基于MATLABGUI信号与系统教学软件设计说明.doc资源-CSDN文库

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1 引言 1

1.1 论文写作背景 1

1.2 研究问题的提出 1

1.3 研究问题的解决方案 1

2 MATLAB 软件简介 2

2.1 MATLAB 发展过程 2

2.2 MATLAB 入门与其结构 3

2.3 MATLAB 在信号与系统中的应用 4

3 信号与系统知识结构 4

3.1 信号与系统课程简介 4

3.2 基于教学软件中有关信号与系统的知识结构 5

3.2.1 信号的频域分析 5

3.2.2 系统的频域分析 7

3.2.3 教学软件中相关知识结构 9

4 GUI 界面的创建与应用 9

4.1 GUI 界面的基本知识 9

4.2 信号与系统教学软件 GUI 设计 11

4.2.1GUI 主界面的设计 11

4.2.2 周期信号频域分析 12

4.2.3 非周期信号频域分析 14

4.2.4 系统的频率响应 23

结论 25

参考文献 26

致 27

1 / 28

1 引言

1.1 论文写作背景

随着社会科技的高速发展以与计算机网络的普与，对信息应用的研究就变得

非常重要，而其中对信号波形的模拟可以方便研究人员进行科学研究。“信号与

系统”课程的特点是概念抽象，数学运算量大、公式和理论推导相对较多，因此

一直处于教难、学更难的境况中,这就更加需要通过实验来帮助学生理解这些抽

象概念。学校开设的传统实验均在实验室的硬件实验设备上完成，设备的使用存

在空间、时间上的局限性，另外，对仪器操作不当等因素导致无法看到正确的波

形。而用软件对信号波形进行仿真有着界面可视性强，操作简单方便；便于数据

修改，文件保存，实验效率高，实验容丰富，结果直观易懂，便于分析的优点，

同时可以让学生对相关课程产生兴趣，所以使用软件有必要而且急为迫切。

1.2 研究问题的提出

在学习“信号与系统”这门课程时，由于该课程对数学要求较高，理论结果往

往来源于复杂的数学运算与推导，这就导致学生将大量的时间用于进行手工数学

运算（如微分、积分、方程求解、多项式求根等），而未真正理解分析结果在信

号处理中的实际应用。因此学生在学习过程中较被动，特别是在系统设计方面，

自己设计的系统经过复杂的手工数学计算后，往往不能直观地得到系统的可视化

测试结果，一定程度上制约了学生学习的主动性和创造性，达不到培养综合能力

的目的。

因此，该课程迫切需要进行教学方法和教学手段的改革，即改革传统的单一

教学模式，将计算机多媒体教学引入到“信号与系统”课程的教学中来，进行“信号

与系统”计算机仿真立体化教材建设，实现在实验环境中，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与

仿真调试，培养学生主动获取知识和独立解决问题的能力，为学习后续专业课打

下坚实的基础。

1.3 研究问题的解决方案

MATLAB 的出现给“信号与系统”课程的计算机辅助教学与计算机仿真带来

了福音，使利用计算机辅助学生完成“信号与系统”课程的数值计算、信号与系统

2 / 28

分析的可视化建模与仿真调试成为可能，该软件包含的信号处理工具箱更是学习

和应用信号与系统分析方法和原理的有力工具。

本教学软件就是基于MATLAB软件中的GUI即图形用户界面(GUI是由窗口、

按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面,用户通过一定的方法,选择、

激活这些图形对象,实现计算、绘图等功能)模块进行的设计。通过简单的操作可

以直观的了解到信号在时域、频域的变换以与运算, 使同学能够对本课程的学习

产生兴趣。

2 MATLAB 软件简介

2.1 MATLAB 发展过程

MATLAB 软件是由美国 Mathworks 公司推出的用于数值计算和图形处理的

科学计算系统环境。MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(短阵实验室)的缩写。

它的第 1 版(DoS 版本 1.0)发行于 1984 年,现在最新的版本集中了日常数学处理

中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。

在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、

输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环

境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说

明。与利用 c 语言或 FORTRAN 语言作数值计算的程序设计相比，利用 MATLAB

可以节省大量的编程时间。

在美国的一些大学里，MATLAB 正在成为对数值线性代数以与其他一些高

等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。在工程技术界，MATLAB 也被用来

解决一些实际课题和数学模型问题。典型的应用包括数值计算、算法预设计与验

证，以与一些特殊的短阵计算应用，如自动控制理论、统计、数字信号处理(时

间序列分拆)等。

MATLAB 系统最初是由 CIeve Moler 用 FORTRAN 语言设计的，有关短阵的

算法来自 LINPACK 和 EIsPACK 课题的研究成果；现在的 MATLAB 程序是

Math Works 公司用 C 语言开发的，第一版由 Steve Bangert 主持开发编译解释

程序，SteveKleiman 完成图形功能的设计，John Little 和 Cleve Moler 主持开发了

各类数学分分析的子模块，撰写用户指南和大部分的 M 文件。自从第一版发行

以来，已有众多的科技工作者加入到 MATLAB 的开发队伍中，并为形成今天的

3 / 28

MATLAB 系统做出了巨大的贡献。 MATLAB 以商品形式出现后，仅短短几年，

就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英

国的 UMIST，瑞典的 LUND 和 SIMNON，德国的 KEDDC）纷纷淘汰，而改以

MATLAB 为平台加以重建。到九十年代初期，在国际上 30 多个数学类科技应用

软件中，MATLAB 在数值计算方面独占鳌头。1993 年 Math Works 公司从加拿

大滑铁卢大学购得 Maple 的使用权，以 Maple 为“引擎”开发了 Symbolic Math

Toolbox 1.0。Math Works 公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰

劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。

可以看出 MATLAB 是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、

程序开发为一体的环境。除此之外，MATLAB 还具有很强的功能扩展能力，与

它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。用户可

以根据自己的工作任务，开发自己的工具箱。在欧美大学里，诸如应用代数、数

理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统

仿真等课程的教科书都把 MATLAB 作为容。

显然，今天的MATLAB 已经不再是仅仅解决矩阵与数值计算的软件，更是

一种集数值与符号运算、数据可视化图形表示与图形界面设计、程序设计、仿真

等多种功能于一体的集成软件。观察由欧美引进的新版教材，MATLAB已经成

为线性代数、数值分析计算、数学建模、信号与系统分析、自动控制、数字信号

处理、通信系统仿真等一批课程的基本教学工具。而在国，随着MATLAB 在我

国高校的推广和应用，MATLAB 已经渐入人心。

2.2 MATLAB 入门与其结构

MTALAB 系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。 (1)MATALB 语

言体系 MATLAB 是高层次的矩阵／数组语言、具有条件控制、函数调用、数据

结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完

成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程

序。 (2)MATLAB 工作环境这是对 MATLAB 提供给用户使用的管理功能的总称，

包括管理工作空间中的变量数据输入输出的方式和方法，以与开发、调试、管

理 M 文件的各种工具。 (3)图形对象系统是 MATLAB 图形系统的基础，包括完

成 2D 和 3D 数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB

4 / 28

命令，也包括用户对图形图像等对象进行控制的底层 MATLAB 命令，与开发 GUI

应用程序的各种工具。 (4)MATLAB 数学函数库是对 MATLAB 使用的各种数学

算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数

学算法。 (5)MATLAB 应用程序接口(API)，是 MATLAB 为用户提供的一个函

数库，使得用户能够在 MATLAB 环境中使用 C 程序或 FORTRAN 程序。

2.3 MATLAB 在信号与系统中的应用

当今社会已经进入信息时代，人们每天都要接触各种各样载有信息的信号形

式，如接收广播、电视信号、使用传送声音信号等，其目的是为了把不同形式的

消息借助一定形式的信号进行表达或传递。因此，通常把人们得到的消息、情报

或知识称为信息。而传输信息的载体或者说信息的具体表现形式称作信号。

连续时间信号分析和离散时间信号分析是信号处理的基础。对于线性系统中

的信号处理无论是连续系统还是离散系统其所处理的信号都可分解为一系列基

本信号分量的线性组合；而线性系统对任一输入信号的响应是系统对许多不同基

本信号分量分别作用产生相应的叠加；不同信号分解方式会导致不同系统分析方

法。

用 MATLAB 表示和分析连续系统和线性时不变连续系统，严格来说，只有

用符号推理的方法才能分析连续系统，用数值方法是不能表示连续信号的，因为

它给出的是各个样本点的数据。只有当样本点取得很密集时才可看成连续信号，

所谓密集，是相对于信号变化的快慢而言。

3 信号与系统知识结构

3.1 信号与系统课程简介

“信号与系统”是与通信、信息与自动控制等专业有关的一门基础学科。它的

主要任务是：（1）在“时间域”与“频率域”下研究时间函数 x(t)与离散序列 x（n）

的各种表示方式，（2）在“时间域”与“频率域”下研究系统特性的各种描述方式，

（3）在“时间域”与“频率域”下研究激励信号通过系统时所获得的响应。

时间函数 x(t)与自变量代表时间的离散序列 x(n)是信号的时域的基本表示

方式。此外，无论是连续信号还是离散序列，都可以在频域中用它的傅里叶变换

（即频谱函数）表示，也可以在“复频域”中用相应的拉普拉斯变换或 z 变换表示。

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