導(dǎo)語：信號與系統(tǒng)課程仿真實驗平臺設(shè)計分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：基于MATLABGUI的《信號與系統(tǒng)》課程仿真平臺實驗設(shè)計，主要是利用MATLAB的強大功能，繪制出《信號與系統(tǒng)》中不同沖激函數(shù)的響應(yīng)，方便對比學(xué)習(xí)不同的波形。在該仿真平臺中，分別設(shè)計一個主界面和八個子界面：主界面是設(shè)計平臺的總?cè)肟?，通過GUIDE工具箱中的各個控件，實現(xiàn)對子界面的跳轉(zhuǎn)，使得子界面與主界面相互聯(lián)系，方便用戶使用；子界面中包括《信號與系統(tǒng)》一書中八個章節(jié)的內(nèi)容。在該平臺中，用戶可以反復(fù)多次地輸入不同信號的不同參數(shù)，使得平臺產(chǎn)生不同的波形，這對于研究信號的響應(yīng)十分便利。

關(guān)鍵詞：MATLAB；信號與系統(tǒng)；仿真平臺；可視化；交互式；實驗系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)的不斷更新發(fā)展，開發(fā)和設(shè)計可視化和交互式的《信號與系統(tǒng)》課程的虛擬實驗平臺成為必然[1-2]。通過設(shè)計仿真平臺，可以讓學(xué)生和老師以及其他用戶直接地觀看到仿真波形，使得大家對于較為晦澀難懂的原理有更好的理解和掌握，為教學(xué)和研究提供了諸多便利[3-6]。為此，具有強大的數(shù)學(xué)功能以及波形顯示功能的MATLABGUI工具便成了最好的選擇。利用MATLAB設(shè)計和開發(fā)的虛擬仿真實驗平臺可以為用戶提供形象的仿真波形，顯示不同信號在不同激勵下的響應(yīng)。與此同時，GUIDE工具中還含有各種控件，方便人們依據(jù)自己的需要創(chuàng)建具有不同功能的虛擬操作平臺[7-10]。

1系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

1.1系統(tǒng)設(shè)計原理

MATLAB是MathWork公司出品的數(shù)學(xué)軟件，可以用于數(shù)據(jù)分析、信號處理、圖像處理等諸多方面，該軟件的交互式程序設(shè)計的環(huán)境，為本文的平臺設(shè)計提供了諸多便利。其中的大量庫函數(shù)也極大地便利了編程過程。在MATLAB的命令行窗口輸入GUIDE即可打開GUI界面，利用里面的各個控件，可以設(shè)計出自己需要的虛擬圖像，而且系統(tǒng)會自動生成.m文件，里面有各個控件的相關(guān)代碼和回調(diào)函數(shù)，只需要在相關(guān)控件的.m文件位置輸入相關(guān)代碼即可，極大地便利了用戶。在本平臺設(shè)計過程中，首先根據(jù)《信號與系統(tǒng)》一書的章節(jié)內(nèi)容，設(shè)計了主界面；然后通過close和run函數(shù)實現(xiàn)了子界面和主界面之間的跳轉(zhuǎn)。對于子界面的設(shè)計，依據(jù)《信號與系統(tǒng)》這本書，以每個章節(jié)為單位共設(shè)計了八個子界面；在每個子界面中都有相關(guān)按鈕的回調(diào)函數(shù)，使其與主界面實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，這八個子界面的內(nèi)容有信號與系統(tǒng)、傅里葉變換和系統(tǒng)的頻域分析、連續(xù)系統(tǒng)的S域分析、系統(tǒng)的狀態(tài)變量分析等諸多方面，不同的子界面對當(dāng)前章的內(nèi)容進行了詳細的分析，對不同激勵下的不同響應(yīng)進行了仿真；在子界面中還可以輸入不同的參數(shù)，觀察波形的變化，對不同信號有更透徹的理解。系統(tǒng)流程如圖2所示。

1.2系統(tǒng)設(shè)計步驟

對于主界面的設(shè)計，在MATLAB命令行窗口中，輸入命令GUIDE，點擊enter鍵打開GUI界面；然后選擇靜態(tài)文本的控件，雙擊左鍵對該控件進行詳細的設(shè)置，其中包括背景顏色（BackgroundColor）、字符串（String）、字形大?。‵ontSize）等；最后拖拽該空間大小，使仿真平臺界面更加美觀。對于子界面的設(shè)計，首先，像設(shè)計主界面一樣，對子界面進行設(shè)置，對于相關(guān)控件，利用回調(diào)函數(shù)使得系統(tǒng)可以對相關(guān)代碼進行波形仿真；然后，利用run函數(shù)實現(xiàn)子界面和主界面之間的跳轉(zhuǎn)，利用close函數(shù)關(guān)閉完成信號分析的子界面。

1.3系統(tǒng)模塊設(shè)計

對于主界面的設(shè)計，是為了方便對子界面的鏈接和跳轉(zhuǎn)，其中主要利用的是close函數(shù)和run函數(shù)。通過主界面可以更加方便地查找不同內(nèi)容，對系統(tǒng)起到了統(tǒng)領(lǐng)作用，也為仿真平臺的設(shè)計提供了系統(tǒng)的思路。對于子界面的設(shè)計，是基于對整本書的理解和概括總結(jié)，其中有更為詳細的函數(shù)舉例，通過這些具體的函數(shù)以及相關(guān)參數(shù)和不同的輸入信號，分析波形及其規(guī)律，能夠使學(xué)生更加具體直觀地掌握《信號與系統(tǒng)》中的內(nèi)容。

2系統(tǒng)測試

2.1子界面1的測試

《信號與系統(tǒng)》的第一章是信號與系統(tǒng)，主要體現(xiàn)信號波形與系統(tǒng)之間的關(guān)系。利用MATLAB對函數(shù)進行波形分析，本文選取了正弦信號、隨機信號、單位沖擊信號、符號信號、指數(shù)信號和三角信號這六個信號，展示了該平臺對信號的仿真效果。其中，除了各個函數(shù)的代碼外，主要使用了MATLAB中的plot函數(shù)，該函數(shù)的調(diào)用格式是plot（x，y），它的功能十分強大，不僅可以在調(diào)用格式的時候定義線條的顏色、粗細等，還可以同時輸出多條曲線。仿真效果如圖3所示。

2.2子界面2的測試

《信號與系統(tǒng)》的第二章是連續(xù)系統(tǒng)的時域分析。對于該子界面的設(shè)計，首先選取了函數(shù)y''(t)+2y'(t)+100y(t)=2x(t)，分別對其求沖擊響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。求沖擊響應(yīng)時，用到了impulse函數(shù)，其作用是計算并畫出系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)；求其零狀態(tài)響應(yīng)時，用到了lsim（）函數(shù)，其主要作用是求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)。在本章中，利用lsim函數(shù)對波形進行仿真的同時，也對其線條的顏色以及粗細等進行個性化設(shè)置。其次，又選取了y''(t)+2y'(t)+y(t)=f'(t)+2f'(t)函數(shù)進行仿真。仿真效果如圖4所示，在系統(tǒng)中設(shè)置不同顏色的仿真波形分別表示不同p值下的仿真效果，p=0.5時仿真波形為藍線，p=0.2時仿真波形為綠線，p=0.01時仿真波形為紅線。根據(jù)仿真波形可以很容易地觀察到，函數(shù)lsim（）對系統(tǒng)響應(yīng)的仿真效果與時間間隔的密集程度有很大關(guān)系，抽樣時間間隔越小其仿真效果越好。

2.3子界面3的測試

《信號與系統(tǒng)》的第三章是離散系統(tǒng)的時域分析。對于該章的子界面的設(shè)計，首先選取了函數(shù)y(k)+2.3452y(k-1)+2.75y(k-2)+1.889y(k-3)+0.6488y(k-4)=0.6488x(k-4)，k>0。對于該函數(shù)，分別求其脈沖響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。需要注意的是，對于該函數(shù)，本文設(shè)計了輸入信號，不同的輸入信號對應(yīng)不同的波形，如圖5所示。對于第二個函數(shù)y(n)+0.75y(n-1)+0.125y(n-2)=x(n)-x(n-1)，直接設(shè)定參數(shù)，使其出現(xiàn)波形。

2.4子界面4的測試

《信號與系統(tǒng)》的第四章是傅里葉變換和系統(tǒng)的頻域分析。根據(jù)書中的內(nèi)容，對此模塊主要分為兩部分進行設(shè)計。第一部分是對于傅里葉變換，將其分為方波傅里葉變換和快速傅里葉變換進行仿真。為了更加方便地研究傅里葉變化，將該界面設(shè)計成為可輸入幅度的形式，便于學(xué)習(xí)和研究不同幅度下的不同波形，以便學(xué)生對于傅里葉變換有更加清楚的認識。第二部分是對系統(tǒng)的頻域分析，選取函數(shù)H(s)＝50/[(s+1)(s+5)(s-2)]進行仿真。根據(jù)仿真效果可以觀察到?jīng)_擊響應(yīng)系統(tǒng)不穩(wěn)定；由相位裕量可以看出，當(dāng)幅值為0時，頻率響應(yīng)的相位大于180，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。仿真效果如圖6所示。

2.5子界面5的測試

《信號與系統(tǒng)》的第五章是連續(xù)系統(tǒng)的S域分析。以H(s)=1/(s3+2s2+2s+1)函數(shù)為例，分別用impulse（）函數(shù)和freqs（）函數(shù)求該系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)；最后觀察該函數(shù)的仿真零極點分布圖（圖7），可以看到該仿真圖的三個極點均位于S平面的左開平面上，所以該系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)，故影響沖擊響應(yīng)的幅度和相位的是零點。子界面6是離散系統(tǒng)的Z域分析，對于其仿真平臺的設(shè)計，與子界面5具有諸多相似之處，此處不再贅述。

2.6子界面7的測試

《信號與系統(tǒng)》第七章的主要內(nèi)容是系統(tǒng)函數(shù)。對這一章也同樣是分為兩部分進行仿真，首先是以函數(shù)H(w)=(jw)2/[(jw)2+10jw+50]為例，求其幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖８所示；然后求取RC系統(tǒng)電路的幅度響應(yīng)。從仿真結(jié)果可以觀察到，RC電路具有帶通特性，隨著RC值的減小，帶通頻率增加。

2.7子界面8的測試

《信號與系統(tǒng)》第八章的主要內(nèi)容是系統(tǒng)的狀態(tài)變量分析。首先需要求出離散時間系統(tǒng)狀態(tài)方程q(k+1)=Aq(k)+Bx(k)·y(k)=Cq(k)+Dx(k)的y1(k)-12和y1(k)-6的仿真波形圖；然后觀察其特性；最后計算連續(xù)系統(tǒng)dy(t)/dt+10y(t)=2x(t)，其中x(t)=u(t)，初始狀態(tài)y(0ˉ)=1。利用該仿真平臺，可以清晰地觀察到仿真效果波形圖，表明該算法的系統(tǒng)響應(yīng)在終值附近有很高的契合度，而在初值附近有較大誤差。仿真效果如圖9所示。

3結(jié)語

《信號與系統(tǒng)》課程內(nèi)容繁多，又有許多抽象的概念，同時涉及的內(nèi)容十分廣泛，包括時域頻域以及系統(tǒng)的分析方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)時常常會感到枯燥，并且伴有難以理解和掌握的情況。因此要熟練地掌握這門課程，對于輔助教學(xué)手段提出了更高的要求。因此，本文設(shè)計了基于MATLABGUI的《信號與系統(tǒng)》課程仿真實驗平臺，主要是為了讓學(xué)生和老師以及其他用戶對于信號等抽象、晦澀難懂的概念有更加具體、形象生動的認知，能夠更加清楚直觀地觀察各不同激勵下的不同響應(yīng)以及不同參數(shù)下的響應(yīng)。該仿真平臺作為《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)的輔助手段，可以使得學(xué)生對抽象知識的理解更加透徹，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但在仿真平臺的應(yīng)用上還有待進一步改進，在后續(xù)工作中需要繼續(xù)完善、細化平臺的功能。

作者：宋玲玲 劉立群 司財勇 王維云 顧任遠 單位：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院