信号处理类课程开放式网络虚拟实验平台建设

徐望明，廖宇峰，黄倩文，张辰

（武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉 430081）

0 引言

信号处理技术已在通信、电子、自动化等领域得到了广泛应用，学习信号处理的理论和方法、培养实践创新能力已经成为信息类专业学生的迫切需要。高等学校信号处理类课程主要包括《信号与系统》、《数字信号处理》、《语音处理》、《数字图像处理》等，是信息类专业基础课和专业课的重要组成部分。对于这类课程的学习，实验教学是不容忽视的重要环节。我校信号处理类课程的实验主要是以学生进入实验室使用MATLAB语言进行离线编程验证为主，这种实验教学模式下实验场地、实验软件环境、实验资源及实验效果均受到一定程度的限制或影响。

针对这个问题，本文探讨了利用MATLAB Builder和.NET技术[1-3]搭建网络虚拟实验平台的方法，并给出了具体的实验项目设计案例，用于辅助实验教学，使师生不受时空限制，能随时随地共享实验资源，利用网络方便地进行远程交互的实验仿真和学习交流。

1 开放式网络虚拟实验平台的总体架构

如图1所示，开放式网络虚拟实验平台总体架构基于B/S模型，整个实验平台按功能进行划分主要分为3部分：

第一部分为教学内容与MATLAB的结合，将传统教学内容通过MATLAB转化为可视化的教学模型，应用MATLAB丰富的内置函数模拟仿真实际问题并绘图显示；

第二部分为MATLAB功能函数与ASP.NET下C#所编写的网站进行混合编程，以C#语言完成前台用户界面的设计，再调用MATLAB函数通过.NET Builder打包生成的.NET应用类进行后台计算，将结果反馈给用户；

第三部分为ASP.NET与Access数据库通过ADO.NET建立链接后查询、获取用户信息的过程。

图1 开放式网络虚拟实验平台总体架构

2 开放式网络虚拟实验项目设计思路及案例

在实验项目设计方面，实验操作界面主要分为先导知识和实验仿真两个模块：

（1）先导知识模块提供开展实验的先导知识，包含定理、公理的推导，专业术语、名词或概念的解释等。

（2）实验仿真模块由参数设置、可视化结果显示窗口、引导性文字和MATLAB代码组成。学生按预设导语对参数进行合理设置，观察实验结果，理解仿真实验各项参数与理论知识的内在联系，同时可以参考给出的MATLAB代码，思考如何在MATLAB中对各类信号、系统进行仿真、分析，熟悉其编程思路，进一步巩固所学知识，加深对知识点的理解和掌握。

这里以《信号与系统》课程中的一个典型实验项目“傅里叶变换实验”为例进行说明。

信号经傅里叶变换在时域和频域形成的映射关系一直是该课程的难点之一，课堂学习时仅通过抽象的公式学生很难理解透彻。在虚拟实验平台上设计该实验项目，致力于以可视化图形的方式为学生直观呈现信号时域、频域（乃至复频域）间的对应关系，以仿真实验的方式让学生随时随地通过上网学习就可以体验实验效果，理解傅里叶变换的相关性质。

该实验项目中，先导知识主要是课堂上学习过的傅里叶级数，在仿真实验主页上用图模拟了多个正弦波信号叠加成方波信号的过程，并指出任何波形均可以通过正弦波的叠加得到。

在实验仿真模块中，首先需要设置一个输入信号，也就是进行傅里叶变换的被处理信号。本实验项目中，设置了“正弦信号”和“阶跃信号”作为可选项，并可以通过参数设置界面进一步设置信号的幅值、频率、相位、采样频率等参数，如图2所示。

输入给定参数后，点击“傅里叶变换”按钮，学生就可在结果显示部分观察到信号在时域、频域的波形图，如图3所示。该实验中，还同时设计了“拉普拉斯变换”按钮，用于学生在学习了复频域分析法后，完成信号的拉普拉斯变换，比较信号在时域、频域以及复频域的对应关系，例如，学生能够通过显示实验结果，自己思考并理解频域图实际上是复频域图在实部为0处的截面。

图2 实验参数设置界面示例

图3 实验结果显示界面示例

为了让学生了解实验结果是如何得到的，网页上会提供MATLAB参考代码，同时还提供了文本输入接口，让学生反馈实验过程中遇到的问题。

3 结语

为了有效解决我校信号处理类课程实验教学资源不足的问题，提出了研究、开发相应的开放式网络虚拟实验平台的方法，并给出了具体的实验项目设计案例。该虚拟实验平台利用MATLAB Builder和.NET技术搭建，采用B/S模式，服务器端接受浏览器客户端发送的实验请求，并分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户端。通过该网络虚拟实验平台的建设，可为学生自主研学提供了全面开放的空间和时间，有效实现实验教学活动的灵活性，有助于推进实验教学方式改革，提高实验教学质量。