本書作為信號與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教程,緊密配合課程的理論教學(xué),旨在通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段培養(yǎng)學(xué)員綜合運(yùn)用信號與系統(tǒng)理論知識解決實(shí)際工程問題、提升學(xué)員科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。本書共分為三章,第一章是基于實(shí)驗(yàn)箱的信號模擬與分析實(shí)驗(yàn),主要包括實(shí)驗(yàn)箱簡介及11項(xiàng)硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;第二章是基于 MATLAB的信號仿真與分析實(shí)驗(yàn),主要包括 MATLAB軟件的基本功能和基本用法以及11項(xiàng)軟件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;第三章是基于GUI的信號分析實(shí)驗(yàn),主要包括 GUI圖形界面以及由7項(xiàng)主題實(shí)驗(yàn)包括的19項(xiàng)子實(shí)驗(yàn)組成的 GUI實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
本書可作為大學(xué)電類專業(yè)信號與系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教材,也可作為信號與系統(tǒng)課程仿真教學(xué)、課程設(shè)計的參考書,亦可作為其他理工科相關(guān)專業(yè)教員和學(xué)員的參考書。
在信息科學(xué)與工程領(lǐng)域，"信號與系統(tǒng)" 作為連接理論與實(shí)踐的核心課程，其教學(xué)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(shí)踐能力為導(dǎo)向，構(gòu)建了 "硬件實(shí)驗(yàn) - 軟件仿真 - 系統(tǒng)設(shè)計" 三位一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，為電類專業(yè)學(xué)生提供了從基礎(chǔ)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教材的單一模式，通過多平臺實(shí)驗(yàn)工具與模塊化課程設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了理論知識向工程實(shí)踐的高效轉(zhuǎn)化。
第一章基于實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，精心設(shè)計了 11 項(xiàng)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。通過信號發(fā)生器、濾波器等硬件模塊的實(shí)操訓(xùn)練，學(xué)生可直觀理解時域與頻域分析的基本原理。實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)置的虛擬示波器與頻譜分析儀，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代測試技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。第二章 MATLAB 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，以 11 個典型案例為載體，系統(tǒng)講解信號處理算法的實(shí)現(xiàn)方法。從連續(xù)信號的傅里葉變換到數(shù)字濾波器設(shè)計，每個實(shí)驗(yàn)均包含算法推導(dǎo)、代碼實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析三個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)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(gòu)建的 GUI 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堪稱全書亮點(diǎn)。該系統(tǒng)以 7 大主題實(shí)驗(yàn)為框架，整合 19 項(xiàng)子實(shí)驗(yàn)?zāi)K，通過圖形化界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)可調(diào)、結(jié)果可視化的交互式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。例如在通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過拖拽模塊構(gòu)建 AM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，實(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ�，有效激發(fā)了學(xué)生的探索興趣與創(chuàng)新潛能。
本書的教學(xué)設(shè)計具有顯著特色：硬件實(shí)驗(yàn)注重基礎(chǔ)技能培養(yǎng)，軟件實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化算法工程化訓(xùn)練，GUI 系統(tǒng)則著重提升綜合設(shè)計能力。書中每個實(shí)驗(yàn)均配備 "預(yù)習(xí)要求 - 實(shí)驗(yàn)步驟 - 思考題" 三級指導(dǎo)體系，并附有 MATLAB 代碼庫，方便學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。這種 "階梯式" 能力培養(yǎng)模式，既符合課程教學(xué)規(guī)律，又滿足新工科背景下對復(fù)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可作為課程設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的實(shí)踐指南。其模塊化的實(shí)驗(yàn)體系與開放的系統(tǒng)架構(gòu)，為教師靈活組織教學(xué)提供了便利。在人工智能與 5G 技術(shù)飛速發(fā)展的今天，本書所倡導(dǎo)的 "理論奠基、實(shí)驗(yàn)悟道、創(chuàng)新致用" 教學(xué)理念，將助力學(xué)生掌握信號處理領(lǐng)域的核心技術(shù)，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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
信號與系統(tǒng)課程是電類專業(yè)所開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課,其理論性、實(shí)踐性強(qiáng),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(lǐng)域的應(yīng)用。信號與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的延伸和擴(kuò)展,旨在幫助學(xué)生理解和掌握所學(xué)的原理和方法,培養(yǎng)他們分析和解決實(shí)際問題的能力。
信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是輔助課程理論教學(xué)的一種有效手段。多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明,基于實(shí)驗(yàn)箱的硬件電路實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)員直接接觸信號所依托的硬件電路,觀測到實(shí)際的物理信號,且直觀性和實(shí)踐性強(qiáng);但是,這也存在局限性,如信號調(diào)節(jié)范圍有限致實(shí)驗(yàn)效果不理想、實(shí)驗(yàn)類型單一、實(shí)驗(yàn)方式不靈活等。相比之下,MATLAB 仿真軟件以強(qiáng)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(xué)過程變得更加清晰直觀。但是,完全依賴仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),可能不利于學(xué)生從物理層面上理解實(shí)際的信號與系統(tǒng)并對其進(jìn)行分析。鑒于此,我們在信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,采用軟硬有機(jī)結(jié)合的教學(xué)方法,以提高實(shí)驗(yàn)的靈活性,突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時效性和可觀測性。
MATLAB仿真軟件功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛,版本更新非常快。目前市面上的信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(yùn)行,常常出現(xiàn)很多問題,比如程序運(yùn)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(jìn)行編程,并對全部程序進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行。
本書分為三章。第一章介紹信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn),共有11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過這些硬件實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠掌握信號與系統(tǒng)基本原理和實(shí)驗(yàn)操作方法,同時鍛煉動手能力和理論分析能力,這是計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)無法代替的。第二章介紹使用 MATLAB軟件進(jìn)行的信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),共有11項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此部分內(nèi)容通過 MATLAB仿真實(shí)驗(yàn),使學(xué)生掌握利用仿真軟件進(jìn)行信號與系統(tǒng)分析與應(yīng)用的方法,是對硬件實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在交互式的可視化實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,學(xué)生只需要單擊相應(yīng)的按鈕或下拉菜單或改變實(shí)驗(yàn)參數(shù),即可進(jìn)行信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模擬和仿真。該系統(tǒng)提供了7項(xiàng)主題實(shí)驗(yàn),共19項(xiàng)子實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)到信號與系統(tǒng)的基本原理與實(shí)際應(yīng)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(yùn)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(dān)任主編,任曉琨、付佳擔(dān)任副主編,尹志勇負(fù)責(zé)主審,安樹負(fù)責(zé)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(jìn)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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