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基于Matlab GUI的信号与系统实验平台设计

发表时间：2020/8/4 来源：《电力设备》2020年第8期作者：魏魁祥

[导读] 摘要：本虚拟实验系统具有可视化的特点，操作方便、直观．通过GUI界面，学生可以进入教师指定的实验项目，进入相应的环境，设置和调整仿真参数，进行仿真试验；或者任意进入感兴趣的实验项目，打开参考资料及问题解答，进行自学。

        (天津市航天安通电子科技有限公司天津 300400)
        摘要：本虚拟实验系统具有可视化的特点，操作方便、直观．通过GUI界面，学生可以进入教师指定的实验项目，进入相应的环境，设置和调整仿真参数，进行仿真试验；或者任意进入感兴趣的实验项目，打开参考资料及问题解答，进行自学。
        关键词：Matlab GUI；信号与系统实验平台设计；
        信号与系统”对知识和专业基础知识要求特别高，计算复杂，概念抽象不容易理解，教学方式单一，计算结果只是一堆数学公式，看不到实体的效果，这些因素造成了“信号与系统”这门课成了难学、不容易理解的代名词。传统的硬件实验系统存在着实验设备短缺、实验项目选择受限、实验设备老化等弊端，为此，利用Matlab强大的数值计算、符号计算、绘图显示及图形用户界面等功能，设计了信号与系统仿真实验GUI 平台，增加计算机辅助实验教学手段是对信号与系统课程教学方法的有力补充。
        1 Matlab
        MATLAB （矩阵实验室）即是Matrix ＋ Laboratory ，又称为“矩阵实验室，其强项就是高效的矩阵计算。MATLAB广泛应用于电子、航空航天、数学、计算机、机械和经济学等领域。相关专业都将MATLAB 做为专业的必修课和选修课，增强学生对科学软件的掌握，为社会输送合格的人才。我校开设MATLAB 的学院有机电学院、数学学院、计算机学院和经管学院，特别是我们学院对电子大类的所有专业都开设。对学生学习枟信号与系统枠、枟通信原理枠和枟数字信号处理枠等课程，起到辅助的作用，能够通过建立仿真模型，形象、直观的展现抽象的概念和理论知识，加强学生对这些专业知识的理解，提高学生的学习成绩。MATLAB GUI（Graphical User Interface）即图形用户界面，是指由按钮、列表框、编辑框等用户界面控件构成的应用程序界面。GUI 是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人－机－环境三者作为一个系统进行总体设计。“GUI 设计的原则是应力求简洁、直接、清晰地体现界面的功能和特征。设计的图形界面要直观，为此应多采用图形，而尽量避免数值。设计界面应尽量减少窗口数目，力求避免在不同的窗口之间进行来回切换。”本虚拟平台的设计就是利用MATLAB GUI 控件，在一个窗口中完成信号的输入与输出同时显示，力求界面简单，操作方便，以方便学生使用为宗旨，以提高“信号与系统”的教学效果为最终目的。
        2 基于Matlab GUI的信号与系统实验平台设计
        （1）实验项目。在进行虚拟实验平台设计时，强化“信号与系统”理论的基本思想和核心概念，为理解和应用理论提供有力的帮助。根据实验教学计划的要求，设计的虚拟实验平台包含了“信号与系统”实验教学中典型的实验项目，具体实验有：信号的基本性质(主要分析各种基本信号的特点及翻转、折叠等性质)；信号与系统时域分析(主要进行连续与离散系统的分析)；连续系统的频域分析(主要进行连续系统的频谱分析仿真)；连续系统的复频域分析(主要研究拉普拉斯变换及应用)；离散系统域分析主要研究离散系统的变换及系统稳定性分析)；离散傅里叶变换(主要仿真DFT及FFT算法)；滤波器设计掌握IIR、FIR滤波器设计方法，观察参数变化对滤波器的影响；声音信号分析运用所学知识对声音信号进行处理都附有帮助和相关参考资料及问题解答．通过GUI界面上的按键，可以打开这些资料自学。
        （2）学习资料。

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利用所设计的实验平台的GUI界面可以直接调入MATLAB的参考学习资料、信号与系统课件、硬件实验指导书、仿真实验指导书、信号与系统习题库等参考资料．在实验过程中，可以随时参考实验指导书、设置仿真参数，进行仿真系统的调试和系统仿真结果的分析．在硬件模拟实验中，对整个系统的硬件组成比较熟悉，对参数测试结果的正确性也有一个判定的范围。同时，通过仿真和实际动手的操作，可以锻炼思考问题、分析问题和解决问题的能力。
        （3）系统平台的整体框图。连续时间信号与系统、离散时间信号与系统。下设基本信号时域性质、卷积、傅里叶变换、连续时间系统的频率响应、拉普拉斯变换、离散时间信号卷积、离散时间系统的频率响应、离散傅里叶变换性质、基本离散信号Z变换、Z变换基本性质等实验模块。每一个实验模块又有下一级实验界面，如傅里叶变换模块下面还有周期矩形脉冲信号的频谱、时移特性、频移特性和抽样定理等实验内容。设计的具体步骤如下运用Matlab的图形用户界面（GUI）设计方法，设计整个实验系统的开始引导主界面以及实现信号与系统课程中具体实验的各个子界面；分别编写各子界面控件对象的回调函数，实现控件相应控制功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入输出，并可以方便地对实验结果的数据及其图形进行显示和分析；编写主界面的回调函数，将各实验子界面整合在信号与系统仿真实验平台主界面中，即通过主界面就可以进入任何一个实验子界面进行实验。
        （4）系统平台的界面设计。信号与系统仿真实验平台主界面实验平台主要分为连续时间信号与系统和离散时间信号与系统两大模块。设计中用到的控件有：按钮，文本框、坐标轴、下拉列表、单选按钮、复选按钮、滚动条等。所设计的GUI界面主要包括实验平台进入界面、实验名称界面、每一个实验项目界面及其对应的仿真实例、参考资料学习子界面掣引，信号与系统虚拟平台的进入界面，其中GUI界面主要使用的控件有1个静态文本框、7个按钮，文本框主要用于文字的显示，按钮的功能有多种，比如函数的调入、界面之间的跳转等．将所需控件拖入GUI界面，然后对各个控件按要求进行属性编辑。在对各个属性按要求修改完之后，点击GUI界面上工具栏中的按钮“回”就可以运行设计的GUI界面，MATLAB系统会自动生成相应的M文件(源程序文件)，运行程序后，信号与系统仿真按钮，即可进入信号与系统实验界面，采用上述的设置方法，可设计其他界面。
        （5）实验示例。本实验的目的理解信号的傅里叶变换频谱与时域信号的对应关系，掌握并灵活运用傅里叶变换的时移、频移、抽样定理等性质。实验包括周期矩形脉冲的频谱、时移特性、频移特性和抽样定理等。周期矩形脉冲的频谱分析周期矩形脉冲信号的幅度为2，脉冲的宽度为1.7，脉冲的周期为10，其频谱为离散的抽样信号。在界面通过滑动条可以调节脉冲的高度、宽度及周期等参数。矩形脉冲时域平移，其傅里叶变换幅度谱不发生改变。通过滑动条可以调节时移参数。信号的频谱向左和向右平移后的叠加，对应原信号时域乘以一个余弦信号，即信号的双边带调制。通过滑动条可以调节频移参数。当抽样周期满足奈奎斯特抽样间隔，则采样信号的频谱刚好不发生混叠通过滑动条可以调节抽样周期。当需要对输入信号进行时域分析时，首先在“分析对象”复合栏中设置分析对象点数，然后点击。时域分析”按钮，就可得到信号的周期、频率、副值、相位等参数，当需要对信号进行频域分析时，点击“频域分析”按钮，就可得到信号的周期和频率，并可观察到信号的幅频特性曲线和相频特性曲线，便于对信号进行观察和分析。
        运用Matlab 设计了信号与系统仿真实验GUI 平台。该实验平台人机交互界面友好，操作方便，形象直观。实验过程中，只需输入或调节仿真实验参数，就可在图形框中获得仿真结果，从而便于对实验结果的分析。
        参考文献：
        ［１］张小虹．信号与系统［M ］．西安：西安电子科技大学出版社，２０１8：２．
        ［２］梁虹，杨　鉴．基于MATLAB 的“信号与系统”计算机辅助教学系统的设计［J］．云南大学学报（自然科学版），２０18（２３）：１１１．