本书作为信号与系统的实验教程,紧密配合课程的理论教学,旨在通过实验教学手段培养学员综合运用信号与系统理论知识解决实际工程问题、提升学员科学思维和创新能力。本书共分为三章,第一章是基于实验箱的信号模拟与分析实验,主要包括实验箱简介及11项硬件实验内容;第二章是基于 MATLAB的信号仿真与分析实验,主要包括 MATLAB软件的基本功能和基本用法以及11项软件实验内容;第三章是基于GUI的信号分析实验,主要包括 GUI图形界面以及由7项主题实验包括的19项子实验组成的 GUI实验系统。
本书可作为大学电类专业信号与系统课程的实验教材,也可作为信号与系统课程仿真教学、课程设计的参考书,亦可作为其他理工科相关专业教员和学员的参考书。
在信息科学与工程领域，"信号与系统" 作为连接理论与实践的核心课程，其教学成效直接影响着工程人才的专业素养。本书以培养创新实践能力为导向，构建了 "硬件实验 - 软件仿真 - 系统设计" 三位一体的实验教学体系，为电类专业学生提供了从基础验证到综合创新的完整能力培养路径。全书突破传统实验教材的单一模式，通过多平台实验工具与模块化课程设计，实现了理论知识向工程实践的高效转化。
第一章基于实验箱的硬件实验系统，精心设计了 11 项基础验证性实验。通过信号发生器、滤波器等硬件模块的实操训练，学生可直观理解时域与频域分析的基本原理。实验箱内置的虚拟示波器与频谱分析仪，实现了传统硬件实验与现代测试技术的有机结合。第二章 MATLAB 仿真实验模块，以 11 个典型案例为载体，系统讲解信号处理算法的实现方法。从连续信号的傅里叶变换到数字滤波器设计，每个实验均包含算法推导、代码实现与结果分析三个环节，培养学生的算法开发能力与工程调试思维。
第三章创新性构建的 GUI 实验系统堪称全书亮点。该系统以 7 大主题实验为框架，整合 19 项子实验模块，通过图形化界面实现参数可调、结果可视化的交互式实验环境。例如在通信系统仿真实验中，学生可通过拖拽模块构建 AM 调制解调系统，实时观测不同噪声环境下的信号传输效果。这种 "所见即所得" 的实验模式，有效激发了学生的探索兴趣与创新潜能。
本书的教学设计具有显著特色：硬件实验注重基础技能培养，软件实验强化算法工程化训练，GUI 系统则着重提升综合设计能力。书中每个实验均配备 "预习要求 - 实验步骤 - 思考题" 三级指导体系，并附有 MATLAB 代码库，方便学生课后自主学习。这种 "阶梯式" 能力培养模式，既符合课程教学规律，又满足新工科背景下对复合型人才的需求。
本书不仅适用于电类专业 "信号与系统" 课程的实验教学，还可作为课程设计、创新创业项目的实践指南。其模块化的实验体系与开放的系统架构，为教师灵活组织教学提供了便利。在人工智能与 5G 技术飞速发展的今天，本书所倡导的 "理论奠基、实验悟道、创新致用" 教学理念，将助力学生掌握信号处理领域的核心技术，为其未来从事智能信息处理、通信工程等方向的研究奠定坚实基础。
信号与系统课程是电类专业所开设的一门重要专业基础课,其理论性、实践性强,主要探讨信号和线性时不变系统的特性、信号通过线性系统的基本分析方法,以及这些方法在工程领域的应用。信号与系统的实验教学是理论教学的延伸和扩展,旨在帮助学生理解和掌握所学的原理和方法,培养他们分析和解决实际问题的能力。
信号与系统实验是辅助课程理论教学的一种有效手段。多年教学经验表明,基于实验箱的硬件电路实验可以让学员直接接触信号所依托的硬件电路,观测到实际的物理信号,且直观性和实践性强;但是,这也存在局限性,如信号调节范围有限致实验效果不理想、实验类型单一、实验方式不灵活等。相比之下,MATLAB 仿真软件以强大的数值分析及计算能力,能够简化繁杂的理论计算,通过可视化手段使教学过程变得更加清晰直观。但是,完全依赖仿真软件进行实验教学,可能不利于学生从物理层面上理解实际的信号与系统并对其进行分析。鉴于此,我们在信号与系统实验教学中,采用软硬有机结合的教学方法,以提高实验的灵活性,突出实验教学的时效性和可观测性。
MATLAB仿真软件功能强大、应用广泛,版本更新非常快。目前市面上的信号与系统实验书籍,多采用比较陈旧的软件版本,这在新版本仿真环境下运行,常常出现很多问题,比如程序运行不了,新旧版本不兼容,函数命令不适用,等等。为此,本书采用目前高校广泛使用的MATLAB2018a版本进行编程,并对全部程序进行了调试和运行。
本书分为三章。第一章介绍信号与系统实验箱的硬件实验,共有11项实验内容。通过这些硬件实验,学生能够掌握信号与系统基本原理和实验操作方法,同时锻炼动手能力和理论分析能力,这是计算机仿真实验无法代替的。第二章介绍使用 MATLAB软件进行的信号与系统实验,共有11项实验内容。此部分内容通过 MATLAB仿真实验,使学生掌握利用仿真软件进行信号与系统分析与应用的方法,是对硬件实验的有效补充和拓展。第三章利用 MATLAB仿真软件中的 GUIDE工具开发了信号与系统 GUI实验系统,在交互式的可视化实验环境中,学生只需要单击相应的按钮或下拉菜单或改变实验参数,即可进行信号与系统实验的模拟和仿真。该系统提供了7项主题实验,共19项子实验,学生可以从中学习到信号与系统的基本原理与实际应用,从而加深对课程中的概念、原理和性质的深刻理解和灵活运用。
本书由车辆与电气工程系电气与电力工程教研室组织编写。全书由安树、刘金宁担任主编,任晓琨、付佳担任副主编,尹志勇负责主审,安树负责统稿,王勇、曹曼、王雪峰参加了本书的编写工作,王文婷、郭鑫对本书进行了校对。在此,对所有参与编写的人员表示衷心的感谢。由于编者水平有限,书中难免存在不足之处,恳请广大读者提出宝贵意见批评指正。
编 者
2024年11月
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