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基于MATLAB的GUI信号与系统实验平台设计

作者：王二飞

来源：《硅谷》2013年第21期

摘 要 MATLAB软件在电子信息类课程中应用越来越广泛，其中的交互式图形用户界面及其参数的可调性可使信号与系统的分析过程变得易于控制、直观可视化，有利于提高“信号与系统”课程的教学质量和效果。文章以GUI编辑界面建立GUI的方法，基于MATLAB对信号与系统中的典型实验进行了交互式设计，最后给出了部分实验的分析和结果，展示了MATLAB的GUI在“信号与系统”课程辅助教学中的优点。 关键词 GUI；信号与系统；课程教学

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）21-0029-02

随着科学技术的迅速发展，社会要求高校学生既要有扎实的理论基础，又要受过严格的工程技术训练。通过教学过程中的实验环节，可以不断地提高学生分析和解决实际问题的能力。仿真实验作为一种实验实物的补充和科学研究手段，具有不受设备和环境条件限制，不受时间地点限制，也不需要维护和修理设备等特点，因而越来越多地受到人们的重视。

“信号与系统”课程是电子信息、通信工程、自动控制等电工电子类专业的主修课程，该课程具有较强的理论性与应用性。传统的教学中主要的做法是教师利用黑板讲授，学生课后利用习题加深对教学内容的理解。传统的教学方式，一定程度上影响和制约了该课程的教学效果。因此，该课程迫切需要改革传统的单一教学模式，加强实践教学。

本设计正是基于以上现状和应用背景提出的，利用MATLAB作为开发平台，设计实现基于MATLAB的图形交互式教学实验系统。应用MATLAB具体形象地演绎“信号与系统”课程中的基本概念和理论方法，在交互式的可视化实验环境中，激发学生学习兴趣和学习主动性，加深学生对课程中抽象概念和理论的掌握和理解，有效提高“信号与系统”课程的教学质量和效果。

1 GUI信号与系统实验平台的设计 本设计有以下特点：

1）具有常用连续时间信号的实现、周期信号的分析、连续LTI系统的时域分析、连续LTI系统的频域分析和连续系统的零极点分析功能。 2）界面有较强的可视性，操作方便简单。

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3）系统涵盖“信号与系统”课程典型实验，提供的结果便于后续分析。 4）系统可扩展性强，可以后续添加更多实验项目。 1.1 系统总体设计步骤

在本实验平台的设计中，采用自顶向下的设计思路对界面布局进行设计，即先设计实验主界面，再设计各个实验子界面。界面设计完成后，借助于函数调用达到实验目的。在设计中，先编制各个实验子界面的回调函数，再编写主界面的回调函数，各个回调函数的编写顺序是采用自底向上的设计方法。 其具体的设计步骤如下：

1）明确设计任务，划分结构，分析信号与系统各实验所实现的主要功能。

2）利用MATLAB 的GUI设计方法，设计实验系统的主界面及拟定设计的“信号与系统”课程中具体实验的子界面。

3）对各个子实验界面的控件按钮进行回调函数的编写，使控件按钮实现相应的功能。 4）对主界面进行回调函数的编写，功能上实现主界面与实验子界面的自由切换。 5）系统总体的调试和完善。 1.2 实验系统的设计及实现 1）实验系统的设计。

本实验平台整体结构设计包括7个模块：主模块、常用连续时间信号的实现模块、周期信号的分析模块、连续LTI系统的时域分析模块、连续LTI系统的频域分析模块、连续系统的零极点分析模块、退出实验平台模块。部分实验界面模块下面又有子实验界面模块，主界面中的控件按钮可以实现切换到实验子界面。 系统的整体结构如图1所示。 图1 系统的整体结构 2） 实验系统的实现。 图2 实验系统主界面

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主界面是实验系统的初始界面，用于切换到“信号与系统”各个实验子界面。设计时主要采用的是对控件按钮进行函数编写，实现切换到各个实验子界面，使系统易于操作，另外可以添加学校LOGO、风景图片等来美化实验主界面。如图2所示是设计完成后的实验系统主界面。 在图2界面中，用户单击选中索要进行的实验按钮控件，就会切换到对应的实验子界面。本实验平台设计的实验包括以下几种：常用连续时间信号的实现、周期信号的合成与分解、连续LTI系统的时域分析、连续LTI系统的频域分析和连续系统的零极点分析（如图3）。每个实验结束后，用户可以返回主界面，最后通过退出实验平台界面退出本实验平台。 图3 连续系统的零极点分析子界面 2 实验分析与结果

本实验平台给出了零点位置对系统冲激响应时域波形的影响、系统零极点分布与频率特性的关系以及一般系统零极点分布与其幅频特性的关系，其中每一部分均涉及零极点分布图，还可对系统的稳定性进行讨论。以下给出零点位置对系统冲激响应时域波形及其分析，进入本实验平台图3界面，设置参数，得到如图4所示。

图4直观地展现了系统函数零点位置对系统时域波形的影响，通过对图4中三幅图进行观察与对比，可得系统零点分布与系统时域特性之间存在着如下关系：

1）连续时间系统函数的零点并不影响系统冲激响应时域波的形状，时域波形的形状由系统函数极点决定。

2）的零点只影响时域波形的幅度和相位（信号波形的起始位置）。 图4 零点位置对冲激响应时域波形的影响 3 总结

本文基于MATLAB对信号与系统实验系统进行交互式设计，展示了MATLAB图形用户界面在信号与系统课程辅助教学中的优点，人机交互式图形用户界面及其参数的可调性使得信号与系统的分析过程变得易于控制、直观可视化，因而将其应用于该课程辅助教学中可使学生更易于理解和接受其中的理论知识和方法。在使用中，学生还可自己动手设计MATLAB图形用户界面，从而促使其更深入地掌握信号与系统课程内容。 参考文献

[1]管致中，夏恭恪，孟桥.信号与线性系统[M].北京：高等教育出版社，2004. [2]施晓红，周佳编著.精通GUI图形界面编程[M].北京：北京大学出版社，2003.