“信号与系统”可视化辅助教学系统的设计
2015-11-23燕慧英
燕慧英 宁 宁
(洛阳师范学院物理与电子信息学院,河南 洛阳 471022)
“信号与系统”可视化辅助教学系统的设计
燕慧英 宁 宁
(洛阳师范学院物理与电子信息学院,河南 洛阳 471022)
为了解决“信号与系统”课程中存在的教学方式单一,教学内容抽象、不易理解等问题,利用MATLAB软件的图形用户界面(GUI)设计实现了“信号与系统”可视化辅助教学系统。该系统以交互的方式对课程中的重要教学内容进行仿真,将抽象的概念或原理形象化、直观化,不仅激发了学生的学习兴趣,加深了对教学内容的理解,还减轻了教师授课的压力,提高了课堂教学质量。
信号与系统;教学系统;GUI
1 引言
“信号与系统”是电子信息、电子技术、自动控制、通信工程等众多专业的一门重要基础课程,还是一门承上启下的关键课程。它是继电路分析课程之后向数字信号处理、通信原理等专业课过渡的桥梁,也是高等数学和工程数学与后续专业课的结合,在专业教育中处于非常重要的地位[1-3]。然而长期以来,“信号与系统”多采用单一的授课式教学模式。课堂上,教师对基本公式、概念及相关理论进行推导使学生了解函数的推算过程,课后学生依靠做习题来巩固和理解教学内容。这种传统的教学方式虽然能照应教材的全面性和系统性,但不利于学生了解所学理论知识与实际工程之间的内在联系,抽象的概念和原理也缺乏形象化的教学演示,学生的学习兴趣不高,学习效率低下,在一定程度上制约了教学效果。为了激发学生的学习兴趣,使其更好地掌握信号与系统的基本方法和基础理论,本文利用MATLAB软件的图形用户界面(GUI)设计完成的“信号与系统”可视化辅助教学系统,不需要编写程序,只需输入合适的参数就可以将教学中抽象的、不易理解的知识点以图形的方式显示出来,让学生更容易理解相关的概念或原理,减轻了教师授课的压力,提高了教学质量。
2 基于 MATLAB的可视化辅助教学系统的设计
MATLAB作为一套高性能的数值计算和可视化软件,既能进行科学计算、数值分析,又能开发所需要的图形界面,具有其他编程语言无法比拟的优势[4]。在MATLAB软件中,图形用户界面(GUI)是由窗口、光标、按键、菜单等控件对象构成,用户可以在GUI的组件布局编辑器中添加所需要的控件对象并修改或调整其属性,完成显示界面的设计并进行保存,然后在包含GUI初始化的M文件里,对控件对象的Callback(回调)函数进行编写来实现教学内容的可视化。
可视化辅助教学系统的界面采用多级嵌套的形式,自上而下进行设计,即先设计主界面,再设计子界面,逐级嵌套,层次分明。和系统界面相链接的是进行可视化的教学内容。由于信号与系统包含的内容十分广泛,既有时间域,又有变换域(S域和Z域);不仅讲述连续系统,还讲述离散系统,同时涉及到部分通信工程的实例分析[5],结合洛阳师范学院物理与电子信息学院选用的“信号与系统”教材,将实际的教学内容进行模块化设计,得到了可视化辅助教学系统的模块结构如图1所示。
图1 可视化辅助教学系统的模块结构
从图1可知,本系统共可视化了十三个方面的教学内容。由于具体的教学内容不同,致使设计成的模块界面也不同,但模块的设计过程和步骤是相同的。首先,在图形用户的开发环境(GUIDE)中打开一个空白的GUI界面,然后在该界面上添加所需要的控件(如Static Text、axes和Push Button等),接着调整或修改所添加的控件属性完成界面的布局,对界面进行保存后会生成一个M文件,最后在该M文件内编写各个控件的Callback函数以实现信号或系统波形的正确显示。当各个模块的设计完成后,还需要将它们有序地链接在一起,以方便授课时教师的使用。
图2所示是设计完成的系统主界面,在该界面上包括连续信号运算、离散信号运算、连续系统分析、离散系统分析、退出系统五个模块。除退出系统外,其他模块均有不同的子界面和模块组成。在主界面上,用户单击所需要的模块按钮就会切换到对应的子界面。在子界面上继续单击相应的模块按钮就进入到子模块中,然后在子模块的界面上输入合适的参数就可以得到信号或传输系统的波形,利用生成的波形直观形象地描述信号与系统的概念或原理。
图2 可视化辅助教学系统主界面
3 可视化辅助教学系统的实例演示
下面以离散系统的Z域分析和连续信号的时域运算为例,演示可视化辅助教学系统在教学中的应用。
3.1 离散系统的Z域分析
描述一个n阶离散线性时不变系统的数学模型是线性常系数差分方程,当已知系统的零状态响应与激励的z变换就可以求得离散系统的系统函数。利用系统函数可以绘制系统的零极点分布图,通过零极点的分布不仅可以判断系统的稳定性,还可以确定频率响应的幅频特性和相频特性。比如,已知一个离散系统的系统函数为,要求绘出该离散系统的零极点分布图、系统的幅频响应曲线和相频响应曲线。使用本系统进行可视化的显示。首先,启动MATLAB7.0,在命令窗口输入系统的名称,按回车键即可启动该系统,弹出如图 2所示的系统主界面。接着,在主界面上单击“离散系统分析”按钮,弹出如图 3所示的子界面,在图3所示的界面上单击“离散系统的Z域分析”按钮,即进入到“离散系统的Z域分析”界面。在“离散系统的Z域分析”界面上,输入系统函数的分子系数[0.1 0 -0.2 0 0.2 0 -0.1]和分母系数[1 0 0.6 0 0.4 0 0.04],然后单击“系统零极点图”按钮即可生成系统函数的零极点分布图,由此图可知系统的所有极点均在单位圆内,因而判定该系统是一个稳定的系统;同样,单击“幅频特性曲线”和“相频特性曲线”按钮可以得到系统的幅频特性与相频特性曲线,如图4所示。使用此系统需要注意的是,在输入系统函数的分子、分母系数时要按z的降幂顺序依次输入,若出现缺项的情况,其系数须用0代替。
图3 “离散系统分析”界面
图4 离散系统的Z域分析
3.2 连续信号的时域运算
连续信号在时域中的基本运算包括:信号的相加与相乘、信号的微分与积分、信号的卷积积分等,本文以两个信号的相加与相乘为例进行可视化分析。
首先启动系统,在主界面上单击“连续信号运算”,弹出如图 5所示的子界面,接着在此子界面上单击“连续信号时域运算”,进入到“连续信号时域运算”界面,在该界面上输入相应的参数,然后单击对应按钮即可生成所要的图形。比如,输入信号1选择“正弦波”、幅值输入4、频率输入2,输入信号2选择“方波”、幅值输入6、频率输入1,单击“信号相加”和“信号相乘”就生成了信号的原始波形和相加、相乘后的波形,如图6所示。同理,当输入信号1在下拉菜单中选择“锯齿波”,幅值输入5、频率输入2,输入信号2在下拉菜单中选择“正弦波”,幅值输入4、频率输入3,可以得到如图7所示的波形。从图6和图7可以形象地观察信号相加、相乘前后的波形变化,这是用语言或文字难以表达的内容,学生也容易接受和掌握。
图5 “连续信号运算”界面
图6 连续信号时域运算(1)
图7 连续信号时域运算(2)
4 结论
运用MATLAB软件的图形用户功能设计的可视化辅助教学系统,对常用信号的基本运算、连续信号的频域特性、系统在时域或变换域上的特性进行了仿真,并以可视化的方式显示出来。整套系统人机交互界面简洁,操作方便。利用该软件,教师在课堂上以交互的方式对课程中的概念或原理进行实时仿真,将抽象的理论知识真实、生动地展现给学生,激发了学生的学习兴趣。课后,学生还可以利用此系统复习教学内容,加深对所学知识的理解。此外,开放系统的源程序,让学生利用该系统设计自己的信号分析与系统处理程序,培养他们主动获取知识和独立解决问题的能力。
[1] 葛愿.“信号与系统”创新教学模式探索[J].科技视界, 2014,(1):65-66.
[2] 杜世民,杨润萍.基于Matlab GUI的“信号与系统”教学仿真平台开发[J].实验技术与管理,2012,29(3):87-90.
[3] 俎云霄,贾越,李奔,等.“信号与系统”仿真演示系统设计[J].电气电子教学学报,2012,34(1):70-72.
[4] 陈垚光,毛涛涛,王正林,等.精通MATLAB GUI设计(第3版)[M].电子工业出版社, 2013.
[5] 范羚.信号与系统课程的教学思考与改革[J].大学教育, 2013,(8):111-112.
Design of visual auxiliary teaching system of “signals and systems”
In order to solve the problems such as the single teaching methods, teaching contents abstract and difficult to understand in the presence of the "Signals and Systems" course,using the graphical user interface (GUI) of the software MATLAB it designed to achieve the "signals and systems" visual auxiliary teaching system. The system interactively simulates the important teaching content of the course to the intuitive and visualization the abstract concepts or principles. It not only stimulates the students' interest in learning, and deepens the understanding of the teaching content, also reduces the pressure of teachers' teaching, and improves the quality of classroom teaching.
Signals and systems;teaching System;GUI
G642.41
A
1008-1151(2015)02-0105-03
2015-01-13
洛阳师范学院物理与电子信息学院教改项目。
燕慧英(1979-),女,河南开封人,洛阳师范学院物理与电子信息学院讲师,硕士,研究方向为通信与信号处理;宁宁(1983-),女,河南洛阳人,洛阳师范学院物理与电子信息学院讲师,硕士,研究方向为电子通信。