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1、遵义师范学院课程教学大纲信号与系统实验课程教学大纲课程编号320224适用专业通信工程学时数16学分数（）.5执笔人及编写日期杨治国2017.06审核人及审核日期阮清强2017.06院别信息工程教研室_通信教研室编印日期2017年6月一、课程性质和教学目标1 .课程授课对象：2016级通信工程本科班2 .课程性质：专业选修课3 .在人才培养过程中的地位及作用：“信号与系统实验”是与“信号与系统”课程理论教学相配套而开设的计算机仿真实验课程，其目的在于实现在可视化的交互式实验环境中，以计算机为辅教学手段，以科技应用软件MAT1.AB为实验平台，辅助学生完成“信号与系统”课程中的数值分析、可视化建
2、模及仿真调试，同时将“信号与系统”课程教学中难点、重点及部分课后练习，通过计算机来进行可视化的设计、调试和分析,从而将学生从繁杂的手工运算中解脱出来，把更多的时间和精力用于对信号与系统基本分析方法和原理的理解和应用上，培养学生主动获取知识和独立解决问题的能力，为学习后继专业课打下坚实的基础。4 .课程教学目标：信号与系统实验是“信号与系统”的配套课程，实验项目的设计以培养学生分析连续时间信号与连续时间系统的技能为目的。通过该实验课，使学生加深对“信号与系统”内容的理解，从实践上验证所学的理论知识；培养学生的动手能力，分析问题、解决问题的能力，为后续课程的学习以及课程设计、毕业设计打下坚实的基础
3、；使学生掌握实际的信号分析方法和系统分析技术，以及信号与系统的关系，为以后的科研和产品开发打下坚实的基础。二、课程教学内容学时分配表讲次内容学时教学形式实验一MAT1.AB程序入门基础应用2课堂讲授、实验实验二MAT1.AB描述常用信号2课堂讲授、实验实验三信号卷积的MAT1.AB实现4课堂讲授、实验实验四用MAT1.AB测量信号频谱4课堂讲授、实验实验五连续系统复频域分析4课堂讲授、实验合计16实验一MAT1.AB程序入门和基础应用1 .学时：2学时2 .重难点：熟悉MAT1.AB的运行环境及基本操作命令，根据实验要求，认真完成基本数值算法的设计、编程、上机调试，分析运行结果，书写实验报告。
4、3 .教学目标：学习Matlab软件的基本使用方法；了解MaHab的数值计算，符号运算，可视化功能；4 .教学内容：1、打开MAT1.AB的系统界面，对其功能做一个大致了解；2、学习变量的描述方法，掌握几个固定变量：I,j,pi,inf的使用。注意，变量描述以字母开头，可以由字母、数字和下划线混合组成，区分字母大，小写字符长度不超过31个。3、学习数值，矩阵，运算符，向量的矩阵运算，数组运算的描述方法。(1)用一个简单命令求解线性系统3xl+x2-x3=3.6xl+2x2+4x3=2.1-xl+4x2+5x3=-1.4A=31-1;124;-145;b=3.6;2.1;-1.4;x=Abx=1
5、.4818-0.46060.3848(2)用简短命令计算并绘制在0x6范围内的sin(2x)、SinX2、sin2ox=linspace(0,6)y1=sin(2*x),y2=sin(x2),y3=(sin(x)2;Plot(X,yl,x,y2,x,y3)4、MatIab符号运算功能(1)符号运算的过程在符号运算的整个过程中，所有的运算均是以符号进行的，即使以数字形式出现的量也是字符量。做一个对Sin(X/2)求导的过程。在命令窗口中输入如下符号表达式按回车：f=sin(x2)1;dfdx=diff(f)显示结果如下：dfdx=l2*cos(12*x)整个求导的过程都是由符号变量和符号表达式完
6、成，没有涉及到具体的数值运算，其中1/2也被当作是字符量。注意：符号变量前先要进行定义，定义语句是：Sym或SymS变量名列表。前者定义一个单一的符号变量，后者可以一次定义多个符号变量。如：syma定义a为符号变量symabc定义a,b,c均为符号变量符号表达式是由符号变量组成的一个表达式，符号方程是将一个符号表达式通过等号给一个符号变量。凡是用到Sym命令的时候，表达式和方程式对空格都是敏感的，因此不要随意添加空格符到式中(2)符号表达式的创建：用Sym命令直接创建符号表达式，这种创建方式不需要在前面有任何说明，使用快捷方便。例如：f=sym(a+b+c?)在命令窗口中输入上述语句按回车键，
7、出现以下结果:f=a+b+c说明已成功将符号表达式a+b+c赋给变量f5、matlab语言的绘图功能(Dplot最基本的二维图形指令用PIot命令自动打开一个图形窗口Figure,用直线连接相邻两数据点来绘制图形，根据图形坐标大小自动缩扩坐标轴，将数据标尺及单位标注自动加到两个坐标轴上，可自定坐标轴，可把X,y轴用对数坐标表示。任意设定曲线颜色和线型，给图形加坐标网线和图形加注功能。分别完成PlOt(x),lot(x,y),lot(xl,yl,x2,y2),三种格式的调用,得出结论。调用plot(x,ys,),注意开关量字符串S设定的曲线颜色和绘图方式。(2)曲线绘图观察以下各段语句的绘图结果
8、：A: x=0,0.48,0.84,1,0.91,0.6,0.14X1,x2,x3,x4,x5,x6,x7Jplot(x)B: t=0:pi/100:2*pi;y=sin(t);yl=sin(t+0.25);y2=sin(t+0.5);plot(t,y,t,yl,t,y2)C: subplot(l,3J);plot(t,y)subplot(l,3,2);plot(t,y3)subplot(1,3,3);plot(t,y2)D: t=0:pi/100:2*pi;y=sin(t);y1=sin(t+0.25);y2=sin(t+0.5);plot(t,y,t,yl,t,y2)E: sublot(3
9、,l,l);plot(t,y)subplot(3,l,2);plot(t,y3)subplot(3,l,3);plot(t,y2)F: ezplot(sin(x),)ezplot(sin(x),cos(y),-4*pi4*pi,figure(2)实验二MAT1.AB描述常用信号1.学时：2学时2 .重难点：在了解MAT1.AB这个软件的基本应用之后，学习用MAT1.AB描述常用信号的方法掌握连续时间信号和离散时间信号的描述3 .教学目标：学会用向量和符号表示法掌握信号的时域变换方法4 .教学内容：1、在MAT1.AB中连续信号的向量或符号运算功能来表示严格意义上来讲，MAT1.AB并不能处理连
10、续信号，在MAT1.AB中，是用连续信号在等时间间隔点的样值来近似地表示连续信号的，当取样时间间隔足够小时，这些离散的样值就能较好地近似出连续信号。(1)向量表示法对于连续时间信号y,我们可以用两个行向量/和，来表示，其中向量f是行如，=：p:r2的MAT1.AB命令定义的时间范围向量，H为信号起始时间，也为中止时间，为时间间隔。向量/为连续信号加)在向量，所定义的时间点上的样值，例如对于连续信号y=sin(o,我们可以用如下两个向量来表示：t=-10:1.5:10；f=sin(t)用上述向量对连续信号表示后，就可以用plot命令来绘出该信号的时域波形。Plot命令可将点与点间用直线连接，当点
11、与点间的距离很小时，绘出的图形就成了光滑的曲线。命令如下： lot(t,f) title(f(t)=sint,) XlabelCr) axis(-10,10,-l.l,l.l)(2)符号运算表示法如果信号可以用一个符号表达式来表示它，则我们可用ezplot命令绘制出信号的波形。例如对于连续信号力尸，我们可以用符号表达式表示为：symstf=sym(4exp(-t2),)f=exp(-t2)然后用ezpkt命令绘制其波形：ezplot(f,-6,6)2、在MAT1.AB中离散时间信号描述：一般说来，离散时间信号用/U)表示，其中变量A为整数，代表离散的采样时间点。人女)可表示为：A)=人2)-1
12、)0)U)2)fZ=O在MAT1.AB中，用一个向量f即可表示一个有限长度的序列。但是，这样的向量并没有包含其对应的时间序号信息。所以，要完整地表示一个离散信号需要用两个向量，如序列：火Z)=1,2,-1,3,2,4,-1)tk=0在MAT1.AB中应表示为:,2-1,0,1,2,3或是k=33；/=1,2,-1,3,2,4,-1在用MAT1.AB表示离散序列并将其可视化时，我们要注意以下几点：第一，与连续时间信号不同，离散时间信号无法用符号运算来表示；第二，由于在MAT1.AB中，矩阵的元素个数是有限的，因此，MAT1.AB无法表示无限序列；第三，在绘制离散信号波形时，要使用专门绘制离散数据
13、的Stem命令，而不是plot命令实验三信号卷积的MAT1.AB实现1 .学时：4学时2 .重难点：增加学生对卷积的认识了解MAT1.AB这个软件在数字信号处理的基本应用3 .教学目标：能够利用MAT1.AB计算信号卷积完成验证卷积的一些性质4 .教学内容：1 .实验要求与目的：增加学生对卷积的认识了解MAT1.AB这个软件的一些基础知识利用MAT1.AB计算信号卷积验证卷积的一些性质2 .实验内容：1 .在老师提示和引导下用MAT1.AB来表示常见信号打开电脑，双击桌面上的matlab6.5的快捷方式，进入到MAT1.AB界面，然后进入编辑界面【file一new,或者直接点击新建空白页按钮，
14、可以看到出现一个命名为Untitled的编辑窗口，这就是我们的程序输入窗口。我们先做准备工作，敲入一些简单的信号并输出，了解一下它的功能。常见连续信号的表示：阶跃信号门信号正弦信号指数信号等等常见离散序列的表示：随机离散序列单位阶跃序列正弦序列离散时间指数序列将描述各个信号的函数键入以后，保存到MAT1.AB根目录下的work文件夹中，并按照各个信号的性质进行命名。然后对各个函数运行一下，看是否和实际的函数一致。编译程序debug】-run,或者直接按F5就可以进行。程序不大，编译很快就会完成，成功的编译会出现名为figure的窗口，可以看到信号的波形。2 .针对一些信号做一下时域变换时域变换
15、主要是在时域范围内对信号进行信号的平移、反折、倒相以及信号的尺度变换。1)、移位y=subs(f,t,t-t);ezplot(y)2)、反折y=subs(f,t,-t);ezplot(y)3)、尺度变换y=subs(f,t,a*t)ezplot(y)4)、倒相y=-fezplot(y)给定一个信号，对此信号做以上这些时域变换操作，将写好的程序保存到根目录WOrk文件夹中，然后对程序进行编译运行，编译成功后，观察图形窗口中显示的波形与原来信号的波形之间的关系。对信号做时域的变换可以增加学生对MAT1.AB的认识，也可以巩固对信号的表示。同时我们也可以用这些变换来表示一些复杂的信号。3 .利用MA
16、T1.AB计算两个信号的卷积在MAT1.AB中我们采用它自带的函数COnV()来对信号进行卷积1)、求离散序列的卷积打开一个空白编辑窗口，先将要卷积的两个信号表示出来，然后将两个信号带入到conv()函数中，键入画图命令Stem()函数。把写好的程序存入到MAT1.AB根目录下的Work文件夹中，按F5进行编译运行。观察输出序列并记录下来。改变输入序列重做上面的实验，保存，编译，观察和记录输出序列。同样观察波形在幅度和时域范围的变化。需要注意的是，调用ConV()函数计算序列卷积和时，该函数将向量力和声以外的序列样值均视为零，因此当序列;1因或用也)为无限长序列时调用conv()函数就可能会产
17、生误差。所以我们必须对诬无限长序列进行截断到再调用ConV()函数。而COnV()函数会将0以外均视为零，conv()计算出的卷积和样值点只有部分是真是的。这里为了方便求解，把求卷积和过程和绘图命令写在同一个函数dconv中，在计算离散卷积时只要调用函数就可以了。2)、求连续信号的卷积打开一个空白编辑窗口，先将要卷积的两个信号表示出来，然后将两个信号带入到ConV()函数中，再敲入画图命令plot()函数。把写好的程序存入MAT1.AB根目录下的WOrk文件夹中，按F5进行编译运行，编译成功后可以观察波形窗口的输出波形，记录下来。为了能更加深大家的印象，可以换不同的信号来做卷积运算。只需要把信
18、号表示部分做更改就可以了。做上面一样的操作，观察记录波形。同样，我们可以把计算卷积和画图的操作写成一个函数SCOnV,而使用时只需表示信号，再调用此函数就可以了。波形要观察和记录的内容：1、波形在幅度上的变化；2、波形在时域范围内的变化；4 .验证信号卷积特性：卷积的特性有：交换律、结合律、分配律。这里主要验证它的结合律和分配律。1)、验证结合律x(n)*似)*似)=x(n)*1%()*h2()要验证结合律,我们要把其中两个信号先进行卷积，再与第三个信号相卷积。将写好的程序保存，编译运行，将得到的信号保存下来。将刚刚用过的三个信号调换位置，重复上面的操作。将程序保存，编译运行。可以看到所得信号
19、与上面保存的信号是一样的。说明卷积满足结合律。2)、验证分配律x(n)*(/?)+h2(n)=x(n)*%()+x(n)h2(n)要验证分配律，我们先把两个信号相加，表示出来，然后与第三个信号相卷积。写好程序，保存，编译运行。再把这两个信号分别与第三个信号进行卷积，然后再把两个信号叠加。保存程序，编译运行。观察比较前后两个程序的输出。输出一致，说明卷积满足分配律。建议：将实验中的程序保存，而且把输出波形都以图片Jpg的格式保存下来,我们可以方便的比较实验的结果(如在验证卷积特性时，等式左右两边的波形图应该是一样的)，在实验报告中也会用到。实验四用MAT1.AB测量信号频谱1 .学时：4学时2
20、.重难点：研究矩形脉冲周期和脉冲宽度的变化对频谱结构的影响，研究门函数脉宽和带宽的关系。3 .教学目标：掌握信号频谱的定义，理解非周期信号频谱密度的概念。加深对周期信号频谱特点的了解。4 .教学内容：1 .打开MAT1.AB软件，进入MAT1.AB工作界面，打开M文件编辑器，把给定的绘制方波、三角波、锯齿波、矩形波、门信号和指数函数频谱的程序分别写入M文件编辑器并保存好。周期信号的程序主体部分一致，只是子函数各不相同而已。2 .在命令窗口中执行方波程序，实验中给定的方波脉冲T=5,脉冲高度为1,谐波次数选定为20次，自己也可以改变谐波次数重新执行，观察其频谱特点。3 .在命令窗口中执行三角波程
21、序，实验中给定的三角波脉冲周期T=5,脉冲高度为1,谐波次数选定为20次，得出三角波频谱图，观察其频谱特点。4 .在命令窗口中执行锯齿波程序，实验中给定的锯齿波脉冲周期T=5,脉冲高度为1,谐波次数选定为20次，得出锯齿波频谱图，观察其频谱特点。5 .在命令窗口中执行矩形波程序，实验中给定的矩形波脉冲T=5,占空比为1：5,高度为1,选定谐波次数为20次，执行后得出频谱图，观察其频谱特点。6 .在命令窗口中执行门信号程序，实验中给定的门信号宽度汇=1,高度为1,观察第一个零值频率，改动源程序中的汇=2,观察的改变与频率带宽之间的关系。7 .在命令窗口中执行单边指数信号程序，实验中给定的单边指数
22、信号的a=l,得出信号频谱图，观察其与理论结果是否一致。8 .在步骤2的基础上仔细阅读源程序，解答思考题1。9 .在步骤4的基础上仔细阅读源程序，并试着修改源程序，解答思考题2。实验五连续系统复频域分析1 .学时：4学时2 .重难点：掌握用MAT1.AB实现部分展开的方法。掌握用MAT1.AB实现拉普拉斯变换的方法。3 .教学目标：掌握用MAT1.AB分析并绘制连续系统零极点图以判断因果系统稳定的方法。掌握用MAT1.AB实现连续系统的频率特性及其幅度特性、相位特性。掌握用MAT1.AB绘制傅里叶变换幅度谱与拉普拉斯变换曲面图4 .教学内容：此次实验内容主要包括以下几个方面：1 .利用MAT1
23、.AB实现F(S)部分分式的展开。口/、S2cv、253+352+5(1)F(S)=-r(2)Jr(S)=A353+352+5(S+l)(S2+S+2)2 .利用MAT1.AB求解拉氏变换及拉氏反变换。(1)求/)=k一22Q)的拉普拉斯变换求尸=5+ 2(s + 1)2(s + 3)s的拉普拉斯反变换3 .利用MAT1.AB求解系统函数的零极点分布图、系统的冲激响应和频率响应。4.HG)s+ 2s + 2s +1利用MAT1.AB求解系统函数的频率特性。H(j)=H(j)ejw=(汝)2+9 + 25.利用MAT1.AB绘制信号傅里叶变换幅度谱及信号拉普拉斯变换曲面图。Q)=e(E+l)-(
24、，-1)三、教学基本要求1.备课：本课程是高等院校工科本科电类专业学生的一门专业基础课程，是理论课“信号与系统”的配套课程，在备课时，需要在上实验课前先自己操作实验，这样在教学过程中可以使学生加深对“信号与系统”内容的理解，从实践上验证所学的理论知识；培养学生的动手能力，分析问题、解决问题的能力，为后续课程的学习以及课程设计、毕业设计打下坚实的基础。2.教学方法、教学手段：本课程主要应用MAT1.AB软件进行实验，MAT1.AB是一款实践性很强的数学类应用软件，虽然其基本内容简单易学,但是如果不将其用于解决实际问题,可以说是一种教、学的资源浪费，而且教与学都是一个枯燥的过程。因此，在目前信号与
25、系统缺少科学的教学工具、MAT1.AB语言没有合适的应用对象的情况下，将两者有机结合起来进行组合式教学，统一教学大纲，合理安排教学内容与学时，实现手段和内容上的互补，既可以用全新的表述、分析和计算的教学方法实现信号与系统课程的讲授，生动地演示以往枯燥的理论知识，还可以让学生更深入地了解MAT1.AB语言及编程技巧，锻炼并提高其运用所学的理论知识及软件工具解决实际问题的能力，达到事半功倍的效果。如抽样定理是学生掌握的一个重点与难点，当一个带限信号的抽样时间慢慢变大，其频谱由不混叠到混叠的变化过程用MAT1.AB编写的辅助教学软件展现出来，再用板书进行相关推导与例题的讲解，学生就有一种恍然大悟的感
26、觉，不但加深了印象，而且激发了兴趣。4.课后研修：信号与系统实验教程金波华中科技大学出版社2008年8月5.考核：（一）考核方式：撰写实践报告50%+平时实验成绩50%（二）考核基本内容：信号的MAT1.AB基本表示，用MT1.B画信号的表示图，MAT1.AB库函数的调用，信号的基本操作。四、与其它课程的联系与分工信号与系统是电子信息类专业的一门重要的专业实验课程，该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都非常重要，而且系统性、理论性很强，信号与系统实验是将学生从理论分析引入工程实践的关键性课程，为此开设必要的实验对我们加强理解深入掌握基本理论和分析方法，以及对抽象的概念具体化有极大的好处，而且为后续专业课程的学习提供了理论和大量实验知识储备，对以后的学术科研和创新工作都是十分重要的。五、建议教材及参考教材信号与系统实验教程金波华中科技大学出版社2008年8月六、学生自主学习资源1.2.
