本書作為信號與系統(tǒng)的實驗教程,緊密配合課程的理論教學,旨在通過實驗教學手段培養(yǎng)學員綜合運用信號與系統(tǒng)理論知識解決實際工程問題、提升學員科學思維和創(chuàng)新能力。本書共分為三章,第一章是基于實驗箱的信號模擬與分析實驗,主要包括實驗箱簡介及11項硬件實驗內(nèi)容;第二章是基于 MATLAB的信號仿真與分析實驗,主要包括 MATLAB軟件的基本功能和基本用法以及11項軟件實驗內(nèi)容;第三章是基于GUI的信號分析實驗,主要包括 GUI圖形界面以及由7項主題實驗包括的19項子實驗組成的 GUI實驗系統(tǒng)。
本書可作為大學電類專業(yè)信號與系統(tǒng)課程的實驗教材,也可作為信號與系統(tǒng)課程仿真教學、課程設計的參考書,亦可作為其他理工科相關專業(yè)教員和學員的參考書。
在信息科學與工程領域，"信號與系統(tǒng)" 作為連接理論與實踐的核心課程，其教學成效直接影響著工程人才的專業(yè)素養(yǎng)。本書以培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力為導向，構建了 "硬件實驗 - 軟件仿真 - 系統(tǒng)設計" 三位一體的實驗教學體系，為電類專業(yè)學生提供了從基礎驗證到綜合創(chuàng)新的完整能力培養(yǎng)路徑。全書突破傳統(tǒng)實驗教材的單一模式，通過多平臺實驗工具與模塊化課程設計，實現(xiàn)了理論知識向工程實踐的高效轉化。
第一章基于實驗箱的硬件實驗系統(tǒng)，精心設計了 11 項基礎驗證性實驗。通過信號發(fā)生器、濾波器等硬件模塊的實操訓練，學生可直觀理解時域與頻域分析的基本原理。實驗箱內(nèi)置的虛擬示波器與頻譜分析儀，實現(xiàn)了傳統(tǒng)硬件實驗與現(xiàn)代測試技術的有機結合。第二章 MATLAB 仿真實驗模塊，以 11 個典型案例為載體，系統(tǒng)講解信號處理算法的實現(xiàn)方法。從連續(xù)信號的傅里葉變換到數(shù)字濾波器設計，每個實驗均包含算法推導、代碼實現(xiàn)與結果分析三個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的算法開發(fā)能力與工程調(diào)試思維。
第三章創(chuàng)新性構建的 GUI 實驗系統(tǒng)堪稱全書亮點。該系統(tǒng)以 7 大主題實驗為框架，整合 19 項子實驗模塊，通過圖形化界面實現(xiàn)參數(shù)可調(diào)、結果可視化的交互式實驗環(huán)境。例如在通信系統(tǒng)仿真實驗中，學生可通過拖拽模塊構建 AM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，實時觀測不同噪聲環(huán)境下的信號傳輸效果。這種 "所見即所得" 的實驗模式，有效激發(fā)了學生的探索興趣與創(chuàng)新潛能。
本書的教學設計具有顯著特色：硬件實驗注重基礎技能培養(yǎng)，軟件實驗強化算法工程化訓練，GUI 系統(tǒng)則著重提升綜合設計能力。書中每個實驗均配備 "預習要求 - 實驗步驟 - 思考題" 三級指導體系，并附有 MATLAB 代碼庫，方便學生課后自主學習。這種 "階梯式" 能力培養(yǎng)模式，既符合課程教學規(guī)律，又滿足新工科背景下對復合型人才的需求。
本書不僅適用于電類專業(yè) "信號與系統(tǒng)" 課程的實驗教學，還可作為課程設計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的實踐指南。其模塊化的實驗體系與開放的系統(tǒng)架構，為教師靈活組織教學提供了便利。在人工智能與 5G 技術飛速發(fā)展的今天，本書所倡導的 "理論奠基、實驗悟道、創(chuàng)新致用" 教學理念，將助力學生掌握信號處理領域的核心技術，為其未來從事智能信息處理、通信工程等方向的研究奠定堅實基礎。
信號與系統(tǒng)課程是電類專業(yè)所開設的一門重要專業(yè)基礎課,其理論性、實踐性強,主要探討信號和線性時不變系統(tǒng)的特性、信號通過線性系統(tǒng)的基本分析方法,以及這些方法在工程領域的應用。信號與系統(tǒng)的實驗教學是理論教學的延伸和擴展,旨在幫助學生理解和掌握所學的原理和方法,培養(yǎng)他們分析和解決實際問題的能力。
信號與系統(tǒng)實驗是輔助課程理論教學的一種有效手段。多年教學經(jīng)驗表明,基于實驗箱的硬件電路實驗可以讓學員直接接觸信號所依托的硬件電路,觀測到實際的物理信號,且直觀性和實踐性強;但是,這也存在局限性,如信號調(diào)節(jié)范圍有限致實驗效果不理想、實驗類型單一、實驗方式不靈活等。相比之下,MATLAB 仿真軟件以強大的數(shù)值分析及計算能力,能夠簡化繁雜的理論計算,通過可視化手段使教學過程變得更加清晰直觀。但是,完全依賴仿真軟件進行實驗教學,可能不利于學生從物理層面上理解實際的信號與系統(tǒng)并對其進行分析。鑒于此,我們在信號與系統(tǒng)實驗教學中,采用軟硬有機結合的教學方法,以提高實驗的靈活性,突出實驗教學的時效性和可觀測性。
MATLAB仿真軟件功能強大、應用廣泛,版本更新非常快。目前市面上的信號與系統(tǒng)實驗書籍,多采用比較陳舊的軟件版本,這在新版本仿真環(huán)境下運行,常常出現(xiàn)很多問題,比如程序運行不了,新舊版本不兼容,函數(shù)命令不適用,等等。為此,本書采用目前高校廣泛使用的MATLAB2018a版本進行編程,并對全部程序進行了調(diào)試和運行。
本書分為三章。第一章介紹信號與系統(tǒng)實驗箱的硬件實驗,共有11項實驗內(nèi)容。通過這些硬件實驗,學生能夠掌握信號與系統(tǒng)基本原理和實驗操作方法,同時鍛煉動手能力和理論分析能力,這是計算機仿真實驗無法代替的。第二章介紹使用 MATLAB軟件進行的信號與系統(tǒng)實驗,共有11項實驗內(nèi)容。此部分內(nèi)容通過 MATLAB仿真實驗,使學生掌握利用仿真軟件進行信號與系統(tǒng)分析與應用的方法,是對硬件實驗的有效補充和拓展。第三章利用 MATLAB仿真軟件中的 GUIDE工具開發(fā)了信號與系統(tǒng) GUI實驗系統(tǒng),在交互式的可視化實驗環(huán)境中,學生只需要單擊相應的按鈕或下拉菜單或改變實驗參數(shù),即可進行信號與系統(tǒng)實驗的模擬和仿真。該系統(tǒng)提供了7項主題實驗,共19項子實驗,學生可以從中學習到信號與系統(tǒng)的基本原理與實際應用,從而加深對課程中的概念、原理和性質(zhì)的深刻理解和靈活運用。
本書由車輛與電氣工程系電氣與電力工程教研室組織編寫。全書由安樹、劉金寧擔任主編,任曉琨、付佳擔任副主編,尹志勇負責主審,安樹負責統(tǒng)稿,王勇、曹曼、王雪峰參加了本書的編寫工作,王文婷、郭鑫對本書進行了校對。在此,對所有參與編寫的人員表示衷心的感謝。由于編者水平有限,書中難免存在不足之處,懇請廣大讀者提出寶貴意見批評指正。
編 者
2024年11月
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