工具箱等) 為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。

MATLAB 的上述特點(diǎn)，使它深受工程技術(shù)人員及科技專家的歡迎，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、仿真、教學(xué)等領(lǐng)域不可缺少的基礎(chǔ)軟件。 目前，國(guó)內(nèi)很多理工 院校已經(jīng)或者正在把該軟件作為學(xué)生必須掌握的一種軟件。

針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，利用MATLAB 的信號(hào)處理工具箱和圖形處理及數(shù)據(jù)可視化，教師可以將結(jié)論直接用圖形來演示，從而讓學(xué)生對(duì)抽象的概念和定理以及結(jié)論有直觀地認(rèn)識(shí)，并加深對(duì)一些重要概念的理解；同時(shí)學(xué)生也可以親自動(dòng)手進(jìn)行課題設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)借助計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。因此我們將它選為該課程實(shí)驗(yàn)的開發(fā)平臺(tái)。

2. 利用MATLAB 提高信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量

（1）演示程序。演示程序能形象、直觀地反映教學(xué)內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的重要手段。MATLAB軟件中即帶有一些演示程序，作者也可以自己編寫相關(guān)演示程序，在課堂里進(jìn)行演示，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

例如通過輸入xpsound命令，運(yùn)行聲音演示鳥的叫聲，同時(shí)展示時(shí)域圖形（圖1），頻域圖形（圖2），使學(xué)生建立對(duì)統(tǒng)一事物可從時(shí)域、頻域不同角度進(jìn)行分析與描述，聲圖并茂，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。

（2）實(shí)驗(yàn)實(shí)例及其性能分析

1 ）“不同采樣率下相同音調(diào)聲音比較”實(shí)驗(yàn)

自己編寫一個(gè)程序，用MATLAB產(chǎn)生一個(gè)音調(diào)（即一個(gè)正弦信號(hào)），用soundsc()命令聽到它。正弦音調(diào)的頻率1800HZ，持續(xù)時(shí)間應(yīng)該為1.5S，所用的抽樣率（fs）等于44100HZ。更改抽樣率fs，分別等于5800，3800，3000，觀察聲音的不同。

MATLAB程序如下：

fs=44100;

tt=0:(1/fs):1;

y=sin(2*pi*1800*tt);

soundsc(y，fs)

2 ）“信號(hào)的波形及其頻譜分析”實(shí)驗(yàn)

自己編寫程序繪出了幾種時(shí)域信號(hào)的拉普拉斯變換的曲面圖和傅里葉變換的頻譜，頻譜析示了傅里葉變換與拉普拉斯變換之間的聯(lián)系。

程序如下：

% 繪制拉普拉斯變換曲面圖

clf;

a=-0:0.1:5;

b=-20:0.1:20;

[a，b]=meshgrid(a，b);

s=a+i*b;

xs=(1-exp(-2*s))./s;

xs=abs(xs);

mesh(a，b，xs);

surf(a，b，xs);

view(-60，20);

axis([-0，5，-20，20，0，2]);

title('信號(hào)的拉普拉斯變換');

colormap(hsv);

% 繪制傅里葉變換頻譜圖

figure(2)

w=-20:0.1:20;

xw=2*sinc(w/pi).*exp(-i*w);

plot(w，abs(xw));

title('信號(hào)的傅里葉變換');

輸出結(jié)果如圖3和圖4所示?？梢?，拉普拉斯變換的曲面圖在截面上的曲線為傅里葉變換的頻譜。

其他的實(shí)驗(yàn)我們不再一一列舉，可以看出虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了大量的實(shí)例，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)到信號(hào)與系統(tǒng)的一些基本原理與實(shí)際應(yīng)用；同時(shí)它也為學(xué)生留下了動(dòng)手實(shí)踐的空間。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以改變信號(hào)、模塊、仿真子系統(tǒng)等的參數(shù)，并觀察信號(hào)與系統(tǒng)的相應(yīng)變化。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生對(duì)所學(xué)的書本知識(shí)會(huì)有感性的認(rèn)識(shí)和直觀的驗(yàn)證，加深對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”原理的理解。

信號(hào)與系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)對(duì)學(xué)生學(xué)好信號(hào)與系統(tǒng)的課程具有很好的輔助作用。與硬件實(shí)驗(yàn)相比，不僅具有顯示的直觀性、實(shí)時(shí)性與逼真性，而且操作靈活。采用虛擬實(shí)驗(yàn)方式，節(jié)省了大量的人力、物力和時(shí)間，提高了教學(xué)效率。該虛擬實(shí)驗(yàn)曾在高職學(xué)生中使用，效果很好。學(xué)生普遍認(rèn)為：比單純課堂教學(xué)好多了。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能盡早地接觸現(xiàn)代化的工程技術(shù)和設(shè)計(jì)工具，調(diào)動(dòng)他們的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)欲望。

參考文獻(xiàn)：

[1] 管治中.信號(hào)與線性系統(tǒng)(第四版).北京:高等教育出版社，2004.

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