張國強， 王 斌， 趙 靜

(西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院， 陜西 西安 710124)

Matlab與LabVIEW在信號與系統(tǒng)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用

張國強， 王 斌， 趙 靜

(西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院， 陜西 西安 710124)

針對信號與系統(tǒng)課程理論性強、內(nèi)容抽象的特點，借助Matlab和LabVIEW軟件輔助該課程的教學(xué)，以常見信號的波形、卷積積分、方波分解與合成、語音信號頻譜分析等實際應(yīng)用為例。教學(xué)實踐說明這兩款軟件的引入，可以充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，這種輔助教學(xué)手段能夠突破實驗室在元器件、儀器儀表等硬件及功能上的限制，使得課程實驗不受時間和空間的制約。

信號與系統(tǒng)； 教學(xué)方法； Matlab； LabVIEW

信號與系統(tǒng)課程是高等院校電子信息工程、通信工程、自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程在教學(xué)計劃中起著承前啟后的作用，在實際中也有著廣泛應(yīng)用[1-2]。信號與系統(tǒng)課程理論性強，學(xué)生普遍感覺內(nèi)容抽象、難理解[3]。在課程教學(xué)中嘗試引入Matlab和LabVIEW軟件進行輔助教學(xué)，以期達到更好的教學(xué)效果。

1 Matlab在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 在課程教學(xué)中引入Matlab的好處

Matlab是目前科學(xué)分析和計算領(lǐng)域的主流軟件，被IEEE評述為國際公認的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。Matlab提供了強大的矩陣處理和繪圖功能，使編程和調(diào)試效率大大提高。Matlab還提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，可方便地創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序，并根據(jù)用戶設(shè)計的GUI布局自動生成M文件框架，用戶可以使用這一框架編制自己的應(yīng)用程序。

Matlab已成為美國和其他發(fā)達國家在大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用而且必不可少的工具。國內(nèi)很多理工院校也已經(jīng)或者正在把該軟件作為應(yīng)用學(xué)科計算機輔助分析、設(shè)計、仿真和教學(xué)的基礎(chǔ)軟件[4]。

基于Matlab的GUI開發(fā)了一套信號與系統(tǒng)輔助教學(xué)軟件。該教學(xué)軟件可以完成信號與系統(tǒng)的時域分析、連續(xù)信號與系統(tǒng)的頻域分析、離散信號與系統(tǒng)的頻域分析、連續(xù)信號與系統(tǒng)的S域分析、離散信號與系統(tǒng)的Z域分析、狀態(tài)變量法等內(nèi)容的輔助教學(xué)。此外，為了與數(shù)字信號處理課程銜接和在教學(xué)中引入信號處理的前沿技術(shù)，還擴展了數(shù)字濾波器設(shè)計和小波分析理論應(yīng)用的內(nèi)容。

1.2 Matlab的應(yīng)用實例

(1) 常見信號的波形。如圖1和圖2所示，學(xué)生可以選擇不同控件或修改參數(shù)生成不同的信號。

圖1 典型周期信號(方波與三角波)截屏圖

圖2 階躍信號與沖激信號截屏圖

(2) 卷積積分。計算卷積積分需要經(jīng)過換元、翻褶、平移、相乘和最后疊加的過程，計算繁瑣，學(xué)生不易掌握。設(shè)計的卷積積分模塊可對卷積積分進行動態(tài)過程演示(見圖3)，使學(xué)生對這一重要數(shù)學(xué)工具通過圖解的形式加深理解[5]。

圖3 卷積積分過程演示截屏圖

(3) 方波分解與合成。方波常作為周期信號傅里葉級數(shù)展開時的實例。通過方波分解與合成模塊，可使學(xué)生理解周期信號為什么可以展開為不同頻率正弦波的疊加，以及頻譜和Gibbs現(xiàn)象，如圖4所示[6]。

(4) 語音信號頻譜分析。頻譜分析是信號與系統(tǒng)中非常重要的內(nèi)容。信號與系統(tǒng)課程中用以進行頻譜分析的信號一般是典型的平穩(wěn)信號，而實際信號往往是看似無規(guī)律的非平穩(wěn)信號[7]。作為理論聯(lián)系實際的實例，設(shè)計了語音信號頻譜分析模塊，通過對比李玉剛、鄭緒嵐和朱之文3位歌唱家所唱《枉凝眉》歌曲的頻譜，如圖5所示，學(xué)生可以直觀地理解頻譜概念。

(5) FFT譜分析。FFT是離散傅里葉變換DFT的快速算法。由于計算機只能處理離散有限長的數(shù)據(jù)，因此對連續(xù)信號進行頻譜分析時需進行采樣并截斷，再進行離散傅里葉變換[8]。圖6是利用FFT對混有隨機噪聲的連續(xù)信號進行譜分析的演示。通過該演示，學(xué)生可以觀察降低采樣頻率后引起的混疊現(xiàn)象、減少信號記錄時間造成的頻譜泄漏以及增加FFT的分析點數(shù)后的柵欄效應(yīng)。

圖4 方波分解與合成演示

圖5 語音信號頻譜分析演示

圖6 利用FFT進行譜分析演示

(6) 小波分析應(yīng)用。小波分析是20世紀80年代后期發(fā)展起來的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支，被廣泛應(yīng)用于信號處理、地震勘測、雷達、CT成像、天體識別、機器視覺、機械故障診斷與監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域。理論上，使用傅里葉分析的地方都可用小波分析取代。小波分析優(yōu)于傅里葉變換之處在于時域和頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)，因此被看作是調(diào)和分析這一數(shù)學(xué)領(lǐng)域半個世紀的工作結(jié)晶，被譽為“分析信號的數(shù)學(xué)顯微鏡”[9]。通過對比傅里葉分析和小波分析用于人體心電信號的消噪效果(見圖7)，可使學(xué)生對信號處理發(fā)展領(lǐng)域的一些熱點課題產(chǎn)生興趣。

圖7 小波分析與傅里葉分析消噪效果對比

2 LabVIEW在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，又稱為“G”語言。使用該語言編程時，基本上不用寫程序代碼，而是使用流程圖。LabVIEW盡可能地利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實驗室所接受。利用LabVIEW可以方便地建立用戶自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。使用LabVIEW進行信號與系統(tǒng)的理論研究和演示，可以加深學(xué)生對理論課程的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖8是部分基于LabVIEW開發(fā)的信號處理VI前面板模塊演示。

圖8 基于LabVIEW開發(fā)的信號處理VI演示

3 輔助教學(xué)的效果

在信號與系統(tǒng)課程中引入Matlab和LabVIEW軟件后，不僅教師可以通過軟件來驗證信號分析和處理算法，學(xué)生也能對抽象的理論知識加深理解，并且可以直觀地看到參數(shù)改變對實驗現(xiàn)象的影響，學(xué)習(xí)這門課程的興趣也大大提高。從期中教學(xué)檢查對學(xué)生問卷調(diào)查也能夠反映出這一效果。另外，這種輔助教學(xué)手段能夠突破實驗室在元器件、儀器儀表等硬件及功能上的限制，不會損壞設(shè)備，課程實驗也不受時間和空間的限制，促進多學(xué)科課程和實驗教學(xué)的現(xiàn)代化[10-11]。

References)

[1] 張國強.信號與系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[2] 王秀清.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)研究及其實踐[J].中國輕工教育,2006(4):69-71.

[3] 呂治國,丁國強.信號與系統(tǒng)課程實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2010,8(1):51-52.

[4] 陸克儉,竺興妹.MATLAB在圖像處理與分析中的應(yīng)用[J].今日科技,2006(12):44-45.

[5] 陳曉平，李長杰，毛彥欣.MATLAB在電路與信號及控制理論中的應(yīng)用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008.

[6] 王彥良.用有限項傅里葉級數(shù)三維趨近周期性方波信號[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,2(2):187-189.

[7] 邊海龍.非平穩(wěn)信號聯(lián)合時頻分析方法的若干問題研究與應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué),2008.

[8] 高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理[M].3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[9] 張臣國.小波分析在信號降噪中的應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué),2012.

[10] 張尤賽，馬國軍，黃煒嘉，等.“信號與系統(tǒng)”Matlab實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(18)：57-59.

[11] 武紅玉.基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”實驗教學(xué)改革[J].科技信息，2012(11)：182.184.

Application of Matlab and LabVIEW in auxiliary teaching of Signal and System course

Zhang Guoqiang， Wang Bin， Zhao Jing

(Mingde College, Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710124， China)

In view of the characteristics that the Signal and System course is of strong theory and abstract content, the Matlab and LabVIEW softwares are used to assist the teaching of such course. By taking the practical application of the common signal waveform, convolution integral, square wave decomposition and synthesis, speech signal frequency spectrum analysis, etc., as an example, the effect of teaching practice shows that the introduction of the two softwares can fully mobilize the enthusiasm of the students’ autonomous learning, and this kind of the auxiliary teaching means can break through the restriction of the hardwares and functions of the components, instruments, meters, etc., in the laboratory so that the course experiment is not limited by time and space.

signal and system; teaching method; Matlab; LabVIEW

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.035

TP391.9

B

1002-4956(2017)11-0145-04

2017-05-08

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK2215)

張國強(1980—)，男，山東青島，碩士，講師，主要研究方向為信號處理和虛擬儀器.