信号类课程的虚拟实验平台设计

燕慧英 杜 娟

（洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南 洛阳 471022）

信号类课程的虚拟实验平台设计

燕慧英 杜 娟

（洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南 洛阳 471022）

针对信号类课程的实验硬件投入不足、实验教学内容受限的特点，利用MATLAB软件强大的数值处理及Web发布功能，设计实现了信号类课程的虚拟实验平台。该实验平台以交互的形式对课程中的实验内容进行仿真并实时显示，将抽象的概念、复杂的数值计算变得简单直观，有利于学生对基础概念和原理的理解。实验教学表明，该实验平台可以克服硬件实验的限制，拓宽了实验内容，增强了实验的灵活性，为实验教学的改革提供了新的思路。

信号类课程；虚拟实验；MATLAB；Web

1 引言

实验是电子信息类专业必不可少的课程，是培养学生动手能力、创新能力和综合素质的关键环节。目前，实验教学面临很多问题，比如高校需要投入大量资金购买实验设备，而且硬件仪器操作复杂易于损坏需要维护更新，实验内容简单且可供选择的数量较少，同时受到学校教学时数的限制，致使实验教学的要求很难完全达到。为了解决在实验教学中遇到的问题和困难，许多高校教师不断进行实验教学的改革，建立软件仿真实验系统，拓宽实验教学的内容，培养学生的实践能力和创新能力[1-4]。

以信号与系统、数字信号处理为代表的信号类课程理论性强、概念抽象、公式推导繁琐，以致学生对所学的概念、原理模糊不清，感觉讲授的理论知识和实际应用相距甚远，严重影响其学习效果和学习兴趣[5]。为了帮助学生更好地理解信号类课程的相关概念和基本分析方法，克服实验内容的限制及实验设备的不足，笔者设计了一个通过计算机和互联网就能让学生完成信号类课程实验的虚拟平台。该实验平台利用计算机模拟实验环境，通过网络进行实验操作，不仅可以辅助学生进行实验原理及相关知识的学习，还有效解决了实验场地和实验仪器短缺的问题，补充和完善了信号类课程的实验教学。

2 开发工具简介

MATLAB作为一套高性能的数值计算和可视化数学软件，集计算、数据可视化和程序设计于一体。Matlab Web Server是MATLAB软件具有网络计算功能的重要工具包之一，利用它可以建立远程仿真系统，避免安装MATLAB软件，能够随时随地的利用Internet方便快捷的进行远程仿真实验，给实验教学带来极大的方便。Matlab Web Server的核心是可执行程序matweb.exe，它负责解释客户机通过html页面发送的请求，转换为运行MATLAB应用程序所需要的参数；接着启动MATLAB进程，并将参数传递给应用程序进行计算；计算完毕，MATLAB程序还负责将计算结果以html页面的方式，通过matweb.exe输出给客户端的浏览器并显示出来[6]。根据matweb.exe的工作过程，只要设计好输入、输出页面和MATLAB的应用程序就可以进行仿真实验。

信号类课程的虚拟实验平台采用Dreamwerver CS5进行输入输出页面的设计。Dreamwerver CS5是Adobe公司推出的网页设计制作软件，是一款集网页制作和网站管理于一身的所见即所得网页编辑器，利用它可以方便地制作出跨越平台限制、跨越浏览器限制的充满动感的网页[7]。

3 虚拟实验平台的设计

3.1虚拟实验平台的内容设计

信号类课程的虚拟实验平台是以信号与系统为基础，同时涵盖了数字信号处理的相关内容。由于信号类课程的教学内容广泛，实验平台采用模块化的设计思想，围绕信号分析、系统分析和综合应用三个方面设计实验内容。每个方面设计若干个子系统，每个子系统又有若干个实验构成，层次清晰、简单明了。结合我院选用的信号类课程的教材，信号分析设计了五个子系统，分别是：连续信号的时域分析（信号的平移、反褶、尺度变换以及两个信号的相加与相乘运算）、连续信号的频域分析（吉布斯现象、典型非周期信号的频谱图）、离散信号的时域分析（序列的平移、反褶、尺度变换以及两个序列的相加与相乘运算）、离散信号的频域分析（序列的傅里叶变换及离散傅里叶变换）、信号的采样与恢复；系统分析也设计了五个子系统，分别是：连续系统的时域分析、频域分析及s域分析，离散系统的时域分析和z域分析；综合应用设计了五个子系统，分别是：无限脉冲响应（IIR）滤波器、有限脉冲响应（FIR）数字滤波器、语音加密器、语音合成系统和双音多频（DTMF）拨号音编解码系统。

3.2虚拟实验平台的界面设计

虚拟实验平台的界面采用多级嵌套的形式，自上而下进行设计。先设计平台的主界面，再设计子系统的界面，最后设计具体的实验界面。当所有界面都设计完成，还需要将它们有序地链接在一起以方便学生做实验时使用。由于实验平台是基于Web的虚拟实验平台，所有的界面均是网页形式，实验结果也以网页的形式进行显示。如图1所示是设计好的实验平台主界面。

图1　虚拟实验平台的主界面

图2　离散信号的时域分析页面

4 具体的实验演示

下面以离散信号的时域分析和双音多频（DTMF）拨号音编解码系统为例，演示实验平台的使用方法。

4.1离散信号的时域分析

离散信号是指在时间上依次出现的数值序列，常用波形表示。离散信号的时域分析主要是关于离散信号的表示方法及基本运算，包括信号的平移、反转、尺度变换等基本变换和两个信号的加减和乘法运算。为此，我们设计了三个具体的实验，分别是：序列的相加与相乘、序列的平移与反褶、序列的尺度变换。在图 2所示的页面上点击相应实验的“单击进入”即可出现具体的实验页面，如图 3所示是“离散信号的尺度变换”实验页面。假设离散信号，在页面上输入信号的频率ω及抽取或插入的数值a，当a>1时)(nf压缩，当a<1时)(nf扩展。若频率ω输入10，a输入3，点击“运行”得到如图4所示的波形，该波形验证了离散信号的尺度变换。

图3　离散信号的尺度变换实验页面

在实验平台的主界面上以分块、列表的形式显示其构成。点击列表中的名称即可进入对应的实验系统。比如点击“离散信号的时域分析”，就会弹出相应的页面，如图2所示。在实验系统的页面上包含所要操作实验的名称、实验目的、实验原理和实验内容。

图4　离散信号尺度变换的生成页面

4.2双音多频（DTMF）拨号音编解码系统

一个双音多频（DTMF）电话机可以对16个按键进行编码，每个编码均是两个单频正弦信号之和，这两个单频正弦信号分别来自两个频率组即低频组和高频组，它们与每个按键的对应关系如表1所示[8]。在虚拟实验平台中设计的DTMF拨号音编解码系统只设计了12个按键，舍去了表1中最右边A、B、C、D四个字母，即高频组变为三个频率组成，低频组不变。数字DTMF接收机通过接收的双音信号的频谱，再现每个按键所对应的两个频率，从而确认被发送的电话号码。

表1　DTMF按键对应关系表

DTMF信号的编码采用查表的方式模拟产生两个不同频率的正弦波，解码采用快速傅里叶变换（FFT）计算N点频率处的频谱值，然后估算出所拨的电话号码。在进行实验操作时，先在主界面上点击“DTMF拨号音编解码系统”弹出如图5所示的实验页面，然后在该页面上输入四位电话号码，接着点击“运行”即可在输出页面上显示电话号码及其频域波形，如图6所示。

图5　双音多频拨号音编解码系统页面

图6　双音多频拨号音编解码系统的生成页面

5 结论

利用仿真软件开发的信号类课程的虚拟实验平台是实验教学的有益补充，它打破了学生学习受到的时间和空间的限制，形成了开放式的教学环境，充分发挥了校园网络的作用，进一步将电子化、信息化的校园建设落实到实际教学中，为进行网络化、个性化教育打下坚实的基础。

该实验平台内容全面，可以直接用于实验教学，学生通过互联网络在实验界面上输入不同的参数即可观察产生的相应图形，将抽象的原理进行形象地解释，增强了学生的学习兴趣。实验平台还可以辅助课堂教学，教师将实验程序从系统中取出，在讲授具体的概念或原理时对其进行实时仿真，有助于教师的讲授和学生的理解，从而提高了教学质量，达到了改善教学效果的目的。

[1] 杨新盛.基于MATLAB的信号与系统仿真实验[J].广东白云学院学报,2009,16(4):52-56.

[2] 黄琴,熊大红.基于MATLAB的信号与系统虚拟实验系统设计[J].计算机与现代化,2010,(12):186-188.

[3] 胡永生,谭业武.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,(1):92-94.

[4] 陈真,王延江.面向 Web的信号与系统课程多媒体交互系统开发[J].中国现代教育装备,2012,(21):7-8.

[5] 张学敏,吕晓丽.信号类课程教学改革探索与实践[J].科技教育,2014,(27):181-183.

[6] 何强,何英.MATLAB扩展编程[M].北京:清华大学出版社, 2002.

[7] 唯美科技工作室编著.完全实例自学 Dreamweaver CS5+ ASP+Access动态网页制作[M].北京:机械工业出版社, 2013.

[8] 王艳芬,王刚.数字信号处理原理及实现学习指导(第 2版)[M].北京:清华大学出版社,2009.

Design of virtual experiment platform of signal courses

Aiming to the characteristic of the hardware experimental input shortage and the limitations of the experimental teaching content, using the function of MATLAB powerful numerical processing and web publishing, it designs and achieves the virtual experimental platform for signal courses. It simulates and real-time displays the experimental content of the signal courses in the form of interaction, the abstract concepts and complex numerical calculation becomes Simple and intuitive, which is beneficial to the students' understanding on the basic concept and principle. Experimental teaching shows that the experimental platform can overcome the limitations of hardware experiments, broaden the experimental content, enhance the flexibility of the experiment, and provide a new way for the reform of experimental teaching.

Signal courses; virtual experiment; MATLAB;Web

TP319

A

1008-1151(2015)07-0155-03

2015-06-10

洛阳师范学院教改项目。

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；杜娟（1964－），女，河南洛阳人，洛阳师范学院物理与电子信息学院副教授，研究方向为通信与计算机应用。