基于MATLAB的信号与系统软件实验平台

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷　第２期　理工高教研究　Ｖ０１．２５　Ｎｏ．２　２００６年４月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ａｐｒｉｌ　２００６　基于Ｍ　ＡＴＬＡＢ的信号与系统软件实验平台　武汉理工大学　吕锋　刘泉　江雪梅　摘要：　基ＴＭＡＴＬＡＢ软件的信号与系统实验平台．弥补了教学中的不足　通过实验，加强学生对信号与系统课程的　理解和掌握。　信号与系统课程是高等院校电类专业学生的必修课，它　命令ｍａｉｎ．即可运行本实验系统．进入主实验界面　注意：如果　不仅是工科教学中一门非常基本的课程，而且也是工科学生　ＭＡＴＬＡＢ软件没有安装符号（Ｓｙｍｂｏｌｉｃ）、控制（Ｃｏｎｔｒｏ１）、信号　在大学教育阶段所修课程中受益面最广又最有用途的一门课　（Ｓｉｇｎａ１）工具箱．运行过程中会有些命令无法识别。　程。但学生在学习这门课程时，普遍感到信号与系统的概念很　ｍａｉｎ／　启动命令　抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。　实验的运行过程中，需要实验者输入相应的参数和矩阵．　因此，如何让学生尽快地理解与掌握课程中的基本概念、基本　请参照帮助文件和本书中的格式输入。数字之间用空格或逗　原理、基本分析方法以及学会灵活运用这一理论工具，是开设　号分隔．如果输入矩阵，用分号“；”分隔不同的行。　信号与系统课程所要解决的关键问题。为了达到这一教学目　（２）本实验系统的操作　本实验系统的主实验界面由一　的．课程实验是不可缺少的　以往的实验是通过搭建硬件电路　个窗口组成．如图１所示：　来实施的　由于受硬件电路与元器件性能的限制．实验的灵活　其中包括４各子菜单，分别为时域分析，频域分析．复频　性与实时性较差．影响了学生对理论与概念的深入理解与掌　域分析和Ｚ域分析。主界面中还包括一个数字滤波器工具箱　握．并且有的原理性说明．如一幅图像通过系统时，相位失真　按钮　与幅度失真对恢复图像质量的影响．硬件实验还无法实现　实验步骤；　在本课题中，我们采用ＭＡＴＩ　ＡＢ及其ＳＩＭＵＬＩＮＫ工具　利用鼠标在上边的子菜单中选择将要进行的实验主题。　箱开发了一套“信号与系统仿真实验系统”，并进行了实验性　鼠标左键点击确认．同时可以在实验目的窗口看到该实验主　能分析。鉴于大多数学校已经配备了“奔腾”以上的计算机．具　题的实验目的；　备了使用这套软件的能力，故本实验系统可为许多原来无法　利用鼠标在子菜单的分实验列表中选择将要进行的具体　开展信号与系统实验的学校提供一种可行的解决方案，同时　实验内容．鼠标左键点击确认．进人选定的实验界面，　能对在高等学校中普及ＭＡＴＬＡＢ起到积极的推动作用。　各实验界面都具有较好的人机交互界面，实验者可查询　一、基于ＭＡＴＬＡＢ的“信号与系统”软　各个实验的帮助文档．了解各个实验的具体使用方法。　件实验平台　（３）关团本实验系统　鼠标左键单击界面推出按钮，关闭　实验。　１．实验平台简介　本系统设计了十个实验．包括下　为了提高实验者编程能力，本系统所有实验的主程序都　列内容：信号的Ｆｏｕｒｉｅｒ分析、卷积计算、连续时间系统和离　在帮助中给出，实验者可参照帮助的内容自行进行设计性实　散时间系统的时域分析、变换域分析、状态变量分析、稳定性　验；　分析、数字滤波器的设计等．基本上粳盖了信号与线性系统理　所有在帮助中出现的设计脚本文件均可在ＭＡＴＬＡＢ命　论的主要内容。学生只要按要求认真预习和准备．可在ｌＯ小　令窗口下直接运行，脚本文件可以用ｏｐｅｎ＊．ｍ命令在编辑　时内完成全部实验　器中打开，其中＊号代表文件名；　为了加强学生的计算机编程能力和应用能力，所有实验　编写设计性实验要求使用者掌握一定的ＭＡＴＬＡＢ基础　均提供设计性实验内容，让学生参与编程。　编程技巧，请参阅相关ＭＡＴＬＡＢ入门级书籍；　（１）运行本实验系统在ＭＡＴＬＡＢ命令窗口下．键人启动　由于ＭＡＴＬＡＢ命令行不能识别中文命令，请不要使用　维普资讯 http://www.cqvip.com 吕锋　刘泉　江雪梅：基于ＭＡＴＬＡＢ的信号与系统软件实验平台　中文文件名，另外在编辑器中电无法正常看到以中文形式输　入的内容。如果想察看中文内容，可以先切换到中文输入法，　９９　然后再打开所要察看的文件，即可正常阅读。或者使用　ＷＯＲＤ打开＊．ｍ文件，但是需要安装ｎｏｔｅｂｏｏｋ。安装方法：　在命令窗口输入ｎｏｔｅｂｏｏｋ－－ｓｅｔｕｐ，按照提示操作。　本实验中所有要求输入波形宽度的地方．请输入宽度小　于２　的数值，以免图形窗无法完全显示整个波形。　２．实验实例　现以信号的Ｆｏｕｒｉｅｒ分析实验为例来　■　蚺＊删　说明基于ＭＡＴＩ　ＡＢ软件的信号与系统实验的方法和过程。　（１）基本原理　在信号与系统课程中详细讨论了信号的　Ｆｏｕｒｉｅｒ分析方法，包括周期信号的频谱分析——Ｆｏｕｒｉｅｒ级　数和非周期信号的频谱分析——Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的理论　Ｆｏｕｒｉ—　ｅｒ级数的理论告诉我们ｉ任何周期信号只要满足Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ条　件就可以分解成许多指数分量之和（指数Ｆｏｕｒｉｅｒ级数）或许　多正弦、余弦分量之和（三角Ｆｏｕｒｉｅｒ级数）直流分量及许多　正弦、余弦分量之和。通过本实验，可以比较直观地了解　Ｆｏｕｒｉｅｒ级数的物理意义，并观察到级数中各频率分量对波形　叫　的影响。在图中还可以看到这样一种现象：当选取Ｆｏｕｒｉｅｒ级　数的项数越多，所合成的波形　（ｆ）中的峰起越靠近ｆ（ｔ）的不　连续点。从理论上讲，当所选取的项数Ｎ越大时。　该峰起值趋　于一个常数．大约等于跳变值的９％，并从不连续点开始以起　伏振荡的形式逐渐衰减下去．㈡０　一此即Ｇｉｂｂｓ现象。通过选择不同　的周期函数，及输入不同的周期值和谐波次数．可以得到四种　不同的周期信号的频谱分析（也称谐波分析）结果。通过典型　信号频谱以及Ｆｏｕｒｉｅｒ变换性质的研究，可以初步掌握Ｆｏｕｒｉ—　ｅｒ分析方法的应用。本实验几乎包容了《信号与系统》中所有　常见信号的Ｆｏｕｒｉｅｒ变换对。实验者可以任意选择２组函数，一　　并通过适当的参数输入（各项参数由实验前准备．实验时由键　盘输入），回车后即可看到直观的波形显示（共４个）。由此可　验证一些典型信号的频谱以及傅立叶变换的主要性质，使实　验者能够直观地了解信号的时域、频域波形对照，加深对信号　频谱的理解。　（２）实验结果实验结果分别如图３，图４和图５所示。我　们可以看到周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性三　个特点。同学们通过观察、了解波形的变化，进一步理解与掌　握信号Ｆｏｕｒｉｅｒ分析的原理。　＾曲　■　蟠　嘲　。ｆ　Ｉ　图１矩形脉冲信号（Ｔ　２，谐波次数Ｎ＝３）　ｒ　Ｔ　、　ｔ　㈠　图２矩形脉冲信号（Ｔ＝２・谐波次数Ｎ＝９）　函坤　图３矩形脉冲信号（Ｔ＝２，谐波次数Ｎ＝３０）　ｉ一、小结　信号与系统实验软件的开发对学生学好信号与系统的课　程具有很好的辅助作用。与硬件实验相比，不仅具有显示的直　观性、实时性与逼真性。而且操作灵活。采用软件实验方式，节　省了大量的人力、物力和时间，提高了教学效率。在实验过程　中，学生不仅可以随意修改参数，比较实验结果，而且还可自　行设计系统进行模拟．加强了学生的综合设计能力　通过软件　实验。使学生尽早地接触现代化的工程技术和设计工具，调动　他们的积极性和主动性，激发他们的学习欲望。（作者吕锋为　教授）　参考文献　１　管致中．信号与线性系统［Ｍ］．北京：高等教育出版社。　２００４．　２郑君里．信号与系统［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００１．　３张智星．ＭＡＴＬＡＢ程序设计与应用［Ｍ］．北京　清华大学　出版社．２００２．　４陈桂明等．应用ＭＡＴＬＡＢ建模与仿真［Ｍ］．北京：科学出　版社．２００１．　５　Ｑｕａｔｉｅｒｉ．Ｔ．Ｆ．，Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｔｉｍｅ　Ｓｐｅｅｃｈ　Ｓｉｇｎａ［Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒａｔｉｃｅ（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌ１），２００１．　６　Ｈａｙｋｉｎ．Ｓ．．Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｔｈｅｏｒｙ，４ｔｈ　ｅｄ．（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　ＨａＩＩ）．２００２．