信号与系统软件实验室的设计与实现

一、介绍

“信号与系统”是一门实用性较强、涉及面较广的专业基础课。但同时“信号与系统”也是一门以数学推导为核心的理论性很强的学科，它的概念比较抽象，数学计算比较繁琐。如果没有实践性教学环节，只靠黑板式的单一教学方式，学生只能依靠做习题来巩固和理解所学知识，而大量应用性较强的内容学生则不能实际动手设计、调试和分析，那么教学中的负面效应将会越来越突出。因此，实验在课程学习中起着很重要的作用。纯粹的硬件实验常常是通过模拟仪器、搭建硬件电路来实施的，实验的灵活性和实时性较差。硬件实验需要的仪器仪表价格昂贵，要开多少组实验，就要重复准备多少套装置，且一套装置只能做一种实验。

为了克服纯粹硬件实验的困难，近年来，计算机软件仿真实验技术得到了广泛应用，并取得了一定的研究成果。利用教学辅助软件帮助学生完成数值计算、信号分析的可视化建模及仿真调试是对传统教学手段的跨越性改进。具体来说，有以下几个优点：（1）实验成本低，且实验器材的选择余地大。（2）易于实现较为复杂的实验过程。（3）实验所需时间较少，实验效率高。（4）不必担心损坏实验设备，能轻松地进行边缘情况的实验。（5）便于记录和分析实验过程和实验结果。

而计算机仿真实验不仅投资小，还可达到相同的甚至于更好的实验结果。一般高校的计算机装备水平都比较好，只要开发得心应手的软件，便能充分利用计算机资源，达到资源共享。软件实验系统又具有可扩展性，随着课程内容范围的扩大，可随时增加实验内容。因此，本论文提出了一种基于MATLAB的信号与线性系统仿真实验系统平台的设计和实现方案。这一实验平台采用了将MATLAB和Visual Basic有机结合的方法，使用者能够获得较为真实的实验感受，对信号处理有一个更深层次的理解。

二、信号与系统软件实验室

1.信号与系统软件实验室组成

信号与线性系统的课程实验包括信号分析，时频域变换、分析等等，因此本实验系统设计了基本性实验、设计性实验、综合性实验三块，要求学生完成主要的实验任务，并通过本系统友好的主机界面来进行分析，输出结果可在VB界面上以图形显示出来。这三块实验系统基本覆盖了信号与系统课程的全部内容。实验中每一菜单的信息框阐述了有关实验内容的基本概念、基本性质及实验步骤。演示框如同通用示波器，显示了信号分析与系统设计的动态仿真过程。

2.VB与Matlab混合编程

信号与系统软件实验室主要采用MATLAB进行开发。但由于信号与线性系统实验包含了很多复杂的信号处理计算和图象，完全由MATLAB来开发具有相当的难度和庞大的工作量。因此，在实验中采用了MATLAB与VB混合编程的方法，采用了几种MATLAB与VB的集成技术。

（1）利用ActiveX自动化。ActiveX自动化是ActiveX的一个协议，它允许应用程序采用VB与MATLAB或组件控制另一个应用程序或组件的运行，它包括自动化服务器或控制器。MATLAB可以作为自动化服务器，可以由其它应用程序编程驱动。MATLAB支持COM技术，它提供了一个自动化对象，其外部名称是Matlab.Application，其它程序通过COM技术提供的函数得到自动化对象支持的接口指针，通过调用接口函数便可控制和使用自动化对象了，利用这一特性用户可以非常方便地在应用程序中调用MATLAB命令，向MATLAB输入数据，使用MATLAB功能丰富的工具箱，完成所需要的设计，获取数据图形结果。

利用ActiveX进行VB和Matlab的交互通信时，所采用的Matlab语句是直接使用Matlab提供的函数和图形库命令。该方法编程效率高，但程序的执行必须在Matlab环境下，这样会占用内存，使程序的执行速度受一定影响。

（2）利用DDE技术。动态数据交换（简称DDE）是一种开放的、与语言无关的、基于消息的协议，它是应用程序通过共享内存进行进程间通信的一种形式。DDE方式运行时必须打开Matlab的命令窗口。程序编码简单但占用系统资源多，效率低下，功能相对较弱。把Matlab文件编译成VB可以执行的DLL文件，执行的效率高，但当M文件一旦编译成功之后，其功能就不能变化，所编程序的数据交换能力弱。

（3）采用动态链接库DLL方法。Matcom是一个从MATLAB到C++的编译器，它可以节省用户的运算时间和内存要求。

（4）利用文件实现VB与MATLAB的数据交换。利用VB和MATLAB的混合编程，主要是想利用VB方便、简洁的功能来设计美观的应用程序界面和MATLAB强大的计算、图形表达能力来完成所需的系统功能设计。

本文利用ActiveX技术和文件传递数据来实现了VB与MATLAB之间的动态数据交换。

在VB应用程序中创建了Matlab的ActiveX对象后，就可以使用这个对象所包含的各种方法来实现对Matlab的调用。

3.设计步骤

软件开发的主要工作是根据信号与线性系统课程的特点，为用户设计一个美观、简洁、明了的操作界面，使教师和学生不需要VB和MATLAB知识就能掌握和应用，操作尽量简单。为了实现这一目标，软件接口界面按照如下方式设计：

（1）菜单界面：根据信号与线性系统课程的内容特点，在主菜单页上排列四项该软件的主要功能，每项功能的子窗口页上有该项功能所包含的主要内容，其功能和操作方式一目了然。各操作窗口页面的切换按照Windows程序操作规范设计，操作简单。使用者只需要掌握应用软件操作方法，就能使用本软件。

（2）数据选择：数据选择采用统一格式的数据输入对话框。操作者只需要掌握了课程有关章节的内容，选择所需要的数据，就能完成分析任务。

（3）结果输出：计算结果输出尽量采用直观的图形显示方式。结果大多保存在单独的图形窗口中，用户可以根据需要保留多次的计算结果，以便进行分析比较。

三、信号与系统软件实验室实现

当用户在主机上进行实验操作时，主机进入相应的实验模块进行计算，计算结果随即被存入已设定好的内存空间，并将数据进行相应处理，得出的图象通过VB的调用显示到VB界面上，学生就可以看到最终的实验结果波形。名称是Matlab.Application，其它程序通过COM技术提供的函数得到自动化对象支持的接口指针，通过调用接口函数便可控制和使用自动化对象了，利用这一特性用户可以非常方便地在应用程序中调用MATLAB命令，向MATLAB输入数据，使用MATLAB功能丰富的工具箱，完成所需要的设计，获取数据图形结果。

（1）基本性实验。①信号及其运算的软件实现：连续信号的实现、离散信号的实现、信号运算的实现等。②时域分析的软件实现：连续时间系统的零状态响应、连续时间系统的冲激响应和阶跃响应、离散时间系统的零状态响应、离散时间系统的冲激响应和阶跃响应、卷积的计算等。③频域分析的软件实现：、周期信号的频域分析、非周期信号的频域分析、系统的频率特性分析、连续时间系统的s域分析、离散时间系统的z域分析等。（2）设计性实验：虚拟实验室的关键所在，在基本性实验的基础上添加了人机交互界面。（3）综合性实验：信号的采样与、滤波器的设计、随机信号功率谱分析。

四、结论

信号与系统软件实验室系统集成以往该类实验中的硬件仪器功能，节约了实验经费，其开放式平台特点，又培养了学生自主学习和创新开发能力。该实验系统已应用于我校的实验教学，取得了良好的教学效果。

（作者单位：东北电力大学信息工程学院）

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