第８卷第１期 实验科学与技术 ・５１－ 信号与系统课程实验系统设计 吕治国。丁国强 （洛阳理工学院计算机与信息工程系，河南洛阳４７１０２３） 摘要：信号与系统课程理论教学中，由于课程内容繁多、概念抽象，学生常常会感到枯燥，难以理解和掌握。实验教学为 提高学生学习兴趣提供了一种必要的手段。针对当前实验教学实际情况和虚拟实验平台存在的不足，结合实物实验实际内 容，开发了信号与系统虚拟实验系统。该实验系统拉近了理论教学和实践教学的距离，将理论教学、虚拟实验教学和实物 实验教学紧密联系起来，加深了学生对信号与系统课程的理解和掌握，并在教学中得到应用，且取得良好的效果。 关键词：信号与系统；虚拟实验系统；理论教学；实践教学 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—４５５０（２０１０）０１—００５１—０３ 中图分类号：ＴＰ３１９：ＴＰ３９１．７ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＬＶ Ｚｈｉ—ｇｕｏ，ＤＩＮＧ Ｇｕｏ—ｑｉａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｕｏｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｏｕｒｓｅ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｍｕｃｈ ｅｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ａｂｓｔｒａｃｔｅｄ ｃｏｎｃｅｐｔ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｆｏｒ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｂａｌｄｎｅｓｓ ｍｏｏｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｓｉｖｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ．Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ ｐｌａｔａｆｏｒｍ，ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｉｎａｌｇ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｌｏｓｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｏｒｙ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｈａｎｇｅ ｍｏｒｅ ｎｅａｒｌｙ．Ｉｔ ｈｅｌｐｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｓｐ ｔｏ ｔｈｅ ｅｏｌｌｌ＇ｓｅ ｏｆ ｓｉｎａｌｇ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｉｌｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ Ｗａｓ ａｌＳＯ ａｐｐｒｅｃｉａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ；ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ １ 引 言 信号与系统课程是电子信息工程与通信工程专 业学生必修的一门专业基础课。该课程一方面以高 抽象，对其中的分析方法和基本理论不能很好地理 解和掌握。如果能通过实际动手设计、调试和分 析，则效果会好得多，这也是近来高等院校大量采 用实验教学的原因。目前大多数的实际仪器设备都 有着不可克服的缺点，比如设备的体积大、开发和 维护费用高、技术更新周期长、价格昂贵、功能单 操作不便，不方便在课堂上演示，在实际做实 验的过程中，需要连接复杂的线路、实验过程长、 一等数学、概率论及电路等课程为基础，同时又是相 关专业后继的数字信号处理、通信原理等专业课程 的先修课程，该课程在整个专业课程体系中担负着 承上启下的作用，通过课程的学习，使学生掌握确 ，定信号的特性；掌握线性时不变系统的特性；掌握 确定信号通过线性时不变系统的基本分析方法以及 某些典型系统引出的一些重要的基本概念，为进一 步学习专业课程奠定基础。 该课程传统的教学模式是采用粉笔加黑板式的 单一教学方式，给学生灌输大量的概念、定理，学 生只能通过大量做课后习题来理解巩固教学内容， 对课程中大量的抽象性应用性较强的内容教学效果 测试精度低、实验数据处理不方便。所以利用计算 机多媒体技术，开发出一种方便操作，显示效果好 的实验系统成为教学活动中迫切的需要。本文利用 Ｍａｄａｂ软件开发出一种具有良好操作界面的实验系 统，更新了教学方法，提高了教学质量，在实践教 学中发挥了良好的作用。 ２ 系统组成 该系统有以下几个组成部分：信号发生器，信 号分析仪，系统分析，滤波器设计。信号发生器模 块可以产生方波，正弦波，三角波信号，信号的幅 度，频率，相位可以调节。信号分析仪可以演示一 个信号的频谱分析，两个信号的卷积，相关，抽样 不是很好。学生在学习这门课程时，普遍感到概念 收稿日期：２００９一Ｏ８—２６ 作者简介：吕治国（１９７７一）男，硕士研究生，讲师，主要 研究方向为通信及语音编码技术。 ・５２・ 实验科学与技术 ２０１０年２月 定理，信号的合成分解，Ｆ变换，Ｌ变换，ｚ变换； 系统分析可以求一个系统的零输入响应，零状态响 应，全响应，冲激响应，阶跃响应；滤波器设计模 块可以设计ＦＩＲ，ＩＩＲ滤波器，显示频率响应的图 形。虚拟实验系统的主界面如图１所示。 图１虚拟实验系统的主界面 ３频谱分析仪 频谱分析仪主要分析一个信号的频谱成分及其 分布位置，是和时间域信号分析同等重要的一种分 析手段。该系统可以对一个信号进行时间域、频率 域的分析，例如对一个语音信号分析的源程序如 下： ［ｆｌ，ｆＳ，ｎｂｉｔｓ］＝ｗａｖｒｃａｄ（ｇｏｕｎｄ．ｗａｖ３； ｓｕｂｐｌｏｔ（１，３，１）； ｐｌｏｔ（ｆ１）； ｄ ｏｎ； ｘｌａｂｅｌ（样点个数’； ｙｌａｂｅｌ（幅度值，； ｔｉｌｔｅ（幅度谱々； ｙｌ＝ｆｆｔｓｈｉｆｔ（ｆｉｔ（ｆｌ，Ｎ））； ｎｌ＝１：Ｎ； ｓｂｕｐｌ￣（１，３，２）； ｐｌｏｔ（（ｎｌ—Ｎ／２）／Ｎ ８０００，ａｂｓ（ｙ１））； ｇｒｉｄ ｏｎ； 】【Ｉａｂｅ１（频率’； ￣ａｂｅｌ（幅度值’； ｔｉｌｔｅ（频谱’； ｓｕｂｐｌｏｔ（１，３，３）； ｐｌｏｔ（（ｎｌ—Ｎ／２）／Ｎ￥８０００，２０｝ｌｏｇ（ａｂｓ（ｙ１）））； ｄ ｏｎ； Ｍａｂｅｌ（频率，； ｙｌａｂｅｌ（幅度值’； ｔｉｌｔｅ（频谱，； 运行的结果如图２所示，图２中左边是时间域 波形，中间是频率域波形，右边是对数频率域波 形。 图２声音信号的时间域，频率域，对数频率域波形 ４卷积运算 卷积运算是“信号与系统”课程中比较难理解 的一个知识点，通过图像可以加深学生对这个知识 点的理解。比如门函数和指数信号的卷积演示的程 序如下： ｃｌｅ； ｃｌｅａｒ； Ｐ＝０．０１； ｎｌ＝０：Ｐ：２； ｆ＝２ ｏｎｅｓ（１，ｌｅｎ￣ｈ（ｎ１））； ｓｕｂｐｌｏｔ（１，３，１）； ｐｌｏｔ（ｎｌ，ｆ）； ａｘｉｓ（［０，４，０，３］）； ｎ２＝０：Ｐ：１０； ｈ＝ｅｘｐ（一ｎ２）； ｓｕｂｐｌｏｔ（１，３，２）； ｐｌｏｔ（ｎ２，ｈ）； Ｙ ｃｏｎｖ（ｆ，ｈ）； ｙ ｙ Ｐ； ｓｕｂｐｌｏｔ（１，３，３）； ｐｌｏｔ（Ｐ （［１：ｌ￣ｎｇｔｈ（ｙ）］一１），ｙ）； ｄ ｏｎ； 运行的结果如图３所示，图３中左边的是门函 数，中间的是指数函数，右边的是门函数和指数函 数卷积的结果。 ５ 系统响应 对于一个系统，它的响应可以分为零状态响 应，零输入响应，它们的和就是全响应，另外经常 使用的还有冲激响应，阶跃响应，这些都可以在该 实验系统上演示。比如有微分方程 ｙ”（ｔ）＋５ｙ （￡）＋４ｙ（ｔ）：厂（ｔ） 该方程的冲激响应和阶跃响应演示程序如下： ｃｌｅ； ｃｌｅａｒ； ｔｓ＝０； （下转第５９页） 第８卷第１期 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ・５９・ 了ＵＳＢ总线的优势，也大大降低了系统开发成本。 但ＵＳＢ驱动程序的开发难度较大。而在ＬａｂＶＩＥＷ 环境下采用ＮＩ—ＶＩＳＡ作为开发工具进行ＵＳＢ驱动 程序的开发则较为容易。不但开发难度较低，而且 开发出的系统稳定可靠，不失为一种开发ＵＳＢ驱 动程序的最佳选择。 参考文献 图４ ＵＳＢ通信ＬａｂＶＩＥＷ程序框图 余志荣，杨莉．基于ＮＩ—ＶＩＳＡ与ＬａｂＶＩＥＷ的ＵＳＢ 接口应用设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００７， １：６６—６９． 按要求发送到数据缓冲区；（３）通过ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ 函数将数据读出；（４）通过ＶＩＳＡ Ｃｌｏｓｅ函数关闭 设备。 ［２］ 李军．５１系列单片机高级实例开发指南［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００４． ５ 结束语 ＵＳＢ总线应用到数据采集系统中具有明显的优 势。基于单片机的ＵＳＢ数据采集系统既充分体现 （上接第５２页） ［３］ 廖济林．ＵＳＢ２．０应用系统开发实例精讲［Ｍ］．北京： 电子工业出版社，２００６． ［４］ 张桐，陈国顺．精通ＬａｂＶＩＥＷ程序设计［Ｍ］．北京： 电子工业出版社，２００８． １』Ｉ＝ ６结束语 将Ｍａｔｌａｂ应用到信号与系统课程中，可以让 学生直观地观测到晦涩难懂的原理演示，帮助学生 理解和领会抽象的内容，提高学习的兴趣和积极 性。由于该系统不但有显示直观的优点，并且非常 方便在计算机多媒体课堂上演示，克服了实际试验 仪器的部分缺点，从而有效地提高课程的教学质 量，并达到改善教学效果的目的。本系统已在洛阳 理工学院通信专业的教学中使用，使用的效果很 图３卷积运算 图４连续系统的冲激 响应和阶跃响应 好，基本解决了理论教学与实物实验教学联系不紧 的问题，培养了学生的动手创新能力，拉近了理论 教学，虚拟实验教学，实际试验教学的距离。 参考文献 ｔｅ＝５； ｄｔ＝０．０１： 姚秀芳，张永乐．ＭＡＴＬＡＢ在《信号与系统》课程教 学中的应用研究［Ｃ］／／北京高教学会实验室工作研究 会２００７年学术研讨会论文集，北京：北京高教学会实 验室工作研究会，２００７：４＿４６—４５０． ｂ＝［１］； ａ＝［１，５，４］； ｓｙｓ＝ｔｆ（ｂ，ａ）； ｔ＝ｔｓ：ｄｔ：ｔｅ； 丹梅，陶华敏，刘忠，等．信号与系统课程多媒体辅助 教学的实践与思考［Ｊ］．高等教育研究学报，２００９ （０１）：７１—７３． ｙｌ＝ｉｍｐｕｌｓｅ（ｓｙｓ，ｔ）； ｙ２＝ｓｔｅｐ（ｓｙｓ，ｔ）； ｓｕｂｐｌｏｔ（１，２，１）； ｐｌｏｔ（ｔ，ｙ１）； ｄ ｏｎ； 金波．“信号与系统”课程教学改革探析——将ＭＡＴ－ ＬＡＢ融入课程的体会［Ｊ］．中国电子教育，２００７ （ｏ２）：６０—６３． ｓｕｂｐｌｏｔ（１，２，２）； ｐｌｏｔ（ｔ，ｙ２）； ｓｒｉａ ｏｎ； 吕锋，刘泉，江雪梅．基于ＭＡＴＬＡＢ的信号与系统软件 实验平台［Ｊ］．理工高教研究，２Ｏ０６（０２）：９８—９９Ｌ 梁虹，杨鉴，普园媛．基于ＭＡＴＬＡＢ的“信号与系 统”计算机辅助教学系统设计［Ｊ］．云南大学学报： 自然科学版，２００１（０２）：１１１—１１４． 运行结果如图４所示，图４中左图为冲激响 应，右图为阶跃响应。
