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1、第6卷第3期集美大学学报(自然科学版)Vol.6No.32001年9月JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Sep.2001[文章编号]1007-7405(2001)03-0251-04基于MATLAB的信号与系统软件实验平台林月美,陈仁安(集美大学信息工程学院,福建厦门361021)[摘要]基于MATLAB软件的信号与系统实验平台,弥补了教学中的不足.通过实验,加强学生对信号与系统课程的理解和掌握.[关键词]MATLAB;信号与系统;仿真;抽样定理;系统模型[中图分类号]TN911.6[文献标识码]A0引言MATLAB作为编
2、程语言和可视化工具,具有丰富的一系列功能,可解决工程、科学计算和数学学科中的许多问题.该软件功能强大,界面直观、语言自然、使用方便,在信号分析[1]与处理、控制系统的仿真及神经网络的研究等方面已得到了广泛的应用.用MATLAB开发的实验为学生提供了“信号分析”、“信号抽样”、“系统仿真”、“系统特性”、“滤波器设计”及“系统稳定性分析”六大块实验,基本覆盖了信号与系统课程的全部内容.实验中每一部分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,给人以直观的感受.1信号与系统实验软件平台“信号分析”
3、实验模块给出了几种时域信号的频谱分析,展示了信号时域与频域的约束关系;“信号抽样”实验模块给出了完成信号时域抽样的系统模型,并对抽样过程进行仿真;“系统特性”实验模块利用MATLAB中“系统控制”工具箱内的标准函数及SIMULINK仿真工具,模拟了一阶、二阶系统的频域特性与时域特性及二阶系统谐振特性的仿真模型;“系统仿真”实验模块通过对SIMULINK模型库进行扩充,加入了一些自定义的功能模块,给出了标准的一阶系统、二阶系统的电路仿真模块,构建了系统仿真的实例,如幅度调制/解调系统仿真模型等;“滤波器设计”实验模块给出了查表法设计模拟滤波器的设计方法与设计过程,通过滤
4、波器参数的设定可完成滤波器的设计.实验为同学们提供了大量的实例,同学们可以从中学习到信号与系统的一些基本原理与实际应用;同时它也为同学们留下了动手实践的空间.在实验中同学们可以改变信号、模块、仿真子系统等的参数,并观察信号与系统的相应变化.在实验过程中,同学们对所学的书本知识会有感性的认识和直观的验证,加深对“信[收稿日期]2001-02-26[作者简介]林月美(1963-),女,讲师,从事自动控制研究.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://ww
5、w.cnki.net·252·集美大学学报(自然科学版)第6卷号与系统”原理的理解.2实验实例现以信号抽样实验为例来说明基于MATLAB软件的信号与系统实验的方法和过程.2.1基本原理随着计算机应用及数字技术的日益发展,离散时间信号处理将在大部分领域逐渐取代传统的连续信号处理.可是,实际待处理的物理信号都是连续信号,因此对于连续时间信号数字处理的理论研究是相当重要的.基于抽样定理,对一个连续时间信号的分析与处理可以在一定条件下通过抽样完全转换成离散时间信号的分析与处理.抽样定理指出:一个在频谱中不包含有大于频率fm的分量的有限频带的信号f(t),由对该信号以不大于fm
6、/2的时间间隔进行抽样,抽样后的信号fs(t)完全保留了原信号的频谱.将信号fs(t)通过一个理想的低通滤波器就得到恢复信号f1(t).若满足抽样条件则有f1(t)=f(t),即恢复出原信号.反[2]之,就会产生混叠失真,使得f1(t)≠f(t),抽样信号将无法恢复原信号.抽样定理的重要性在于它是连续时间信号与离散时间信号的桥梁.由抽样信号重建原信号的条件在实验过程中很好地被反映出来.2.2系统模型连续时间抽样是在MATLAB所提供的SIMULINK工具箱和仿真环境下进行的.当选择连续时间抽样时,将进入相应的仿真系统编辑窗口.在该窗口下,给出了信号抽样过程的系统[3]
7、仿真结构(见图1).输入信号来自信号源,它提供了正弦波、方波、锯齿波和随机信号四种波形.用鼠标左键双击该图标将打开信号源,学生可以从中任选一种信号,同时可以指定信号源的频率和幅度.示波器参数、图1信号抽样的系统结构抽样函数参数和滤波器截止频率亦可用同样的方法进行选定.用鼠标左键单击上图中Simulation中的Start项,仿真开始,仿真开始后可以观看仿真过程中各信号的波形,通过双击各示波器,就能看到输入信号、滤波后的信号、抽样函数、抽样后的信号以及恢复信号的波形.为了研究信号抽样与恢复不失真条件和引起失真的因素,下面选取两种不同抽样频率ωs进行仿真