信号与系统实验（精选12篇）
信号与系统实验 篇1
摘要：本文提出了一系列有关信号与系统课程实验教学的改革措施, 包括改进实验教学方法, 改革实验教学内容, 增加开放性实验室等。新措施改变了传统实验教学的单一性、封闭性, 给学生广阔的独立思考和实践的空间, 提高了实验教学质量。
关键词：信号与系统,实验教学,教学改革
“信号与系统”是测控、电气信息类各专业的学科基础课, 是一门理论性与技术性都比较强的课程, 在课程体系中起着承上启下的作用。其基本方法和原理广泛应用于通信工程、电气工程、自动控制、计算机信息处理及生物医学乃至经济学与社会科学等许许多多需要对信号与系统进行定性或定量分析的领域。目前我校共有7个专业的学生必修这门课程。该课程是学习数字信号处理、现代通信原理、自动控制理论等诸多后续课程所必备的基础, 这门课程教学质量的好坏, 直接影响到我校电类专业的教学质量以及学生的综合素质。
信号与系统与现代数学关系紧密, 理论性很强, 具有高度概括和较为抽象的特点, 学生普遍感觉该课程公式多, 难理解。要想让学生掌握好这门课程, 在教学过程中需要边学习、边实践、边研讨。通过实践, 使学生真正理解课本内容, 真正做到理论和实际相统一。但多年来本课程的实验教学环节存在着严重不足, 直接影响着课程整体教学质量的提高, 制约着学生动手能力和创新精神的培养。因此, 如何搞好信号与系统课程的实验教学是我们急需解决的课题。
一、传统实验教学环节存在的问题
首先, 传统实践教学验证性实验多, 学生只需按要求的过程去操作, 用不着查资料、思考及创新, 严重影响了学生主动参与实验的积极性, 这样的实验教学, 不能有效地培养学生主动思考问题和解决问题的能力。其次, 实验形式单调、手段单一、灵活性较差, 不能激发学生的学习热情, 影响了学生对理论与概念的深入理解与掌握。
二、实验教学环节改革的思路
1. 淡化理论教学与实验教学的界限, 将理论教学与实验教学有机地结合
理论教学与实验教学各有侧重, 实验教学不是理论教学的辅助, 而是理论教学的延伸, 两者相辅相成。在理论教学上, 我们将MATLAB引入到教学中来。MATLAB强大的数值分析和计算结果可视化功能, 为信号与系统课程的理论和实验教学改革提供了强有力的支持。例如我们把MATLAB的仿真过程嵌入到课件中, 让学生边听课边思考, 可根据实际情况, 在仿真中改变参数或人为设置故障, 要求学生来判断结果、寻找故障点和排除故障, 这是在实际实验中较难做到的。另外一些综合性、设计性实验题目可以在课堂上以作业的形式布置给学生, 并在课堂上讨论学生设计的个别案例。这样的教学淡化了理论教学与实验教学的界限, 促进了师生的互动, 大大提高了教学的效率和学生学习的积极性。
2. 在实验方法上, 淡化软件实验与硬件实验的界限, 充分利用各种手段提高教学效果
实验教学的主要目的是使学生巩固所学知识, 锻炼学生应用所学知识分析问题和解决问题的能力, 培养科研素质和创新意识。我们在实验教学中, 改变传统的实验教学方法, 创建新型的教学模式, 淡化软件实验与硬件实验的界限, 利用两者相结合的方法进行实验教学。
我们采用MATLAB及其SIMULINK工具箱开发了一套信号与系统仿真实验系统, 学生既可以应用MATLAB中的M文件编程也可以通过SIMULINK仿真得到实验结果。SIMULINK提供了一种图形化的交互环境, 通过建立系统仿真模型, 利用MATLAB资源, 能够监控仿真过程, 分析系统仿真结果。在这里教师可以给定不同的参数, 学生可以大胆地发挥自己的想象, 大胆地尝试各种设计方案。
在硬件实验方面, 我们充分利用学生所学的电路分析基础、模拟电子技术课程的知识, 结合仿真结果, 要求学生自行设计搭建硬件系统进行试验, 用示波器观察实验结果, 并与软件仿真结果进行对比、分析, 加深了学生对系统的认识, 培养了学生的综合能力。下面给出的是学生在“采样定理”实验中用硬件电路及软件仿真得到的实验结果。图1、图2分别为用硬件电路对正弦信号进行过采样及欠采样后重建的信号波形与原波形的比较。图3为利用软件仿真对抽样信号进行过采样后重建的结果。
3. 加强实验内容的改革, 增加综合性、设计性实验的比重
实验教学内容上, 我们改革了原来的实验模式, 增加了综合性、设计性实验的比重。综合性、设计性实验克服了传统验证性实验的缺点, 有利于培养学生的独立思维能力、理论联系实际的能力、协作精神以及创新能力等。经改革后, 实验的基本框架由基本实验、设计性实验、综合性实验构成, 综合性和设计性实验的比例占到50%。
基本实验中验证性实验较多, 旨在加强基本理论知识的学习、理解和掌握。形式上以计算机仿真实验为主。实验前先由指导教师讲述试验目的、实验内容等, 然后学生根据具体的实验步骤, 完成实验, 并进行实验结果分析, 达到在实验过程中掌握所学理论知识的目的。内容上包括:信号的频谱分析、系统的频率响应、卷积计算、信号的合成与分解等。
综合性实验, 是指涉及若干知识点或几种实验研究方法的非单一内容的实验;设计性实验强调学生实验过程的自主性, 是给定实验目的、要求和实验条件, 由学生自行设计实验方案、写程序, 拟订实验步骤及过程, 并加以实施的实验。通常在理论课上老师会公布实验题目, 学生可根据试验任务提前查阅资料, 拟定试验方案, 撰写论证报告, 这种面向任务的教学方法给予学生最大的发挥空间, 培养了学生分析问题与解决问题的能力。实验内容包括:系统的模拟、调制与解调、回波的产生与消除、模拟滤波器的设计、数字滤波器的设计、信号的抽样及重建和信号的去噪等。
4. 改革实验时间安排, 建立开放性实验室
传统的实验教学中, 实验室只是在实验教学计划规定的时间内对学生进行开放。传统的实验课, 一般是由老师统一安排并以班级为单位, 实验时间规定为两课时。这种实验时间的安排对于综合性、设计性实验来说显然是不合适的。由于完成综合性、设计性实验的方法和方案是不惟一的, 学生需要在实验中通过各种途径来验证自己的设计, 在实验中可能还会遇到各种问题需要学生去思考、研究、讨论。现在我们采用两步走的思路, 验证试验在实验课内完成, 综合性、设计性实验学时内不能完成的鼓励学生利用开放实验室课下进行, 学生可以通过网上预约或是实验室预约的方式自行选择实验时间来做实验, 疑难问题可向老师请教。通过实行开放式教学后, 无论从实验时间、实验内容、实验次数上都具有弹性, 学生可在开放宽松自由的实验环境下, 独立自主地进行实验。
三、结束语
通过一个学年的尝试和探索, 我们在信号与系统实验的方法和内容上进行了一系列改革。实践证明新的实验教学模式提高了学生对信号与系统这门课程的学习兴趣, 在帮助学生加深对基本理论的理解, 培养学生综合能力方面, 起到了良好的作用。
参考文献
[1]宁元中.美国麻省理工学院信号与系统”2001年秋教学情况简介[J].电气电子教学学报, 2002, 3
[2]Alan V.Oppenhem, Alan S.Willsky.刘树棠译.信号与系统[M].陕西:西安交通大学出版社, 2001
[3]孙贵根.以一条主线两个重点贯串信号与系统课程教学[J].电气电子教学学报, 2005, 1
[4]杜晶晶, 金学波.信号与系统与MATLAB语言组合互补教学方法的探索与实践[J].浙江理工大学学报, 2007, 6
信号与系统实验 篇2
时光飞逝，转眼间，我们的信号与系统实验结束了。回首这一段时光，收获了不少，也为这段实验学习画上了一个圆满的句号。在这段时间里，我们遇到了不少的困难，不过有老师与同学们的互相帮助，我们克服千难万险，总算完成了老师下达的任务。
通过学习并亲身体验这门课程，我觉得这是一门非常有意义的课程，它注重理论联系实际，平时，我们只是在教室里学习书本上的理论知识，从来没有实践过，当我在亲身动手开始实践的时候，我发现在实践的过程中，会遇到许许多多想不到的问题，但是也正是这些实际问题才能引领我去思考，用所学的知识，一步一步去解决所有问题，最终完成任务。
这几次实验的内容: 1)信号的分类与观察
2）非正旋信号的频谱分析
2)信号的抽样与恢复 3)模拟滤波器实验
首先来说说信号的分类与观察，在这一试验中，首先通过信号与系统实验箱产生各种函数波形，在这其中有正弦信号，指数信号，指数衰减正弦信号。然后将示波器与之连接好，接通电源，通过示波器绘出波形，从而分析其中各个参数的值。通过本次信号我了解到了常用信号的产生方法与之的观察，分析的方法。并且对示波器，信号与系统实验箱的使用有了初步的了解与掌握。
在接下来的第2次试验中，我们由第1次正弦信号变为非正弦周期信号，并且在这一次的试验中，我们不但要用到示波器，还要学习使用频谱仪。首先在老师的教导下，我基本掌握了频谱仪各个旋钮的功能及其使用方法。最后，用示波器，频谱仪测量两种不一样的方波波形与频谱显示图像，在后期的实验分析中，与理论值进行比较分析。虽然说这次的实验内容不是很多，但是我还是学会了不少东西，我了解到了频谱仪的基本工作原理与正确使用方法，了解到了非正弦周期信号的各种特性。
我们实验是关于信号的抽样与恢复，在课堂上，我们从课本上学习了信号的抽样定理与之如何从抽样信号恢复连续时间信号的方法，但是从来没有亲手实践，亲自动手产生抽样信号，和恢复信号和观察其波形的变化。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。用示波器观察插孔“抽样频率”的输出，同时测量插孔“抽样频率”输出信号的频率。通过函数信号发生器模块产生一频率为1KHz的正弦信号。用导线将函数信号发生器模块的输出端与此模块的插孔“模拟输入”端相连。信号采样的PAM观察：用示波器观察插孔“抽样信号”的输出，可测量到输入信号的采样序列，用示波器比较采样序列与原始信号的关系，及采样序列与采样冲激串之间的关系。在测量过程中注意，由于信号采样串为高频脉冲串，由于实际电路的频响范围有限在采样冲激串上会观察到过冲现象。PAM信号的恢复：用示波器观察并测量插孔“模拟输出”端的信号，用示波器比较恢复出的信号与原始信号的关系与差别。改变抽样频率重复上述4步（用三种不同的抽样频率）。用信号源调出20kHZ的抽样信号测量其频谱特性。通过本次实验，我亲手验证了信号的抽样定理，和如何恢复抽样信号，并且在这其中了解到了再恢复信号的同时，信号的幅度有了大幅度的衰减，这些我们只有通过实验才能观察得到。
第4个实验是关于模拟滤波器的实验，其实有课本的基础知识可以知道滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些基本频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以是由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以是由RC元件和有源器件构成有源滤波器。根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BSF）四种。我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率fc称为截止频率或转折频率。在通过示波器绘制各种滤波器的图形的时候，我亲眼看到了各种滤波器的特性。在这次的试验中，我在课本上学到的知识得到了充分的利用，并且再亲手实践又对各种概念有了更加深刻的认识。学会了如何用信号源与示波器测量滤波器的频响特性。
经过一学期的大学信号与系统实验的学习让 受益菲浅。在大学信号与系统实验课即将结束之时，对在这几次试验来的学习进行了总结，总结这4次实验来的收获与不足。取之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。
开始做实验的时候，由于自己的理论知识基础不好，在实验过程遇到了许多的难题，也使我感到理论知识的重要性。但是我并没有放弃。发现问题，自己看书，独立思考，最终解决问题，从而也就加深我对课本理论知识的理解，达到了很好的效果。
实验中我学会了示波器、频谱仪、函数发生器的使用方法，各种函数的波形与频谱特性、、、、、。实验过程中培养了我在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力以及培养了良好的工程素质和科学道德，例如团队精神、交流能力、独立思考、测试前沿信息的捕获能力等；提高了自己动手能力，培养理论联系实际的作风，增强创新意识。
在这几次大学信号与系统实验课的学习中，让我受益颇多。1.信号与系统实验让我养成了课前预习的好习惯。一直以来就没能养成课前预习的好习惯（虽然一直认为课前预习是很重要的），但经过这一年，让我深深的懂得课前预习的重要。只有在课前进行了认真的预习，才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。2.信号与系统实验培养了我的动手能力。“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的东西。”现在，大学生的动手能力越来越被人们重视，大学信号与系统实验正好为大学生提供了这一平台。每次试验无论哪一方面都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。经过这4次的锻炼，让我的动手能力有了明显的提高。
3、与系统实验让 在探索中求得真知。那些伟大的科学家之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。实验是检验理论正确与否的试金石。为了要使你的理论被人接受，你必须用事实（实验）来证明，让那些怀疑的人哑口无言。但是对于一个知识尚浅、探索能力还不够的人来说，这些探索也非一件易事。大学物理实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富。对于这些实验，在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。大学物理实验让 慢慢开始“摸着石头过河”。学习就是为了能自 学习，这正是实验课的核心，它让我在探索、自我学习中获得知识。4.信号与系统实验教会了 处理数据的能力。实验就有数据，有数据就得处理，这些数据处理的是否得当将直接影响你的实验成功与否。
经过这几次试验的大学信号与系统实验课的学习，让我收获多多。但在这中间，也发现了 存在的很多不足。我的动手能力好有待提高，当有些实验需要很强的动手能力时 还不能从容应对； 的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时 还不能很快很好的完成； 的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时 处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度„„
在往常的学习生活中，我只是会学习书本上的知识，从来没有动手实践过，就是有几个实习我们也大都注重观察的方面，比较注重理论性，而较少注重我们的动手锻炼。而这一次的实验所讲，没有多少东西要我们去想，更多的是要我们去做，好多东西看起来十分简单，没有亲自去做它，你就不会懂理论与实践是有很大区别的，看一个东西简单，但它在实际操作中就是有许多要注意的地方，有些东西也与你的想象不一样，我们这次的实验就是要我们跨过这道实际和理论之间的鸿沟。不过，通过这个实验我们也发现有些事看似实易，在以前我是不敢想象自己可以独立完成的，不过，这次实验给了我这样的机会，现在我可以与同伴合作做出。
对自己的动手能力是个很大的锻炼。实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。在实习中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。遇到的种种问题，但是我还是完成了任务。
我很感谢老师对我们的细心指导，从他那里我学会了很多书本上学不到的东西，教我们怎样把理论与实际操作更好的联系起来，这些东西无论是在以后的工作还是生活中都会对我起到很大的帮助。
信号与系统实验短暂，但却给我以后的道路指出一条明路，那就是思考着做事，事半功倍，更重要的是，做事的心态，也可以得到磨练，可以改变很多不良的习惯。
实验这几次的确有点累，不过也正好让我们养成了一种良好的作息习惯，它让我们更充实，更丰富，这就是实验收获吧！但愿有更多的收获伴着我，走向未知的将来。
信号与系统实验 篇3
关键词：信号处理；MATLAB；图形用户界面；实验软件
引言
信号处理类课程是高等院校电气信息学科学生的必修课程，它不仅是电类专业和信息类专业的一门专业基础课程，而且也是工科学生受益较多的一门课程。但是这类课程的许多理论都基于繁琐的数学理论和数学推导，因此容易使学生感到乏味。为了提高学生学习的效率，需要借助实验手段来帮助学生理解课堂所学理论。
MATLAB是有美国MathWorks公司推出的一个为工程计算和数据分析而专门设计的高级交互式软件包，利用它能容易地解决在系统仿真领域教学与研究中遇到的问题；不仅如此，它还提供了用户可编程设计的图形用户界面(Graphical UserInterface，简写为GUI)设计工具，为课堂实验教学和实验仿真提供了十分有效的手段。基于此，本文利用MATLAB的可视化图形用户界面(GuI)工具，设计实验系统的图形用户界面的总体结构。本系统能够用于完成相关的信号处理实验。
1设计的基本内容
本设计有以下特点：
(1)具有序列的基本计算、基本信号的产生、数据采集、卷积、傅里叶变换、z变换以及FIR和IIR滤波器等功能。
(2)界面可视性强，操作简单方便。
(3)具有数据输入输出、图形输出、数据修改和文件保存、打印等功能，系统内容丰富，实验效率高，结果直观易懂、便于分析。
(4)系统易于扩展新的实验项目。
2系统总体设计步骤
在本系统的设计中，界面布局设计采用自顶向下的设计方法，即先设计引导界面和主界面，再设计各个实验子界面。界面设计完成后，只是一些静态的画面而已，没有什么内涵，还不能用于实验操作，要想达到实验目的，必须借助于函数调用。在设计中，各个回调函数的编写顺序则是采用自底向上的设计方法，即先编制各个实验子界面的回调函数，再编写主界面和引导界面的回调函数。
其设计的具体步骤如下：
(1)运用MATLAB的图形用户界面(GuI)设计方法，设计整个实验系统的开始引导界面、实验主界面及其实现信号处理课程中具体实验的各个子界面；
(2)运用MATLAB的图形用户界面(GUD设计方法，设计系统的说明界面及其各个实验的说明界面；
(3)分别编写各个子界面的各个控件对象的回调函数，来实现控件相应控制功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入输出，并可以方便地对实验结果的数据及其图形进行读取和分析的目的；
(4)编写主界面的回调函数，将各个实验子界面整合在信号处理系统实验主界面中，即通过主界面就可以进入任何一个实验子界面进行实验；
(5)编写开始引导界面的回调函数，实现从引导界面直接进入主界面。
3实验系统的设计及实现
3．1实验系统的设计
本实验系统整体结构设计由两部分组成：界面模块设计和菜单模块设计。其中，界面模块总共包括十个模块：开始引导模块、主模块、说明模块、序列基本计算模块、基本信号的产生模块、数据采集模块、卷积模块、傅里叶变换模块、z变换模块、滤波器设计模块。一些实验界面模块下面又有下一级实验界面模块，如滤波器设计模块下面还有FIR滤波器设计模块和IIR滤波器设计模块，其中FIR滤波器模块又包含FIR滤波器线性的判断实验界面、窗函数的频率响应实验界面和FIR滤波器的设计实验界面；IIR滤波器模块又包含完全IIR滤波器的设计实验界面和典型ILR滤波器实验界面；主界面中还包含了说明模块。在菜单设计时，在实验子界面中除使用系统约定的菜单条外，还增加了几个控制背景和退出实验的菜单；引导界面中不使用菜单；主界面中将所有实验项目做成菜单的形式，只要通过选择相应的菜单选项，就可以进入实验。
系统的整体结构如图1所示。
3．2实验系统的实现
没计出的主界面是用于进入信号处理各个实验子界面的。它使用菜单及其一些按钮控件来实现，将各个实验子界面有机地联系到一起，使界面美观，易于操作。实验系统主界面如图2所示。
在图2界面中，用户可以通过选择菜单中相应的项，进入相应的实验界面来进行实验。可以进行的实验包括以下几种：序列的基本计算、基本信号的产生、数据采集、卷积、傅里叶变换、z变换、FIR及IIR滤波器的设计等。此外，界面上还设计有各个实验的简要说明控件，用户在进行实验之前，可以先单击相应的说明控件，来阅读相关实验的简要信息。
4结束语
《信号与系统》实验教学方法探索 篇4
关键词：信号与系统实验,考核方式,教学质量
《信号与系统》是电类专业一门重要的专业基础课, 先修课程是高等数学、复变函数、电路分析。《信号与系统》这门课也为后续课程数字信号处理、数字图像处理、通信原理、自动控制原理的学习打下基础。随着信息技术的不断发展, 现代社会生活已进入了信息化时代, 现在很多非电类专业也开设了《信号与系统》。这门课是学生将来从事信号分析、检测控制等领域的科研与开发工作必不可少的理论与技术基础[1]。
《信号与系统》课的特点是:公式多, 概念抽象, 数学推导繁琐。这样造成教师难以讲解清楚, 学生难以听懂, 在理论课堂上许多理论、概念和公式学生都是一知半解。所以《信号与系统》实验课开设的初衷是让学生进一步巩固课堂基本概念和基本原理, 掌握基本的实验技能和实际动手能力, 最终提高学生独立思考和实践创新能力。结合多年的教学实践经验, 笔者提出了一些提高《信号与系统》实验教学质量的方法。
一、强调实验预习的重要性, 避免学生盲目做实验
以往的实验课都是学生没有课前预习就直接拿着实验教材进实验室, 实验室辅导老师按部就班地讲解实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤和实验注意事项。学生就机械地照搬老师的讲解内容做实验。有些时候老师还把实验的过程演示一遍给学生看, 这样学生就依照老师的做法比葫芦画瓢地操作。这样学生做实验很顺利, 实验结果也很快得出, 但学生的独立思考能力和创新能力得不到培养, 以后学生就业就是一个大问题。
所以, 学生的课前预习尤为重要, 学生要适应当今强大的就业压力, 就要掌握科学的学习方法, 只有具备了较强的自学能力, 才能独立地探究新的科学领域, 获取新的知识, 具备独立思考能力、自学能力和科学探索精神。为了达到这样的目的, 我们的做法是:要求每一位学生在上每一个实验之前都要预习这次实验的内容, 并撰写本次实验的预习报告, 没有预习报告者不得进入实验室做实验。此外, 我们还在校园网上传大量的实验室实验仪器设备的使用说明及学习资料, 还有很多有关仪器设备的操作的演示视频供学生参考, 这样学生在上实验课之前已经对要做的实验心中有数, 避免盲目做实验。
二、采用多种教学手段和教学平台
鉴于《信号与系统》这门课的特点, 实验课总是滞后于理论课。我们在上实验课时首先是讲解实验的原理, 实验原理的讲解要求精炼, 通俗易懂, 注重物理概念的讲解, 一般讲解七八分钟。我们在讲解实验原理的时候最好采用多媒体教学手段, 加上一些动画演示, 使复杂的公式理论形象化, 更有利于复习理论课讲过的内容, 有利于实验课的顺利开展。
传统的实验课都是在试验箱上做一些验证性的实验。试验箱的特点是, 实验原理电路已经给出, 学生只需根据实验要求连线搭电路就可以了, 而且连线往往很简单。这样的实验, 学生只需用信号源送给电路一个输入, 再把输出送入示波器观察实验结果, 最后分析实验数据就可以了。这样会造成学生机械地做实验, 实际操作能力和综合分析问题的能力没有提高。
我们把Multisim和Matlab引入到实验当中来, Multisim是加拿大简称IIT公司推出的以Windows为基础的从电路仿真设计到版图生产全过程的电子设计工作平台, 是一套功能完善、操作界面友好、方便使用的EDA (Electronic Design Automation电子设计自动化) 工具。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式, 具有丰富的仿真分析能力, 是电子技术界广为应用的一种计算机仿真设计软件。Multisim提供了方便友好的操作界面、相当广泛的元器件、种类齐全的电子设备、全面的电路分析工具。由于软件操作是在计算机环境下进行的, 不是真实实际的元器件和仪器设备的连接, 故称虚拟电子实验室。例如对于信号的分解与合成, 很多同学感到概念抽象, 不容易理解, 我们让同学们自己运用Multisim软件设计一个滤波电路来观察信号的分解与合成, 这样直观形象, 学生能深刻理解这个概念, 而且是学生自己设计的电路, 也培养了学生独立思考、独立解决问题的能力, 同时也提高了学生综合分析问题的能力。
Matlab俗称“矩阵实验室”, 是Matrix Laboratory的缩写。1984年由美国Math Works公司研制开发, 以矩阵计算为基础的交互式的功能强大的科学及工程计算软件。Matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一块, 并提供了大量的内置函数, 从而使其广泛应用于数学计算和分析、自动控制、系统仿真、数字信号处理、图形图像分析、数理统计、人工智能、虚拟现实技术、通讯工程、金融系统等领域。时至今日, 经过Math Works公司的不断完善, Matlab已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件, 也是当代大学生应该掌握的一项基本技能。我们把Matlab软件应用在《信号与系统》实验当中可以把课程当中抽象的概念和理论形象化, 使学生更容易掌握这些难以理解的内容。
三、合理调整实验性质的比重, 注重学生能力培养
以往的实验课都是做基础验证性实验, 它的特点是实验过程简单, 实验结果容易得到, 这些实验基本上是在实验箱上完成。学生做过这样的实验印象不深, 很快就遗忘, 得不到实际的收获, 教学质量很差。我们教研室经过多年的努力, 大力改革调整实验内容, 适当增加综合设计性实验和创新性实验的比重。调整后的比例是基础验证性实验占30%, 综合设计性实验占40%, 创新性实验占30%。综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。综合设计性实验的特点是, 给定实验目的要求和实验条件, 由学生自行设计实验方案并加以实现的实验, 实验内容涉及本课程的综合知识或涉及本课程部分知识的实验。创新性实验, 以学生为主体, 调动学生的主动性、积极性和创造性, 激发学生的创新思维和创新意识, 全面提升学生的创新实验能力。
四、采用多重考核方式, 注重教学质量的提高
实验总成绩我们分两个部分:平时实验成绩和期末实验考试。平时实验成绩占总成绩的60%, 期末实验考试成绩占总成绩的40%。总成绩我们又采用五级制评价, 90分以上为A, 80~90分为B, 70~80分为C, 60~70分为D, 不及格为E。平时成绩我们又细分成三个部分, 实验预习成绩、实验过程成绩和实验报告成绩。实验过程我们又从实验操作和实验数据两个方面来考核, 实验得出的数据当场有老师签字, 没有老师签字的实验数据不合格, 要重新做实验。
五、总结
我们教研室一直在努力探索《信号与系统》实验课教学方法。本文通过强调实验预习的重要性, 采用多种教学手段和多种教学平台, 合理调整实验的比重, 改革考核方式, 初步摸索出一套良好的教学方法。经过一年多的实践表明这些方法都受到学生的好评, 学生的学习兴趣、实际动手能力、独立解决问题的能力和创新能力都得到明显的提高。学生素质提高了, 表明我们的教学质量提高了。
参考文献
《信号与系统》实验教学大纲 篇5
电子科技大学上机实验教学大纲
一、课程名称：信号与系统
（一）本课程实验总体介绍
1、本课程上机实验的任务：
使学生学会MATLAB的数值计算功能，将学生从烦琐的数学运算中解脱出来；让学生将课程中的重点、难点及部分课后练习用MATLAB进行形象、直观的可视化计算机模拟与仿真实现；培养学生的创新意识和独立解决问题的能力，为学习后续的专业课程打下坚实的基础。
2、本课程上机实验简介：
《信号与系统》上机实验是以计算机为辅助教学手段，用信号分析软件帮助学生完成数值计算、信号与系统分析的可视化建模及仿真调试，培养学生掌握运用先进的MATLAB工具软件进行信号与系统分析的能力。
3、本课程适用专业：电子信息类各专业。
4、本课程上机实验涉及核心知识点：
① 连续时间信号的卷积积分与离散时间信号的卷积和 ② LTI系统的特征函数、滤波 ③ 信号与系统的时域频域特性 ④ LTI系统的复频域分析
5、本课程上机实验重点与难点：
① 利用MATLAB实现连续时间周期信号的傅里叶级数分解与综合 ② 傅里叶变换的性质及MATLAB实现 ③ 连续时间系统频率响应的几何确定法
6、本课程上机实验运用软件名称：MATLAB
7、总学时：8
8、教材名称及教材性质：
“Exploration in Signals and Systems Using MATLAB”
John R.Buck , Michael M.Daniel
刘树棠 译，西安交通大学出版社，2000
课程实验教学大纲
9、参考资料：
《信号与系统分析及MATLAB实现》
梁虹、梁洁、陈跃斌等，电子工业出版社，2002年。
（二）包含实验项目基本信息 实验项目1
一、实验项目名称：MATLAB编程基础及典型实例
二、上机实验题目：信号的时域运算及MATLAB实现
1、实验项目的目的和任务：
掌握MATLAB编程及绘图基础，实现信号的可视化表示。
2、上机实验内容：
① 画出离散时间正弦信号并确定基波周期： 1.2节(d)② 离散时间系统性质：1.4节(a)、(b)③ 卷积计算：2.1节(c)④ 选做：求解差分方程：1.5节(a)
3、学时数：2 实验项目2
一、实验项目名称：周期信号傅里叶分析及其MATLAB实现
二、上机实验题目：特征函数在LTI系统傅里叶分析中的应用 1．实验项目的目的和任务：
掌握特征函数在系统响应分析中的作用，正确理解滤波的概念。2．上机实验内容：
① 函数Filter、Freqz和Freqs的使用：2.2节(g)、3.2节、4.1节 ② 计算离散时间傅里叶级数：3.1节 ③ LTI系统的特征函数：3.4节(a),(b),(c)④ 用离散时间傅里叶级数综合信号：3.5节(d),(e),(f),(h)⑤ 吉布斯现象：根据英文教材Example 3.5验证Fig3.9的吉布斯现象(a)~(d)3．学时数：2
课程实验教学大纲
实验项目3
一、实验项目名称：非周期信号傅里叶分析的MATLAB实现
二、上机实验题目：傅里叶变换的基本性质及其在系统分析中的应用 1．实验项目的目的和任务：
熟练掌握连续时间傅里叶变换的基本性质及其在系统分析中应用。2．上机实验内容：
① 连续时间傅里叶变换性质：4.3节(b)② 求由微分方程描述的单位冲激响应：4.5节(b)③ 计算离散时间傅里叶变换：5.1节(a),(b),(c)④ 由欠采样引起的混叠：7.1节(a),(b),(c),(d)3．学时数：2 实验项目4
一、实验项目名称：LTI系统复频域分析的MATLAB实现
二、上机实验题目：拉氏变换与Z变换的基本性质在系统分析中的应用 1．实验项目的目的和任务：
掌握拉氏变换、Z变换的基本性质及其在系统分析中的典型应用 2．上机实验内容：
信号与系统实验 篇6
关键词 信号与系统 改革 实践
中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）24-0012-02
一、前言
《信号与系统》是信息类本科专业的专业基础课，信息技术的迅猛发展与日益广泛的应用是信息时代的主要特征。信息的获取、存储、传递、处理、识别与综合是信息技术研究的主要内容。信号是信息的载体，系统是信息的处理手段。因此，以研究信号与系统理论的基本概念和基本分析方法为目的的《信号与系统》课程是通信技术、电子信息技术和自控技术各专业必修的主干基础课之一，是电子信息工程专业一门重要的专业基础课，也是硕士研究生入学考试的必考科目。
本课程是一门理论性很强的课程，通过这门课的学习，使学生理解信息的基本处理过程，能运用基本分析方法理解系统对信号所起的作用，为以后的设计系统打下理论基础。与大部分工科课程相同，《信号与系统》课程作为面向电子信息类专业的基础课程，也起源于欧美。在二十世纪五十年代，美国麻省理工学院总结二战以来在通信、雷达和控制等领域广泛应用的基础理论，开设《信号与系统》课程，讲授卷积、傅里叶变换、拉普拉斯变换、反馈分析等专业知识，我国在改革开放之后才开设《信号与系统》课程。
当前，信息技术飞速发展，新理论和新技术不断涌现，学科交叉融合日益密切，《信号与系统》不仅是电子信息类专业核心基础课程，也成为自动控制、汽车、车辆、网络等相关专业的比较重要的专业基础课。因此，《信号与系统》课程的教学也与时俱进，教学主体根据不断发展的技术形势，及时调整培养目标，在课程体系、教学内容、实验手段、教学方法和考核方法等方面进行改革和实践。
二、教学改革研究路线
虽然《电路分析基础》《信号与系统》《数字信号处理》课程的教学核心，在国内已达成共识，但按照何种顺序讲解、附加在何种背景下讲解、如何进行教学实践环节等方面，不同的教材仍有不同的侧重甚至完全相异的教学观点，学生在学习这些课程时感到概念好懂，但如何用概念、理论来解决问题就比较难掌握。针对本课题的研究内容，本课题的研究工作采取理论——实践——调研——再理论——再实践的方案。
具体过程如下：
（一）理论
梳理核心内容的逻辑关系：关于连续变换和离散变换的讲课顺序。
挑选核心内容的侧重点：拉氏变换讲解的侧重点。
实验的内容、时机的考虑：学好信号与系统，实践是必不可少的环节，实践中，MATLAB软件又是最重要的工具，针对此软件是单独开实验课还是安排在课后习题中。
（二）实践
在2015至2016学年第二学期开设相关课程的班级进行教学实践，在不同专业的应用案例中融入本专业的特色，本学期已经考虑基于MALBA软件进行实验教学。
（三）调研
在2016年暑期，在上海本地相关院校和南京、北京、西安、武汉等有关院校，对相关课程的教学大纲、教学方法和手段、实验内容等，以及开设专业、授课教师等情况的实地考察和学习。
（四）再理论
总结调研内容、取长补短，结合本校的教学实践和相关院校的教学理论和实践经验，对之前的理论研究进行修正。中期成果为在撰写调研报告的基础上投稿至少一篇教研教改论文。
（五）再实践
总结在2015至2016学年第二学期开设《信号与系统》课程的班级进行的教学实践，在2016至2017学年第一学期开设《信号与系统》课程的班级进行进一步的教学实践，撰写教学教改论文。
通过对多个学校、多种教材的考察、多篇教学文章的学习，本课题组已经对如下问题进行了思考和预研究：连续变换和离散变换的讲课顺序；拉氏变换讲解侧重点；MATLAB软件的使用：学好信号与系统，实践是必不可少的环节，实践中，MATLAB软件又是最重要的工具，针对此软件本学期主要以单独开实验课为主，安排在课后习题中为辅。经典例题的应用：以经典例题为主，辅以课堂讲解，并更新一部分符合现代背景的例题，在兴趣中讲解，并在讲解中产生兴趣。实验形式选取：实验是教学中必不可少的环节，演示性实验偏重原理讲解，研究性实验偏重提高学生分析问题和解决问题的能力。二者有机结合。
《电路分析基础》《信号与系统》《数字信号处理》是理论与实践紧密结合、应用广泛、交叉渗透了许多学科的课程。其中《信号与系统》是以信号与系统特性以及信号处理等工程问题为背景，经数学抽象及理论概括而形成的一门课程，任何事物都可以看做是一个系统，用系统模型的建立和系统分析的理论，对其进行定量分析。因此，本课程所采用的分析概念是许多工程学科的组成部分，尤其重要。
了解相关大学，包括985、211院校的有关课程的培养目标、教学大纲、教学内容、实验内容等；交流对于不同学科专业有关课程的基本教学要求；了解对于以培养应用能力为主要目标的学校，该课程教学中的侧重点。学习和交流有关课程对学生学习效果的评价方式、课堂教学方法、教学内容中重点和难点的处理方式。了解相关大学有关课程教学教师的情况以及团队建设的措施；了解其学校对教师教学能力、教学效果的评价方法。
外文教材与中文教材的选用：外文教材具有帮助阅读和写作的优势，中文教材具有帮助理解的优势。大班教学与小组讨论：教学过程中，以大班教学为主，以小组讨论形式为辅。
相关院校调研，有关课程的教学大纲、教学方法和手段、实验内容等，以及开设专业、授课教师等情况的实地考察和学习。调研软件实验与硬件实验，目前有多所学校在MATLAB基础上增加FPGA实验更进一步验证真实环境下的理论知识，也有多所学校仍坚持软件验证为主。
将新的教学理念、方法、案例等应用于实际教学。对核心教学内容进行整合。考虑到学生前序课程复变函数理解可能不够透彻，将三个变换并行讲解模式改为串行讲解模式，即先让学生切实掌握傅里叶变换，然后以傅里叶变换为基础，让学生理解其它变换。也同样由于前序课程复变函数课程学生可能理解不够透彻，加重零极点内容教学，因为这个方面的分析对后续课程有很大帮助，如数字信号处理等。
对练习内容进行调整和加强。考虑到学生目前对公式推导更多在于形式上的理解而不是概念上的理解，所以在作业中布置MATLAB编程和画图的题目，学生通过MATLAB画图，可以直观的理解公式所表达的物理含义。例题的使用考虑到《信号与系》这门基础课对后续课程的铺垫作用，以不同专业后续课程中的实际应用为基础，讲解对应的例题。
三、教学方法、手段及考核方法
采用多种教学方法和手段，如讲授法、谈论法、演示法、练习法、课堂讨论法、实验法等。实验法是学生在教师的指导下，使用一定的设备和材料，通过控制条件的操作过程，引起实验对象的某些变化，从观察这些现象的变化中获取新知识或验证知识的教学方法。而本门课程的特殊性，采用的实验法是指通过计算机进行仿真实验，所采用的软件为MATLAB，利用该软件，学生在教师的指导下，可对所学的理论进行仿真验证，对深刻理解所学知识大有裨益。
建立多专业授课教师合作工作室。为了深入探讨各个专业的特色，并根据特色突出相应的理论重点，实现本门课程和专业的无缝对接，本项目拟定建立多专业授课教师合作工作室。该工作室的建立面向学生及讲授该门课程的教师。在工作室环境下，以项目为依托，便于学生与教师及教师之间的交流、沟通，并使学生充分认识到“理论用于指导实践，实践可用于验证理论”，从而避免以往的理论教学与实践相脱离的现象，缩小理论与实践的距离，充分有效利用高校资源。在该平台上，可结合各专业的技术需求情况，制定授课计划，实际项目，在课程的整个学习过程中，可使学生与教师零距离接触，便于专业知识的吸收和转化，既可以提高学生的理论，又可以培养实践能力。
对于课程的考核方式，基于学校对考查课的要求，可采取试卷考核、大作业、小论文、调研报告、上机操作、现场技能操作、答辩、实验测试等方式与日常表现结合的考核方式。
关于评价体系，课程的评价体系采用学生评价、教师评价、学校评价，三者结合的方式，对该课程的教学进行评定。所评定的内容包括教学方式，教学方法，教学态度，教学效果。
四、结束语
对《信号与系统》课程的研究、改革与实践，可以提升《信号与系统》授课教师的教学水平，促进学生对《信号与系统》核心内容的理解和掌握，提高学生理论与实际结合的能力；有利于《信号与系统》课程在应用技术性院校多专业的教学。
参考文献：
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[5]陈后金等.我校“信号与系统”课程的改革与建设[J].电气电子教学学报，2004，（12）.
[基金项目：上海电机学院2016年校级重点教研教改项目（项目名称：宽领域专业基础课程群教学的研究改革与实践）；上海电机学院2016年校级重点课程建设项目（课程名称：信号与系统）。]
信号与系统实验 篇7
信号与系统是通信、电气等专业的学科基础课, 本身具有一定的抽象性, 在专业课程学习过程中起着承上启下的作用, 一方面作为对过往知识的检查, 要求学生具有良好的高等数学基础和简单电路分析的能力, 然后能够灵活的运用在对信号的时域分析和频域分析之上。另一方面也是后续课程如数字信号处理、通信原理、DSP的启蒙课程, 对培养学生的分析信号以及简单系统的能力起着重要的作用。在学习这门课的过程中, 学生会感觉到一定的压力, 尤其是在傅里叶变换、拉普拉斯变换的学习上, 这些知识涉及繁重的计算量和许多性质并且在理解上也比较抽象, 很多学生望而生怯。因此, 这门课程的教学质量就显得尤为重要。
为了能更好地帮助学生理解在课堂上所学的理论知识, 我们将在实验教学中采取相对以前来说更为有效的措施来提高对某些概念的感性认识以及对理论知识的灵活运用能力。通过自己动手做实验的方式, 学生会更加深刻的理解和运用书本知识, 从而从整体上改善这门课程的教学质量。因此对实验教学的改革与探索应该以改善教学质量和提高学生的运用理论知识而自己动手做实验为目标, 而做实验对学生来说本身就有一定的趣味性和挑战性, 我们可以抓住这点来提高学生的学习积极性, 加深对理论知识的理解程度。因此如何更加科学有效的开展实验的改革与探索成为了我们工作在一线的教师的重要课题。
二、传统实验教学现状以及存在的问题
由于我校本身地处湘西, 交通不便, 经济相对欠发达, 教学资源比较匮乏, 教学条件比较艰苦, 教学器材也相对陈旧。所以, 从客观的角度来讲我们本身具有一定的劣势。相对来说, 作为一线工作者, 我们就要付出更多的努力来提升教学质量。在信号与系统实验这门课中, 我们使用的是“DJ-XH3”实验箱, 这是通过收集诸多院校大量的反馈信息后不断改进而研制成功的, 是专门为《信号与系统》课程而设计的, 提供了信号的频域、时域分析的实验手段, 增加了数字信号功能处理。同时, 我们必须充分发挥学生的主观能动性, 培养学生对知识的渴望, 一切的教学目标也都应该以学生获取知识为中心开展, 这既是我们开展工作的目标, 也是作为一名教师的职责和义务所在。然而, 过去的经历告诉我们, 在这方面我们做得还远远不够。在很多次的实验过程中, 学生都以抱怨学校教学器材的质量为由, 比如说实验精度不够啊、导线接触不良等, 然后举手示意老师过来帮忙检查问题, 实验集装箱在老师的操作下, 很快就出现了理想的结果, 为什么?其实在这些过程中我们发现本来不是实验器材的问题, 是有些学生抱着投机的心理找老师解决问题然后他就可以以“完成实验”为由提早走出实验室。往深里说, 还是我们的学生做实验的积极性不高, 不肯去钻研问题, 只是形式上的走走过场, 可能在他们心里想的是, 不就是一次实验吗, 对我以后的发展有什么作用吗?还不如早点出实验室早回寝室早玩游戏早休息。所以, 笔者觉得, 本课程的实验教学改革主要应该从两方面着手, 其一是教师如何更加高质量的教学, 更加有针对性的备课, 其二是如何高效培养学生的学习积极性。怎么样让学生养成良好的学习态度, 既有利于教师高效开展相关的教学工作, 也能帮助学生在学习过程中减轻压力。
三、实验教学改革的探索
(一) 培养明确目标和指导思想
加强和突出对学生创造性思维方式的培养;突出对学生科学研究工作的方法、规律及手段的训练;积极将经典课程与现代通信、信息处理等技术密切结合。学生做实验不能没有目标而只是纯粹模仿老师的动作, 我们的高等教育不能知识培养一批手工匠、技术工, 更应该把人的思维释放出来, 这才是教育应有的本质。而这体现在学生对实验原理的把握程度上。
(二) 做好基础性实验, 重在能力培养
“工欲善其事必先利其器”, 我们学校采用的是“DJ-XH3”实验箱, “DJ-XH”系列“信号与系统实验箱”是在收集了许多院校大量的反馈信息后, 经过不断改进而研制成功的。是专门为《信号与系统》课程而设计的, 提供了信号的频域、时域分析的实验手段, 增加了数字信号处理功能。利用该实验箱可进行阶跃响应与冲击响应的时域分析;连续时间系统的模拟;抽样定理与信号恢复的分析与研究;一阶、二阶电路的暂态响应;二阶网络状态轨迹显示、AM调制与解调, FDM频分复用、借助于DSP技术实现信号频谱的分析与研究、信号分解与合成的分析与实验;各种滤波器 (模拟、数字) 的设计与实验等内容的学习。
针对信号与系统的实验课时相对偏少的问题, 我们可以精选一些基础性强的实验来重点突破, 由于信号与系统的教学内容包括连续信号与系统的分析和离散信号与系统的分析, 所以在课时的分配上要兼顾“连续”和“离散”两部分内容。由此我们精选出了实验内容并作出了相应的课时安排, 重在把握基础。同时也要加强组员、同学之间的交流与协作。此外, 考虑到有些同学可能在规定时间内完不成实验以及那些对做实验非常有兴趣的同学, 我们实验室应该在课余时间多开放, 并且采取一定的手段鼓励学生常去实验室。
此外, 一个相对准确的成绩评定也是实验教学过程中的一个非常重要的参考指标。目前大都数的学生成绩评定都是以期末成绩来衡量。这对于实验教学来说很显然是不科学的。在成绩分配这一块当中, 我们应当把注意力放到学生的平时的学习过程中去, 尤其是对于创新的同学来说, 应该设置一个最高分不超过10分的附加分。基于公平的原则, 教师可以在每次实验做完后立即给学生评定当次的实验情况, 保证时效性。这里笔者做了一个实验成绩分项考核记分表表1如图.
(三) 注重设计型实验的质量
实验教学的主要目的是使学生巩固所学理论知识, 锻炼学生应用所学知识分析问题和解决问题的能力, 培养科研素质和创新意识。在实验教学过程中, 将理论知识与硬件实验有机结合, 有利于学生更加透彻的理解知识的要点以及运用知识处理实际问题的能力。通常, 信号与系统课程的很多概念都是比较抽象的, 如果能用更加通俗或者实例化的例子来帮助学生理解, 一方面会降低学生理解的难度, 同时不断地获取新知识的过程也会给了学生学习提供良好动力的源泉。比如说在模拟调制系统, 要求给给定的信号进行调幅、调频等过程, 其中涉及DSB、SSB、AM等调制模型。相应于上面说的, 学生在刚开始接触这些知识的时候, 面对大量的专业术语, 可能会有点畏手畏脚从而打不开自己的思维。这时候我们教师首先应该做的就是要帮助学生克服心理上的一定障碍, 想尽办法找到一种让学生更好理解知识点的方法, 而不是照着书念。比如说信号的幅度调制与解调过程吧, 调制就是把要调制的信号加载在载波信号的幅度上, 解调是从载波上取出调制信号。其实, 说的通俗点, 频域上调制就是把调制信号“搬出去”, 解调就是把已调制信号“搬回来”。通过这样更加生活化的词语加以描述, 学生就会在心理上放下包袱, 从而也就提升了学习的动力。对于学生我们应该做到因材施教, 设计型实验, 我们可以根据学生的实际情况以及实验内容适当的调整实验难度。这样, 我相信实验成功的机率和质量也就上来了。
(四) 信息时代, 注重网络资源利用
现在是互联网信息时代, 通信业及其发达。借助互联网, 我们可以找到丰富的学科资源, 我们在课堂上没有获取的知识或者书本上没有的知识完全可以在网上得到。现在知识更新的速度也是惊人的, 网上学习就显得尤为重要, 笔者觉得在线教学会成为未来教育的主流趋势。比如说最近国内外许多高校都在做的Massive Open Online Course即大型开放式网络课程 (MOOC) 。
四、结语
教育的步伐可能有些缓慢, 我们的祖先在2000年前也是围绕着大讲堂聆听孔子或者苏格拉底, 而现在的大学课堂还是基本如此, 只是多个话筒和PPT的演示。比尔盖茨曾经说过:“人们往往高估了未来2年而低估了10年内的变化”。教学改革与探索不是一两天就能够完成的, 实践证明, 高职演讲与口才课程的教学改革还有许多艰苦细致的工作需要我们去思考、去探索。作为教师要不断更新教学理念, 优化教学模式, 创新教学方法, 改革考核方式。这是一个长期的艰巨的任务。
摘要：信号与系统作为通信电子类专业的学科基础课程, 在专业课程学习过程中起着承上启下的作用, 是诸多后续课程如通信原理以及数字信号处理课程的基础。该课程本身具有很强的理论性, 学生在学习课程会感觉到一定的难度, 为了能帮助学生更好地学习好这门课程, 我们将从实验教学的角度来改善整个信号与系统的教学质量。一方面着手教师本身备课方面的质量, 一方面想办法提高学生的学习积极性以及培养学生的创新精神。
信号与系统实验 篇8
《信号与系统》课程是一门实用性较强、涉及面较广的专业基础课,是高等学校电子信息、计算机技术、自动控制等专业的一门重要的必修基础课,在许多学校都被列为重点课程,具有十分重要的地位和作用。该课程是将学生从电路分析的知识领域引入信号处理与传输领域的关键性课程,对后续专业课起着承上启下的作用。该课程的基本方法和理论大量应用于计算机信息处理的各个领域,特别是在通信、数字语音处理、数字图像处理、数字信号分析等领域的应用更为广泛。因此,让学生掌握对信号与系统进行分析的基本方法和理论,无论是对今后专业课的教学,还是学生毕业后从事专业工作的能力,都具有重要的意义。
在目前的教学工作中,《信号与系统》的教学主要是考虑课堂上重点讲授基本理论知识要点,但是《信号与系统》是一门以数学推导为核心的理论性很强的学科,其概念比较抽象,数学计算又比较繁琐并且较少开设实验。长期以来《信号与系统》一直采用“教师——黑板——学生”的单一教学模式,学生仅依靠做课后习题来巩固和理解教学内容,对课程中大量的应用性较强的内容不能实际动手设计、调试、分析,使学生的课后实践受到相当大的限制,严重影响和制约了教学效果。为了帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力,特引入功能强大的Matlab仿真语言,在此基础上设计了基于Matlab软件平台仿真环境的课程实验系统。该系统对于帮助学生完成数值计算、信号与系统分析的可视化建模及仿真调试起到了积极的推动作用。
1 Matlab简介
Matlab是MathWork公司推出的一套面向工程和科学运算,具有强大矩阵计算能力和良好图形可视化功能的高性能软件。它的主要功能是:
(1)高效的数值计算及符号计算功能;
(2)完备的图形处理功能;
(3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言;
(4)功能丰富的应用工具箱。
由于Matlab的强大的功能,使它倍受工程技术人员及科技专家的欢迎,并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学等领域不可缺少的基础软件。
2《信号与系统》实验内容
《信号与系统》实验课程内容可以归纳为几个知识点,它们是:1)信号的时域表示;2)连续信号卷积;3)典型周期信号的频谱表示;4)傅里叶变换性质研究;5)系统的零极点分析;6)离散信号分析;7)FIR数字滤波器的Matlab设计;8)IIR滤波器的设计;9)信号的时频分析和小波分析;10)连续信号的采样与恢复。我们所设计的实验系统对上述每一部分知识点的理论算法都进行了仿真,但由于篇幅所限,本文只对其中部分实验内容的具体实现作了详尽的描述。
3 部分实验内容的Matlab设计
3.1 FIR数字滤波器的Matlab设计
FIR数字滤波器的设计方法有窗函数法、频率采样法、Fourier级数展开法等,本文只提供窗函数设计法。
对于窗函数设计法一般是先给出所要求的理想滤波器的频率响应,要求设计一个滤波器来逼近,但是设计是在时域进行的,因此可由Hd(ejω)的傅立叶反变换导出hd(n),即:
由于Hd(ejω)是矩形频率特性,故hd(n)一定是无限长的序列,而我们要设计的是FIR滤波器,其h(n)必然是有限长的,而要用有限长的h(n)来逼近无限长的hd(n),最有效的方法是截断hd(n),即用一个有限长的窗口函数序列w(n)来截取hd(n),即h(n)=w(n)hd(n)。
工程中常用的窗函数共有6种,即矩形窗、三角(Bartlett)窗、汉宁(Hanning)窗、海明(Hamming)窗、布莱克曼(Blackman)窗和凯泽(Kaiser)窗。
3.1.1 窗函数设计法的步骤
(1)给定理想频响函数Hd(ejω);
(2)根据指标选择窗函数。确定窗函数类型的主要依据是过度带宽和阻带最小衰耗的指标,确定N;
(3)由Hd(ejω)求hd(n)加窗得h(n)=w(n)hd(n);
(4)检验。
3.1.2 窗函数设计
根据以上过程进行Matlab程序的编制,程序中使用了海明窗。
例:设计一个长度为8的线性相位FIR滤波器,其理想幅频特性满足:
下面给出程序运行结果:
为了提高逼近质量,使逼近误差更小,也就是减小在通带边缘由于抽样点的陡然变化而引起的起伏振荡。和窗函数法的平滑截断一样,这里采用使理想频率响应的不连续点的边缘加上一些过滤的抽样点,从而增加过滤带宽,减小频带边缘的突变,也就减小了起伏振荡,增加了阻带最小衰减。程序运行结果充分说明,在没有优化过滤带的情况下,阻带最小衰减只有26,这在实际的运用中几乎没什么意义。而在优化过滤带的情况下,阻带最小衰减达到了57,是没有优化情况下的两倍多,而且其通带波动及线性相位也得到了很大的改善。
3.2 IIR数字滤波器的MATLAB设计
对于IIR数字滤波器的设计,采用频率变换设计法。
3.2.1 IIR数字滤波器的频率变换设计法基本原理
根据滤波器设计要求,设计模拟原型低通滤波器,然后进行频率变换,将其转换为相应的模拟滤波器(高通、带通等),最后利用冲激响应不变法或双线性变换法,将模拟滤波器数字化成相应的数字滤波器。
3.2.2 IIR数字滤波器的频率变换设计法的设计步骤利用Matlab设计IIR数字滤波器可分以下几步来实现:
(1)按一定规则将数字滤波器的技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标;
(2)据转换后的技术指标使用滤波器阶数函数确定滤波器的最小阶数N和截止频率Wc;
(3)利用最小阶数N产生模拟低通滤波器原型;
(4)利用截止频率Wc把模拟低通滤波器原型转换成模拟低通、高通、带通或带阻滤波器;
(5)利用冲激响应不变法或双线性不变法把模拟滤波器转换成数字滤波器。
3.2.3 IIR数字滤波器的频率变换设计法的实现
下面给出程序运行结果:
图3(参见右栏)
3.3 连续信号的采样与恢复的Matlab设计
3.3.1 连续信号的采样
3.3.2 连续信号的恢复
设信号f(t)被采样后形成的采样信号为fs(t),信号的重构是指由经内插处理后,恢复出原来的信号f(t)的过程,因此又称为信号恢复。设f(t)为带限信号,带宽为Ωm,经采样后的频谱为Fs(jΩ)。设采样频率Ωs≥2Ωm,则F s(jΩ)是以Ωs为周期的谱线。现取一个频率特性为:
其中截止频率Ωc满足Ωm≤Ωc≤Ωs/2的理想低通滤波器与Fs(jΩ)相乘,得到的频谱即为原信号的频谱F(jΩ),根据时域卷积定理,有:f(t)=h(t)*fs(t),其中
由此可得:
上式即为用f(n Ts)表达f(t)的表达式,其中的抽样函数Sa(Ωct)为内插函数。
3.3.3 连续信号的采样与恢复的Matlab设计
4 结论
此系统很好地实现了《信号与系统》课程中黑板上无法表现和透彻解释的信号特性的功能,能很好地促使学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。
摘要：利用Matlab软件仿真环境设计了信号与系统课程实验系统。对FIR数字滤波器和IIR数字滤波器的MATLAB设计进行了详尽的描述。实践表明,实验系统的开发和设计使学生能更好地理解和掌握该课程的基本理论,并能提高学生的工程应用能力。
关键词：信号与系统,Matlab,FIR数字滤波器,IIR数字滤波器
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信号与系统实验 篇9
信号与系统是电子信息工程专业的基础课程, 在整个专业课程中起着承上启下的作用。这门课程不仅理论知识很丰富, 而且在实际中有着广泛的应用, 学好这门课程对学生有很重要的作用。这门课程的特点是对数学知识要求很高, 整个过程不涉及到具体电路, 让学生感觉比较抽象, 很多学生在学这门课程的时候, 看不到该课程到底应用在什么地方, 感觉学了没有用, 又是在上数学课, 从而产生厌学情绪。为此, 在教学过程中, 必须让学生做一些实验, 以便于学生理解该课程的应用。传统的信号与系统硬件实验箱需要通过搭建硬件电路, 用示波器观察波形来分析系统, 这种方法的局限性很多:
(1) 硬件电路容易出问题, 学生经常调试不出结果。
(2) 示波器主要用来观察信号的时域波形, 不能观察信号的频谱, 不能把信号的时域和频域结合起来。
(3) 硬件实验箱能完成的实验主要集中在分析连续时间系统的时域分析, 而对系统的频域分析很少, 对系统的复频域分析和Z域分析完全没有。由此可知, 传统的硬件实验箱无法满足信号与系统的教学要求, 为此, 在此逐步建立信号与系统的仿真平台, 让学生能够从仿真实验中更好理解信号与系统。
能够用来进行信号与系统仿真的软件有Matlab, LabVIEW, SystemVIEW等。其中, Matlab, LabVIEW软件功能强大, 能进行各种各样的仿真, 但要掌握这2种软件比较困难。而SystemVIEW入门容易, 不需要进行复杂的编程, 只需要使用功能模块 (Token) 构建系统模型, 通过分析窗口对数据进行分析, 就可以进行各种专业仿真, 完全能够满足信号与系统教学的需要。
1 实验平台的建设
在整个仿真实验平台的建设过程中, 根据信号与系统课程的特点, 把实验分为4大类:连续时间系统的时域和频域分析, 连续时间系统的复频域分析, 离散时间系统的时域和Z域分析, 信号与系统在实际中的应用。参考传统的硬件实验箱, 对常见的硬件实验, 采用SystemVIEW软件进行仿真。同时, 对硬件电路没有实现的实验, 用SystemVIEW软件开发了新的仿真实验。针对学生在学习过程中, 觉得信号与系统无用的感觉, 利用SystemVIEW软件开发了一些信号与系统的实用仿真, 让学生理解信号与系统在实际中的应用。
1.1 SystemVIEW在连续时间系统的时域和频域分析中的建设
在连续系统的时域分析中, 主要涉及的是信号与系统的基础知识, 包括常见信号的介绍、系统的零输入响应、零状态响应、阶跃响应、冲激响应、卷积计算等。传统的信号与系统实验, 主要集中在以上的分析, 但分析的方法死板, 经常因为实验箱硬件问题而分析不出来。而用SystemVIEW软件, 能够很好地仿真以上实验, 改变不同的参数, 就能分析不同的响应, 分析方法灵活多变, 可以从不同角度理解实验的本质。
从中学到大学, 学生基本上都是分析信号的时域, 对信号的频域是什么, 分析信号的频域有什么用, 怎么才能够把信号从时域分析到频域, 以及把信号从频域变换到时域, 学生都不明白。为了解决这些问题, 让学生建立信号的频域的概念, 用SystemVIEW软件建立了以下仿真实验, 如表1所示[1]。
1.2 SystemVIEW在复频域分析中的建设
傅里叶变换虽然能够对连续时间系统进行分析, 但还是存在一定的局限性, 只有满足狄里赫利条件的信号其傅里叶变换计算才较简单, 否则计算就很复杂, 有的甚至难以计算。为了打破这一局限, 可以采用拉普拉斯变换来分析连续时间系统。
通过拉普拉斯变换, 可以将一个信号从时域变换到复频域 (S域) , 且拉普拉斯变换计算较傅里叶变换简单, 可以分析和处理的信号和系统更加广泛, 甚至可以分析不稳定系统。并可以根据拉普拉斯变换判断系统的稳定性, 在线性系统, 控制自动化上都有广泛的应用。但拉普拉斯变换相对于傅里叶变换, 其物理意义不明显, 以至于很多学生在学了拉普拉斯变换以后, 不明白什么是系统的复频域分析。为了理解系统的复频域分析, 必须和实验结合起来。而传统的实验箱, 这方面的实验基本上没有, 学生无法从实验中理解。因此, 在实验平台的建设过程中, 引入了以下几个实验项目, 如表2所示。
1.3 SystemVIEW在离散时间信号分析中的建设
离散时间系统分析是数字信号处理的先修课程, 而且现代电子信息技术, 正在向数字信号处理方面发展, 因此, 理解离散时间系统是很重要的。但很多学生在接触离散时间系统的时候, 总是感觉很抽象, 不能把离散时间模型和实际的数字器件联系起来, 而SystemVIEW可以方便地把离散系统和实际器件联系起来, 让学生把信号与系统与数字电路联系起来。让学生学以致用, 增加学生学习的兴趣。
在离散时间信号分析方面, 建立了如表3所示的实验。
1.4 基于SystemVIEW的信号与系统实际应用仿真
为了让学生理论联系实际, 理解信号与系统的实际应用, 建立了如表4所示的仿真实验。
2 实验平台应用实例
2.1 周期锯齿波的分解与合成
一个周期为T的锯齿波
可以把周期锯齿波f (t) 分解成:
式中:E=1为周期锯齿波的幅度;ω=2π/T=π/5 rad/s为周期锯齿波的角频率。
根据式 (4) , 就可以构建合成锯齿波的SystemVIEW仿真模型, 把周期锯齿波进行分解与合成, 如图1所示, 合成的周期锯齿波如图2所示, 且根据式 (4) , 可以画出周期锯齿波的单边幅度谱, 如图3所示。
2.2 双音多频 (DTMF) 电话系统
电话键盘上共有16个按键, 分别是:“1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, A, B, C, D, *, #”。任意一个按键x (t) 可以表示为[5]:
式中:AL是低频信号振幅;ωL是低频信号角频率, 分别为697 Hz, 770 Hz, 852 Hz, 941 Hz;AH是高频信号振幅;ωH是高频信号角频率, 分别为1 209 Hz, 1 336 Hz, 1 477 Hz, 1 633 Hz。由式 (5) 可知, 任意按键是由2个单音频信号构成, 用SystemVIEW搭建DTMF的产生和检测仿真模型如图4所示[6]。
DTMF信令的周期为100 ms, 信号持续时间为50 ms, 仿真模型中用乘法器控制其波形。通过加法器把拨号音汇总, 发送出去。
在检测端, 分别用低通滤波器和高通滤波器分离出DTMF信号的低频部分和高频部分, 再用经过带通滤波器, 检波器, 分离出不同频率分量的信号, 转化为数字编码, 然后查表, 即可判断拨号音。系统仿真频率为8 kHz, 仿真时间为0.65 s。拨号为12590, 可以通过Windows录音机听拨号音。接收到的数字编码信号为0000 0001 0101 1010 1101, 对照表5, 判断出拨号音为12590。仿真结果如图5, 图6所示, 图5为拨号音的波形, 图6为接收端检测到的数字编码波形。
3 结 语
该仿真实验平台覆盖了信号与系统的环节, 克服了传统实验箱的缺点, 且学生入门容易, 不必掌握各种编程语言, 就可进行各种仿真[7]。通过该平台很容易把信号与系统的理论知识和实际联系。把各种复杂的数学运算经过仿真, 很直观地展现给学生, 让学生更加容易理解。使学生从纯粹的理论学习中解脱出来, 增加动手能力。让学生从被动学习转变到主动学习中, 提高学习积极性。
SystemVIEW不仅可用在信号与系统实验教学中, 而且在信号与系统的后续课程, 比如通信原理, 数字信号处理, 自动控制原理等课程中, 都可以采用该软件进行理论和实验教学。在实际教学中, 基于SystemVIEW的信号与系统实验平台应用效果比较满意, 对应用过程中遇到的问题, 我们将进一步改进, 使该系统更加适合教学。
参考文献
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信号与系统实验 篇10
实践是高等教育的重要环节,对培养大学生的工程与生产实践能力、产业能力,提高其就业竞争力尤为重要。信号与系统是电子类专业的基础课,但由于信号与系统也是一门抽象,并且理论和实践结合较紧密的学科,因此实验在教学中占有十分重要的地位。
1 传统信号与系统实验课程教学中存在的问题
第一,验证性实验太多。在传统实践教学中,学生的操作只要遵循要求的步骤既可,无需查阅资料、思考、创新等,使得学生参与实验的积极性严重受挫,难以培养他们思考、解决问题的能力。第二,实验缺乏灵活性。实践教学中的实验的形式、手段单一,学生缺乏学习热情,难以深入理解、掌握所学的理论和概念。所以,针对以上问题,并根据本人从事信号与系统实验课程的教学体会,提出以下改革建议。
2 改革方法
2.1 开放实验室,实现实验的预约和自助
首先,开发一个基于网络的实验预习和预约系统。在该系统上,提供所有实验项目的预习资料,学生通过初步的预习,可以在网络上登记、预约实验项目和实验时间,允许学生补做或重做实验。由于学生可以根据自己的学习状况和个人喜好来安排实验,故可以做到有的放矢,大大提高学生学习的积极性和效率。
2.2 注重实际应用,强化软件使用
在各种分析研究中,MATLAB已成为大多数科研工作者的一个必备工具。该课程实验教学中,运用MATLAB解决在实际中遇到的问题。例如,在连续系统的时域分析中,有关于系统的零状态响应这个知识点,通常教师在课堂上讲解这部分内容时,学生觉得枯燥无味,关键是计算过程比较冗长,但是若使用MATLAB解决,就比较容易,举个例子说明。
举例:已知系统函数,求当输入为f(t)=sint+sin3t,-∞<t<+∞系统的稳态响应,冲激响应和阶跃响应。我们就可以利用MATLAB编一个简单的程序,运行后就得到以下波形,如图1所示。
2.3 分层次教学
在信号与系统课程中实现分层次教学。近几年,高校不断扩大招生规模,使得高等教育逐渐转换成了大众教育,不同能力级别的学生都被纳入到高等教育的范围。为此将分层次教学引入到信号与系统课程中,正对水平不同的学生设计不同的教学内容,使用不同的实验教学手段完成不同的实验要求。最终因材施教,使高实验教学效果的效果得到显著提高。
3 注重理论与工程实际结合
每届学生对映信号与系统课程都有一个共同的感觉,就是理论多、理解难。所以课堂上把一些难以理解的理论知识联系到现实生活中,是最好的调动学生学习兴趣、巩固其知识的方法。傅立叶变换的性质中的频移特性即调制特性是现代通信系统的基础知识。这一节课程上,为讨论频谱搬移的特点可以引入广播、电视系统,让学生更加直观的了解频移的物理意义和应用价值。为了说明作为现代通信基础原理之一的傅里叶变换抽象定理在通信系统中的作用,可以引入我国现在的市话标准,以此讲解相关内容。
4 将课程设计、电子设计大赛作为实验课的外延
我们要在实验课的基础之上开设课程设计,并鼓励学生参加电子设计大赛,将课程设计和电子设计大赛作为实验课的扩展延伸和有益补充,进一步提高学生的设计能力。可以通过选修课的方式开设课程设计,该课的任课教师可以将学生分成小组,设置题目和要求,给学生一定的答疑时间,让每个小组根据自己所选的题目课下完成电路设计,并在实验室对其调试形成成品,最后让任课老师对设计结果进行指导,写出实验报告;也可以利用答辩来验收。通过该课程的学习,使得学生的团队协作能力得到了提高;学生在参加电子设计大赛的同时,其学习的欲望和积极性受到激发,同时学习了新知识、新技能,培养了科技创新精神。
5 结束语
通过培养本科化创新人才实践与探索,培养了学生发现问题、分析问题和解决问题能力,启迪了学生的思维,提高了学生综合应用知识的能力,激发了学生的求知欲、创新意识和创新能力;基于MATLAB的信号与系统实验系统。使学生通过做信号与系统的实验,加深对课程内容的理解,并能够在实验过程中发现问题并利用所学知识去解决问题,培养了他们对知识的探索精神,同时可通过学习MATLAB编程语言自行设计系统进行模拟,从而加强了学生的综合设计能力。
参考文献
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信号与系统课程案例教学的探讨 篇11
[摘 要]《信号与系统》课程是电子信息类的专业基础课，该课程理论内容多，知识较为抽象，学生理解起来困难，教学难度大。针对这些问题，提出了基于案例的教学方案，以心率测量系统的搭建和实验以及数据分析为例，向学生讲述了信号处理知识的应用，尤其是傅里叶变换的应用，增强了学生对《信号与系统》课程中物理概念的理解，培养了学生的工程实践能力。
[关键词]信号与系统；案例；工程实践能力
[中图分类号] G423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0141-02
引言
《信号与系统》是一门理论性强、应用性高的课程，是高等工科院校电子信息工程、通信工程、自动化及计算机科学与技术等专业的一门重要的专业基础课程。[1-2] 该门课程的学习效果直接影响到后续课程如《数字信号处理》、《通信原理》等的学习；而该门课程应用的数学知识多，物理概念非常抽象，学生普遍反映学习困难，尤其是涉及变换域的问题，学生对变换域的概念比较陌生。目前本校的信号与系统的教学主要是以课堂讲授以及Matlab仿真、天煌实验仪器实验这三种方式结合的形式进行。学生没有办法对实际的硬件电路与简单的信号分析联系起来，本校学生普遍反应信号与系统这门课程学习较为抽象。针对这一问题，结合学生从大一开始就进行了单片机的学习，提出了以心率测量显示系统为案例的《信号与系统》的案例教学方式。
一、心率测量显示系统介绍
如图1所示为学生设计的心率测量和显示系统。该系统包括传感器模块、MCU控制模块、LCD显示模块。传感器模块使用HKG-07B指夹式红外脉搏传感器[3]，传感器内部包含了放大、滤波等电路，可广泛应用于各种脉搏波采集系统。MCU控制模块采用K10N512开发板，开发板自带AD且支持串口，可与PC机通信。LCD显示模块采用彩色TFT屏，通信方式为SPI通信。显示屏可以同时显示脉搏波的时域波形和频谱。
基于单片机的心率测量显示系统硬件组成简单，学生可以方便快捷的根据各个模块搭建系统。而且由于系统是模块化结构，不需要学生有很强的硬件知识。通过对系统模块的组合和搭建，学生将熟悉单片机的编程，了解非物理量到电信号的转换，了解信号从模拟信号到数字信号的转换，熟悉简单心率信号的处理，加深对《信号与系统》课程中各种物理概念尤其是时域信号以及频域信号的描述和分析的理解。
二、心率信号的测量和显示
在信息处理中，自然界中的各种物理量大部分都是通过传感器转化成电压或者电流信号。HKG-07B指夹式红外脉搏传感器将脉搏波转换成电压信号，该电压信号经8位AD转换后保存在数组中，同时显示在LCD屏幕上，屏幕定时刷新，当数据不断更新，屏幕刷新后会显示即时的动态脉搏波形。测量的脉搏波如图2所示。
图2显示的是脉搏波的时域波形。可以对时域波形进行峰值检测，计数，取平均值即可得到脉搏值。目前学生普遍采用对该信号进行20s之内的峰峰值检测，然后乘以3得到一分钟的脉搏值。
三、脉搏波的频谱分析和处理
由于环境温度会影响到人体血管的扩张或收缩，导致血液的流动情况发生变化，所以该传感器的输出信号也随着周围环境的变化而出现较大波动。这时候采用时域计算法得到的脉搏波数值不准确。因此可以让学生跳出时域的框架，改用频域的方法处理问题。
由图2可以观察得知，脉搏波的波形近似于周期信号。根据信号与系统课程中关于周期信号的傅立叶级数分解可知周期信号可以分解为多个不同频率的正弦分量，分别作这些正弦分量的幅度对于频率的变化曲线得到周期信号的幅度谱，作正弦分量的相位对于频率的变化曲线得到周期信号的相位谱，二者合称频谱图。通过频谱图可以清楚地看出时域周期信号的频率分量的幅度与相位的相对信息。利用频谱图的特性可以找出脉搏信号的频率分量，从而算出脉搏速率。脉搏波和其傅里叶变换如图3所示。上半部分为脉搏波的时域波形，下图为脉搏波傅里叶变换后的幅度谱。
人类的脉搏测量量程是30bpm～240bpm，即频率为0.5Hz～4Hz。根据采样定理，采样频率必须大于原始信号频率的2倍，所以采样频率必须大于8Hz。因此设定采样频率为10Hz。数据长度为512位。FFT的结果为复数，复数以real（0），imag（0），real（1），imag（1），…的方式存放，所以计算结果有1024位。信号的频谱图中，信号的幅度谱为FFT变换后的模值，因此要计算上述复数的模。同时FFT结果是对称的，只需要取序号0～256的数据进行计算即可。相对于各种干扰信号来说，脉搏波的信号幅度最强，因此找出FFT变换后模值当中的幅度最大值对应的点即为脉搏频率fPR。
PulseRate=60·fPR
PulseRate为脉搏速率，单位是次每分钟，英文符号是bpm。
图3所示频谱图出现大量毛刺，图形不平滑，主峰上出现多个峰值，旁瓣过高。为了改善傅里叶变换的质量，FFT变换前先给数据做加窗处理，然后才进行FFT。加窗处理后的结果如图4所示。经过加窗后的FFT变换结果明显好于图3所示结果。
目前所使用的MCU控制模块为Kinetis K10，MK10DN512ZVLL支持DSP功能，可以调用库函数进行数字信号处理。DSP功能是由内核Cortex-M4实现的，在ARM公司提供的CMSIS库中可以找到相应的代码，该库提供的DSP库有优化的信号处理算法。由于MCU自带有FFT的库函数，学生可自行调用FFT库函数，避免了学生对于编程上的生疏问题。同时，要求学生在调用库函数的同时，要求学生能看懂相应库函数，能对库函数中的参数做调整，有助于学生对傅立叶变换物理概念的理解。
为方便学生获取数据，以作后期处理用，可以通过核心板串口获取脉搏信号。图5和图6分别是将一组数据导入MATLAB中并进行FFT变换的结果。两组数据对应的脉搏速率分别为1.583Hz和1.23Hz，即95bpm和74bpm，属于正常范围。脉搏波形fs=100Hz的图形和频谱图fs=10Hz分别对应硬件LCD的脉搏波形图和频谱图。通过对比硬件显示结果和MATLAB的计算结果，二者计算结果相近。
从核心板串口读取脉搏数据，并在电脑中进行存储，方便学生获得能处理的数据，以便后续做其他处理，如可以对存储的脉搏波进行特征提取以及研究，以及采用各种算法对脉搏波进行处理等等。为学生对后续课程和工程应用打下基础。
四、结论
心率测量显示系统搭建简单，可全部由学生自行完成，且携带方便，数据获取容易，可以在课堂上随时对实验数据和实验结果以及设计过程进行相应讨论。较好的加强学生的动手能力，加深学生对物理概念的理解，提高学生的工程实践能力。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 应自炉. 信号与系统[M]. 北京：国防工业出版社，2008.
[2] 甘俊英，胡异丁，应自炉. 信号与系统精品课程的建设与实践[J]. 计算机教育，2008（2）：89-91.
信号与系统实验 篇12
信号与系统课程是电子信息、控制自动化类专业的专业必修课程,也是上述专业研究生入学考试的必考课程。信号与系统课程教学过程中知识点多、内容纷繁抽象,在专业教学过程中处于承上启下的位置。承上是因为该课程涉及了高等数学、电路分析、大学物理等课程的知识;启下对通信专业后续课程有数字信号处理、通信原理等,对电子类专业除数字信号处理外,还有自动控制原理等。信号与系统课程教材很多,有些高校采用了国外原版教材,查阅不同教材可以帮助加强对本门课程的进一步理解。
1 课程教学过程中存在的问题
在课程教学过程中存在的问题有:课程涉及内容较多,有定义、推导证明、性质、常用的变换等;信号分析变换与系统分析的区分;知识点概念与信号三大变换的具体实际应用不明确;奇异函数的概念;系统的时域分析与变换域分析等价的理论基础;傅立叶变换、拉普拉斯变换与z变换之间的联系等;同样解题方法多样,既可以在时域中求解也可在频域或S域中求解;系统的频域响应函数H(jw)和系统函数H(s)的应用场合;卷积运算与乘积运算,在时域中求系统的零状态响应,可以将输入信号与系统的单位冲激进行卷积运算,在频域中求解可以将输入信号的傅立叶变换与系统的频率响应函数进行乘积后再进行傅立叶反变换;连续时间系统与离散时间系统的分析方法区别;从频域角度来理解采样与由样本信号恢复原始信号的过程。
2 仿真实验融入课程教学的几点建议
为了很好的教学,在正式讲授教学内容前,需突出本课程的主线和重点,加强学生对章节内容安排以及整个教材内容的把握。信号与系统课程的内容安排大致可以说明为:从连续到离散;从时域到变换域;从离散谱到连续谱;先对信号进行分析再到系统;采样定理联系连续与离散信号;三大变换总是从按照变换定义式的推导、常用信号的变换与性质、系统分析的顺序来讲解。贯穿该课程的主线就是信号分解的思想,将需要分析的信号分解为若干个基本信号的加权和,时域分析中基本信号是冲激信号;频域分析中分解为不同频率的ejwt的线性组合;拉普拉斯变换分析中基本信号是est,其中s是复频率的概念;z变换中是z-n的加权和。信号分解的思想将信号通过系统的响应求解简化基本信号作用于系统的响应之和,即和的响应等于响应之和。理清课程教学安排思路,有利于学生对整个课本知识的掌握,这一点非常重要。
为避免教学过程中总是出现数学公式计算推导,帮助学生理解其中包含的物理意义,可以将教学内容具体形象演示或仿真出来。现在可以将信号的运算或变换过程以PPT或更形象的flash形式动态展现出来,给予学生很好的理解。此外,帮助学生理解课本知识还可借助仿真软件,如比较常用的Matlab软件;如果说要将知识内容进行实际应用,还可以采用C语言编程。现有不少高校在该门课程的实践教学上都采用Matlab仿真软件。因声音与图片信息更形象也更能引起学生的学习兴趣,所以可以在课堂教学过程中加入对声音和图片的仿真处理。可以在下面教学内容进行运用。
2.1 信号的尺度变换运算
在讲到尺度变换时会强调时域的展宽与压缩,观察坐标轴的取值范围变化。实际上这时可以通过Matlab分别仿真一段音乐经展开与压缩前后的听觉效果,建立对信号的频率分量的初步理解。
2.2 周期信号的傅立叶级数展开
将信号用不同频率正弦信号表示,正弦信号是基本信号,因为任何信号都可以看出是由不同频率的正弦信号的加权和。如何让学生理解这一点?我们可以利用正弦信号产生一段音乐来加深理解,Matlab仿真代码与运行结果如图一所示。
语句wavplay(sin((1:rhythm(i)*p0)/pt*2*pi*scale12(map(score(i)))),pt)就是对确定频率的正弦信息进行播放。
2.3 信号傅立叶变换的模与相位
信号傅立叶变换是个复数,具有模与相位。模与相位包含了信号全部信息,当然也包括声音信号和图像信号。在工程实际中,信号在系统中进行加工处理,不同的应用场合对幅度失真和相位失真有不同的敏感程度,听觉系统的特性对相位相对不灵敏;而图像信号的相位中包含大部分信息。为了让学生理解,可实现二维图像的傅立叶变换算法,给出模与相位信息,如图二所示。为了直观给出相位信息的重要性,可以交换两幅图像的幅度谱和相位谱,并重构图像,如图三所示。
2.4 信号的时域频域分析与采样定理
时域分析是从信号随时间变化的情况来观察信号;频域分析针对的还是同一个信号,只不过从另一面频率角度来进行的,得到的是信号的幅度和相位随频率分布情况。只要信号的频谱未改变,信号的时域波形就不会发生变化。如果信号的高频分量削弱,对应的时域波形将变得平滑些;如果信号的低频分量减少,相应波形变化会更快些,具体可以看sin(wt)单一频率正弦信号的波形随频率w的变化情况。对采样定理的过采样和欠采样的理解最好从频域角度来看,仿真一段声音信号,分别对其进行过采样和欠采样后再重构信号,听听恢复后的声音效果。
3 结束语
信号与系统课程的知识点很多,教学过程中如果将枯燥的数学公式与具体的电路声音图像联系起来,往往更能帮助学生理解书本上的内容,同时理解该门课程的实际应用,提高学习的积极性,加强课堂效果,真正做到教学相长。
摘要：根据信号与系统课程特点以及教学过程中存在的问题,本文提出将仿真实验融入课程教学过程中;同时对教学内容如何借助仿真实验给出几点建议,并给出了具体仿真实例。通过改变教学方法多样性,加强学生对课程的理解与实际应用,提高学习的积极性,加强课堂效果。
关键词：仿真实验,教学,信号与系统
参考文献
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