信号与系统实验仿真系统的设计连续系统分析模块.docx
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信号与系统实验仿真系统的设计连续系统分析模块
河北经贸大学毕业论文
信号与系统实验仿真系统的设计
——连续系统分析模块
专业名称：
电子信息工程
班级：
2008级1班
学生姓名：
常岩岩
指导老师：
胡爱华
完成时间：
2012年5月
摘要
《信号与系统》是电子信息类专业的专业基础课。
由于《信号与系统》是一门很抽象、理论和实践结合较紧密的学科，因此实验教学在课程教学中占有十分重要的地位。
本文基于MATLAB设计并实现了一套信号与系统实验系统。
目前主要的研究方法有时域分析方法与频域分析方法，然而这些方法的应用比较繁琐和复杂，非常有必要设计专门针对线性系统的仿真软件，便于实际应用中对系统的控制。
MATLAB语言是功能十分强大的工程计算及数值分析软件，它提供了高效的信号处理工具箱，应用MATLAB语言和信号处理工具箱中的函数建立了一个集成环境下的信号分析系统。
此系统能生成信号，计算信号的特征参数以及进行时域和频域的分析，并生成谱图。
并且利用MATLAB函数仿真对系统稳定性进行分析，分析过程简单，结果准确可靠。
应用MATLAB语言设计的GUI仿真界面具有灵活、简便、修改方便等特点，可以随时修改线性系统的参数，并得到系统的时频域特性曲线与性能指标，使线性系统分析的工作量大大减少。
关键词信号与系统；实验；仿真；MATLAB
Abstract
Signalsandsystemsisthebasiccourseofelectronicspecialties.Becausethiscourseisveryabstractanditstheoryandpracticecombinedtightly,experimentalteachingisveryimportantinteachingprocess.Inthispaper,anexperimentalsystembasedonMATLABisdesignedandimplemented.Atpresentthemainresearchmethodshavetimedomainanalysismethodandfrequencydomainanalysismethod.However,theapplicationofthesemethodsaretediousandcomplex,soitisquitenecessarytodesignspecialsimulatingsoftwareforlinearsystemstocontrolsystemsinpracticalapplication.MATLABlanguageisanengineeringcalculationanddataanalysissoftwarewithaneffectivesignalprocesstoolboxinit.AnintegratedsignalanalysissystemisfoundedonMATLABlanguageandthesignalprocesstoolbox.Thesystemcangeneratesignals,calculatethecharacter’sparametersofsignals,analyzetimedomainandfrequencydomainandgeneratespectrum.MakinguseoftheMATLABfunctiontoanalyzethesystemstabilityissimpleandtheresultisaccurate.GUIinterfacedesignedbyMATLABlanguageisflexible,easy,andconvenientlymodifying.Itisalsoeasytomodifyinglinearsystemparametersatanytimeandgetthesystems’timeandfrequencydomaincharacteristiccurvesandperformanceindex,thusmaketheworkloadofanalyzinglinearsystemsgreatlyreduced.Thesimulationexperimentsmakeuptheweaknessesintheteaching,andtheycanbedemonstratedintheteachingprocessforhelpingstudentsunderstandtheideaandequationsinthesignalandsystem.
KeywordsSignalsandsystems;Experiment;Simulation;MATLAB
目录
1绪论1
1.1课题研究的背景与意义1
1.2研究现状1
1.3发展趋势2
2系统分析4
2.1需求分析4
2.2可行性分析4
2.3系统结构分析5
2.3.1系统整体结构5
2.3.2连续系统分析的模块介绍6
2.4连续系统设计流程6
3设计开发环境介绍7
3.1MATLAB7.07
3.2图形用户界面（GUI）8
3.2.1创建GUI8
3.2.2使用控件8
3.2.3写回调函数callback9
4连续系统的分析与仿真设计11
4.1连续系统的时域分析11
4.2连续系统的频域分析12
4.3连续系统的复频域分析14
4.4连续系统的仿真设计17
4.4.1二阶系统零状态响应的GUI设计18
4.4.2二阶系统冲激响应和阶跃响应的GUI设计19
5结论21
致谢22
参考文献23
信号与系统实验仿真系统的设计
——连续系统分析模块
1绪论
1.1课题研究的背景与意义
“信号与系统”在电子信息专业中是一门很重要的课程，它涉及的知识广泛，包括微积分、概率论等。
学生在学习这方面的内容的时候，通常感觉比较抽象，对其中的基本理论和分析方法难以具体地理解和掌握。
为此，很多学校安排了实验课程，借助一些优良的软件平台（如MATLAB等）来解决这一实际问题，帮助学生更好地理解和掌握数字信号处理中的基本理论和分析方法，激发他们的学习兴趣，从而达到良好的教学效果。
本课题能避开硬件系统的不足，巧妙的运用软件来仿真硬件才能实现的实验结果，大大降低了实验设备要求，节约了人力和财力，而且有很多的库函数可以在实验时直接调用，避免了用硬件做实验的局限性。
可以更方便的做信号系统实验，为教学和研究提供了方便。
还能够锻炼一个人在面对一个具体的项目时，遇到问题，分析问题，解决问题的能力；获得独立策划、实施课题，并按照既定计划进行开发的经验，以及查找相关文献的能力。
通过自己的努力使得对于MATLAB有一个全面的、深刻的认识，并且对MATLAB做界面的软件有了一定的了解，对系统规划有了初步的认识。
为以后研发工作打下坚实的基础，积累宝贵的经验。
1.2研究现状
所谓系统仿真（systemsimulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。
系统仿真首先是一种对系统问题求数值解的计算技术。
尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。
第二，系统仿真是一种人为的试验手段。
它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。
这是仿真的主要功能。
第三，系统仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。
仿真系统有以下作用：
（1）仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。
尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。
（2）对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。
（3）通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。
（4）通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。
由于连续系统和离散（事件）系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。
1.3发展趋势
（1）屏弃单专业的仿真
单一专业仿真将退出系统设计的领域，专注于单一专业技术的深入发展。
作为总体优化的系统级设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。
（2）跟随计算技术的发展
随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。
更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。
在高性能计算方面，将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。
（3）平台化
要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理（包括二次开发后的集成和封装）、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的PDM/PLM平台上。
同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。
（4）整合和细分市场
整合化：
将出现主流的标准工具。
其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交互，有协同工作的能力；软件自身的技术进展迅速，具有强大的发展后劲。
专业化：
随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的工具。
这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持，如开发特殊的库或模型，专注于具有鲜明行业特征的技术，满足特殊的行业标准。
将出现整合型工具和专业化工具互补的局面。
（5）智能化
将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。
不断改进GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。
提供易学易用的强大工具。
（6）丰富的二次开发选项
提供源代码级的二次开发支持，开放的架构满足不同用户的专业开发要求。
在强大的工具平台上，根据自身的需要，进行二次开发。
这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。
今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候，从源代码级别开始的创新和工程化定制，并能够通过封装集成到原有平台中去。
这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共享和传承的同时，保护自身知识产权的必然选择。
2系统分析
2.1需求分析
《信号与系统》课程，是高等理工科类院校通信与电子信息工程等专业中一门十分重要的基础理论课，也是电子信息工程专业许多后续课程的重要理论基础。
以前的信号模拟是通过硬件，对仪器和实验室的要求较高，不便于广泛应用，而且信号处理具有内容繁多、概念抽象、设计复杂等特点，学生在学习时常常会感到枯燥，难以理解和掌握。
基于此种需求，本系统设计为仿真系统的分析与界面设计，运用MATLAB软件开发，便于学生直观观察信号系统中涉及的系统特性的原理图，为后续课程的学习，以及独立分析和设计新的系统，打下基础。
2.2可行性分析
系统的可行性分析包括技术可行性、经济可行性和操作可行性。
（1）技术可行性
本课题所涉及的研究目标，在国内外已经有相当成熟的理论基础和技术基础。
通过开发人员的文献调查，对于MATLAB做用户图象界面和信号模拟所涉及到的技术问题进行细致的分析，很大一部分可以使用电子信息工程的专业知识进行构建，其他的部分则可以通过自学，调用已经开发好的一些功能模块来完成课题涉及到的技术要求。
（2）经济可行性
本课题通过对既有开发软件的使用，能够设计出比较完善的信号系统仿真界面，没有任何经济上的负担，本课题可以自主开发信号系统实验仿真系统，为实验提供了灵活性，摆脱了硬件可以看到实验结果，为教学和研究提供了方便，在经济上节约了实验开支，锻炼了学生的自我研发意识和自己动手的能力。
（3）操作可行性
MATLAB程序流程简单明了，开发率高，并且能够结合其他多种开发工具，共同实现系统模拟功能。
它易学易用，不需大量编程，能创作出一些高水平的仿真系统作品，对于非专业的开发人员和专业开发人员都是一个好的选择。
从可操作性的角度来讲，完全可行。
2.3系统结构分析
2.3.1系统整体结构
信号与系统实验仿真系统分析的内容，主要分为信号实验和系统实验，信号实验分为连续时间信号和离散时间信号实验。
系统实验又分为连续时间系统和离散时间系统两个方面。
对连续时间系统的分析，包括系统时域分析、系统频域分析和系统的S域分析。
系统整体结构如图2-1所示：
图2-1系统总模块结构框图
2.3.2连续系统分析的模块介绍
本文主要是针对以MATLAB为软件平台的信号系统实验平台的设计，用MATLAB语言编程开发一个适合小型的信号系统实验平台，方便学生学习。
具体的工作主要有：
（1）连续系统时域响应的分析与实例。
（2）连续系统频率特性的分析与实例。
（3）连续系统复频域分析及零极点分析实例。
（4）连续系统的仿真系统的设计。
2.4连续系统设计流程
围绕信号与系统课程的主要内容，进行了基于MATLAB图形用户界面的信号与系统综合实验系统的设计总体的设计步骤如下：
（1）分析系统所要求实现的主要功能，明确设计任务，划分结构；
（2）确定该系统的信号处理教学实验；
（3）利用m语言编写及调试单个实验程序；
（4）利用GUIDE设计图形用户界面；
（5）编写图形用户界面的回调函数；
（6）系统总体的调试和完善。
3设计开发环境介绍
系统仿真设计的开发环境包括开发语言与开发工具。
开发语言为MATLAB7.0，开发工具为图形用户界面（GUI）。
3.1MATLAB7.0
MATLAB（MATrixLABoratory）语言是美国的CleveMoler博士构思并开发集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统，是目前国际工程控制界应用最广、最流行的一种控制系统计算机辅助设计的软件工具，它集成了计算功能，符号运算，数据可视化等功能，具有功能强大、界面友好、配套工具箱完善等特点，其SIMULINK仿真环境及S函数的应用为我们提供了有效实用的设计方法，该软件先前的版本与VisualC++和VisualBasic等可视化编程软件相比功能较差，但是新版的MATLAB7.0软件已经在这方面向这些软件靠近，其可视化编程能力有了很大程度的提高。
该软件最突出的特点就是简洁的，开放式代码。
提供了更为直观，符合人们思维习惯的代码，现简单介绍该软件的主要特点。
（1）语言简单，代码灵活，极其丰富的库函数资源。
在程序设计中该软件对代码的书写形式没有很严格的限制，同时利用丰富的库函数简化了子程序的编写任务，利用极其丰富的库函数可以使程序开发避免繁杂的子程序编程任务避免了一些不必要的错误，提高了程序的可靠性。
（2）丰富灵活的运算符。
MATLAB提供了和C语言一样多的运算符，使用这些运算符可使程序短小、灵活。
（3）面向对象编程和结构化控制功能。
尤其是新版的MATLAB7.0软件在可视化方面较以前版本有了很大程度的提高，使得界面编程更加自由，方便。
（4）程序设计自由度大。
在新版的MATLAB7.0软件中，用户无须对矩阵进行预定义就可以使用，对数组和变量的应用也得到很大程度的扩展。
（5）程序可移植性好，基本上可以不作修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运用。
（6）分门别类的工具箱是该软件的又一大特点。
核心工具箱和学科类的工具箱。
这些工具箱都是该学科的高水平的专业人士所编，所以用户可以直接使用，提高了编程效率。
（7）开放的共享源代码。
开放性的代码是该软件最受欢迎的另一大特点。
所有的核心文件和工具箱文件都是可读可该的源代码。
所以MATLAB语言被称为第四代编程语言。
3.2图形用户界面（GUI）
图形用户界面（GUI）是用户与计算机程序之间的交互方式，是用户与计算机进行信息交流的方式。
本文利用MATLAB的GUIDE工具箱设计并实现了数字信号处理教学实验系统的图形用户界面GUI、实验主界面和实验子界面。
这些界面以按钮、静态文本、编辑框和坐标轴等友好界面形式构成，即便是不理解MATLAB程序，也可以很方便地使用，系统内容丰富，结果直观易懂，便于分析。
通过该实验系统，将MATLAB软件与多媒体硬件相结合，形成一种新的计算机辅助教学方式，有助于提高学生学习的效率，帮助学生理解课堂数学理论。
3.2.1创建GUI
使用GUIDE帮助创建GUI；在Command里面输入GUIDE或者从菜单里面，或者从快捷按钮均可进入GUIDE。
如图3-1所示：
图3-1创建GUI
新建并且保存后，会生成相应的fig文件和m文件。
3.2.2使用控件
新建一个布局（窗口），可以在新窗口中添加如下控件：
（1）静态文本（StaticText）
（2）编辑框（EditText）控件
（3）列表框（Listbox）控件
（4）滚动条（Slider）控件
（5）按钮（PushButton）控件
（6）开关按钮（ToggleButton）控件
（7）单选按钮（RadioButton）控件
（8）按钮组（ButtonGroup）控件
（9）检查框（CheckBox）控件
（10）列表框（Listbox）控件
（11）弹出式菜单（PopupMenu）控件
（12）坐标轴（Axes）控件
（13）面板（Panel）控件
每一个控件都有自己的属性常规属性。
可以使用属性编辑器来设置属性，如图3-2所示：
图3-2控件属性
3.2.3写回调函数callback
如果控件是按钮，那点击按钮时，则按钮下的callback就会执行；如果是滑块，则拖动滑块时，滑块名下的callback就会执行；总之，就是对控件默认操作时，MATLAB后台就会自动调用它名下的callback。
每个控件都有几种回调函数，右键选中的控件一般会有如下菜单，如图3-3所示：
图3-3写回调函数
然后就可以跳转到相应的Editor中编辑代码，GUIDE会自动生成相应的函数体，函数名，名称一般是控件Tag+Call类型名参数有三个（hObject,eventdata,handles），其中hObject为发生事件的源控件，eventdata为事件数据结构，handles为传入的对象句柄，CreateFcn是在控件对象创建的时候发生（一般为初始化样式，颜色，初始值等），DeleteFcn是在空间对象被清除的时候发生，ButtonDownFcn和KeyPressFcn分别为鼠标点击和按键事件Callback，CallBack为一般回调函数，因不同的控件而已异。
例如按钮被按下时发生，下拉框改变值时发生，sliderbar拖动时发生等等。
4连续系统的分析与仿真设计
连续系统的分析包括时域、频域和复频域的分析。
其中，连续系统的时域分析主要介绍系统的零状态响应，频域分析主要介绍系统的频率特性，复频域分析主要介绍系统的零极点分布与稳定性。
通过这些分析，我们可以很好地理解连续系统的特性，进而，运用图形用户界面来设计信号与系统实验的仿真系统。
4.1连续系统的时域分析
在时域，可以用微分方程来表示连续系统。
所谓系统的时域分析，就是对于给定的激励，根据描述系统响应与激励之间关系的微分方程求得其响应。
连续信号输出响应包括零输入响应和零状态响应。
零输入响应是当没有输入信号作用时由系统的初始状态决定系统的输出响应，由于描述线性时不变系统可以用常微分方程来表示，所以在求解该响应时可以通过求微分方程而得。
零状态响应是当没有初始状态作用时由系统的输入信号决定系统的输出响应，在求解系统响应过程中，对零状态响应的求解很困难，容易出现错误。
本文主要介绍用MATLAB求解由冲激信号和单位阶跃信号作为激励时的零状态响应，即冲击响应和阶跃响应。
例：
已知描述某连续系统的微分方程为
2y’’（t）+y’（t）+8y（t）=f（t）
试用MATLAB绘出该系统的冲激响应和阶跃响应的波形。
解：
直接调用函数impulse（）和step（）即可求解，对应的MATLAB命令如下。
>>b=[1];
>>a=[218];
>>subplot（1,2,1）
>>impulse（b,a）%冲激响应
>>subplot（1,2,2）
>>step（b,a）%阶跃响应
上述命令绘制的冲激响应和阶跃响应波形如图4-1所示。
图4-1系统的冲激响应和阶跃响应
4.2连续系统的频域分析
系统频域分析是工程广为应用的系统分析和综合的间接方法。
频率分析不仅可以了解系统频率特性，如截止频率、谐振频率等，而且可以间接了解系统时域特性，如快速性，稳定性等，为分析和设计系统提供更简便更可靠的方法。
连续系统的频域分析是在频域表示系统，将输入信号通过傅里叶变换得到其频谱函数后，在频域求系统的输出。
将时域的卷积积分运算转换为频域的乘积运算，不仅运算简便，也反映了系统与信号在频域的特性。
频率响应是指系统对正弦输入的稳态响应。
考虑传递函数为G（s）的线性系统，若输入正弦信号
根据微分方程解的理论，系统的稳态输出仍然为与输入信号同频率的正弦信号，只是其幅值和相位发生了变化。
输出幅值正比于输入的幅值
，而且是输入正弦频率
的函数。
输出的相位与
无关，只与输入信号产生一个相位差
，且也是输入信号频率
的函数。
即线性系统的稳态输出为
由此可知，输出信号与输入信号的幅值比是
的函数，称为系统的幅频特性，记为
。
输出信号与输入信号相位差也是
的函数，称为系统的相频特性，记为
。
幅频特性：
相频特性：
频率特性是指系统在正弦信号作用下，稳态输出与输入之比对频率的关系特性，可表示为：
例：
RC电路的频率特性
电压信号u（t）为输入信号x（t），电容两端电压信号Uc（t）为输出信号y（t），设时间常数τ为0.01，则系统的频率响应函数表达式为
H（jw）=100/（jw+100）
用MATLAB软件求系统的幅频特性和相频特性，程序如下：
RC=0.01;w=0:
10:
1000;
H=（1/RC）./（j*w+1/RC）;
magH=abs（H）;
angH=180*angle（H）/pi;
subplot（2,1,1）,plot（w,magH）%幅频特性
subplot（2,1,2）,plot（w,angH）%相频特性
运行之后得到的幅频特性曲线和相频特性曲线如图4-2所示，上面是幅频特性，下面是相频特性。
图4-2RC电路的频率响应
4.3连续系统的复频域分析
拉普拉斯变换是分析连续时间信号的重要手段。
描述连续系统的系统函数
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