信号与系统仿真实验平台设计的一种方案

摘 要：信号与系统是电子类、通信类本科专业的一门重要专业基础课，其实验多数高校是用硬件设备来完成，但是存在一定的问题。本文以满足教学需要为出发点，以提高教学质量为目标，提出了一种具有学习和科研引导性的仿真实验平台方案。

关键词：信号与系统；实验；仿真平台

0 引言

在信号与系统课程开设初期，国内外各院校就已经意识到，要深刻理解这门课程，必须在理论授课的同时，让学生通过实验建立直观概念。因此，在这个时期，许多大学开发了实验箱。随着算法工程化思想与技术的逐步成熟，人们越来越重视在MATLAB下进行的仿真实验。在九十年代，国外一些一流大学，如麻省理工大学、牛津大学、斯坦福大学等将信号与系统课程与计算机紧密结合，采用计算机完成信号与系统课程实验教学，并将其称之为计算机实验，即利用MATLAB软件进行仿真，做到了基本原理可视化和基本运算可操作化。在2000年初期，我国向国外高校学习，并逐步引入基于MATLAB的仿真实验平台。本文根据我国此课程的教学现状，进行了信号与系统仿真实验平台研究。

1 现有实验方式以及存在的问题

目前国内高校信号与系统实验完成情况大致可以分为四类：1.采用MATLAB软件仿真 2.采用软件仿真和实验箱结合；3.采用实验箱；4.没有开设实验。做的比较好的就是将传统实验与MATLAB仿真结合，针对课程设置应用实例进行综合性、自主设计性等实验。但是由于学校条件等限制，我国多数高校信号与系统课程实验教学通过自主开发硬件设备或购买实验箱来完成，甚至一些三本院校由于投入经费不足而不能完成实践教学。

传统实验方法虽然在一定程度上锻炼了学生的动手能力，但是还存在一些缺陷：

（1）学生不了解实验原理的情况下，只要接线正确且实验仪器工作正常就能完成 实验，这样就无法达到预期实验教学的目的。

（2）学生在教师或实验指导书的帮助下较好的完成接线或者实验数据记录，但是由于对实验原理不够了解，缺乏对实验结果的思考和分析，无法真正掌握所学知识，实验过程一旦出现问题，无法及时排查，依赖老师解决，增加了老师的工作量。

（3）受硬件条件的限制，实验箱得到的实验结果不理想。此外，使用实验箱可进行的实验有限，试验参数也只能在一定的范围内选择，不利于培养学生的积极性和创造性。

2 系统方案

本系统是以信号与系统课程为出发点的学习和科研引导性的实验仿真平台，主要包括以下四个模块。

（1）信号与系统课程实验模块。这一模块以课程内容为主，建立相应的实验仿真平台，不仅可以弥补教学和硬件设备实验的不足，也有助于解决实践教学经费投入不足的情况下，实践教学活动的正常开展。

（2）实际信号与理论知识的对应分析模块。由于信号与系统这门课特别抽象，学习者在长时间的枯燥课堂教学之后， 特别渴望知道：这门课用在哪里？ 如何应用？ 信号与系统的物理概念究竟体现在哪里？显然在验证性的实验中不能找到答案。 如果针对生活场景中的信号、系统问题开展趣味扩展实验，如单频信号的频谱、音叉的频谱、人声与乐器的频谱、图像信号的幅度与相位等，不仅可以满足学习者的求知欲望，又可以激发学习者继续研究探索的欲望。

（3）与相关专业课程的联合建设模块。信号与系统内容涉及到两大系统三大变换，是数字信号处理、自动控制原理的前导课，数字信号处理是对信号与系统教学内容的扩展， 也是DSP技术与应用的前导课。因此，我们以信号与系统、数字信号处理这两门系列课程的基本理论为核心，通过对信号与系统、数字信号处理两门课程内容重新规划、设计， 并将DSP 技术与应用课程纳入其中， 以开发DSP系统的實践教学填补信号与系统仿真建模和实际应用的空白，目的在于使学生从被动学习转为主动探索， 有效培养学生获取新知识、应用新知识的能力， 从而全面提高学生的素质。

（4）工程应用问题模块。信号与系统课程介绍的信号分析方法具有很强的实践应用性，传统的实践环节中往往深入的不够，一般在课程设计中完成诸如滤波器设计等任务，但即使学生设计了再复杂的滤波器，仍不知其有何与实际应用的关联，造成理论方法学习与应用实践之间的割裂，难以激发学生学习兴趣，一门十分重要的基础课往往被学生错误的定义为难学的、不知何用的课程。因此，本模块从实际出发，建立语音信号检测识别、处理与合成等工程问题。

3 系统在教学中的功能

在此实验平台上，首先可以完成信号与系统课程实践教学，其次可开展针对生活场景的信号与系统的趣味扩展实验以及语音、乐音的信号检测、处理与合成等工程问题研究与实践，再其次可以开展信号与系统在后续专业课程中的应用实验，最后还可以作为一些本科毕业设计的仿真平台。

4 结束语

此实验平台设计方案利用最新的信息技术成果服务教学、用常见生活实例验证理论知识、用最前沿的科技发展作为“需求牵引”引导专业建设。不仅可以满足信号与系统课程教学需要，而且还可以激发学生学习兴趣，培养学生提出问题、分析问题以及解决问题的能力。

参考文献

[1] 高强，戚银城等， 信号与系统基础教程（MATLAB版）[M]。北京：电子工业出版社， 2007， 4。

[2] 黄元福，林宁等， 信号与系统（第二版）[M]。北京：电子工业出版社， 2006。

[3] 胡永生，谭业武，杨玲玲， 基于MATLAB的“信号与系统”虚拟实验系统的研究[J]。山西电子技术，2012.4。

作者简介

和亮（1977-），女，陕西西安人，西安外事学院教师，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：信号与信息处理。