基于Matweb的信号与系统自主学习系统的实现

摘要：采用Matlab作为开发工具，结合Web技术及其相应功能，设计并实现了信号与系统自主学习系统。该系统涵盖了信号与系统课程教学中的所有重难点，包括信号的发生、信号分析、系统分析、滤波器设计等。系统具有良好的可视化交互界面，用户只需通过浏览器来输入数据，递交给服务器，调用Matlab进行计算，返回给用户结果。该系统的实现，在远程教学仿真和虚拟实验领域都有广阔的应用前景。

关键词：信号与系统；Matlab；Matlab Web Server

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 16-0000-02

信号与系统课程[1，2]是通信工程专业学生必修的一门专业基础课。该课程一方面以高等数学、复变函数及电路等课程为基础，同时又是后继的数字信号处理、移动通信等专业课程的先修课程，该课程在通信工程专业课程体系中担负着承上启下的作用。然而，信号与系统中的很多原理和技术与复杂的数学理论知识紧密结合，学生在学习这门课程时，普遍感到概念抽象。虽然目前有一些基于单机环境的CAI教学软件[3]，但由于“信号与系统”课程中有许多频谱分析的图形难于处理，因此开发基于WEB的教学软件显得十分重要[4]。

本文基于MATLAB 7提供的Web Server 组件[5]，进行B/S模式的信号与系统自主学习系统开发，将MATLAB 的仿真能力和Web 浏览器的远程访问能力相结合，客户端通过Web 浏览器向服务器发出请求和传递参数，服务器进行相关计算后可生成动态页面返回给客户端。该平台不仅能够激发学生的学习兴趣，更有助于学生掌握该课程的基础理论知识，从而提高了学生自主学习效率和学习能力。

1 信号与系统学习系统设计方案及功能

随着计算机技术的发展，基于网络的教学模式大大提高了学科知识的传授与学习效率。本文通过信息技术整合“信号与系统”相关知识点，进而构建“信号与系统”自主学习平台。系统主要包含以下4个基本模块：

1.1 学生信息模块

首先，本系统的设计是针对所有选修信号与系统课程的学生以及其他对本课程感兴趣的学生。该模块为每个学生用户分配初始的用户帐号和密码供学生登陆，从而实现对系统用户的信息管理功能。

1.2 仿真演示模块

该模块主要包括以下四个部分：

1.2.1 信号发生器： 信号发生器可以产生方波，正弦波，三角波，阶跃函数，冲激函数等信号，信号的幅度，频率，相位可以调节。

1.2.2 信号分析仪：信号分析仪可以演示信号的频谱分析，信号间的运算、卷积、相关，抽样定理，信号的合成分解，傅里叶变换，拉普拉斯变换，Z变换；

1.2.3 系统分析：系统分析可以求一个系统的零状态响应、零输入响应；

1.2.4 滤波器设计：滤波器设计可以设计FIB，IIR滤波器，显示频率响应的图形。

1.3 在线课堂

该模块可以使用户进入到理论学习阶段。它可以很好的体现信号与系统这一课程的主要内容，提供给用户需要掌握的知识理论。

1.4 学习交流模块

在这个模块，系统将提供信息交流反馈机制和相应的使用帮助等辅助功能。通过信息交流反馈，可以及时归总学生在学习过程中存在的问题并及时做出解答，实现教与学的互动。

2 信号与系统自主学习系统的实现原理及技术

系统的实现方式采用基本的B/S结构模型，服务器安装有MATLAB软件。基于MATLAB的信号与系统自主学习系统在Web中的应用主要采用以下2种实现技术：

2.1 基于MATLAB web server进行Web开发

MATLAB Web Server是MATLAB具有Web功能的核心工具包，它使开发网络化虚拟测试实验平台高效可行。基于 MATLAB Web Server进行虚拟实验平台开发的工作原理如下：Matweb程序利用公共网关接口（CGI）接收HTML文件中的数据并负责把这些数据信息转发给 Matlabserver，由Matlabserver 运行MATLAB 应用 （M—file），该M文件取得数据，进行计算，然后把结果返回到Web浏览器上显示。

2.2 基于Matcom[5]组件进行Web应用程序开发

Com builder是Mathworks公司推荐用于混合编程的，COM是component object module的简称，它是一种通用的对象接口，任何语言只要按照这种接口标准，就可以调用它。MATLAB7包含的Combuilder就是把MATLAB下的程序做成COM组件，供其他语言调用。这个工作在MATLAB环境下就可以完成。在此系统的设计过程中，首先对Matlab应用程序进行封装，然后在.NET下进行调用。在.NET后台调用COM组件运行应用程序，进行系统的开发与实现。

3 自主学习系统的实现

首页为首页为信号与系统自主学习系统的欢迎界面，访问者需要输入用户名和密码进行登陆，如图2所示。

登陆进入后展现的是学习系统的主界面，包含学习系统的功能介绍和各个模块的链接。

4 总结与展望

Matlab web Server结合了Matlab程序与web应用系统的优点，能以可视化的形式输出二维/三维处理结果，进一步发挥了Matlab强大的科学计算能力。采用此B/S结构模式开发各种实验数据处理平台，客户端只需安装Web浏览器就可以获得Matlab的计算服务，这给Internet用户带来了很多方便，对远程教育、各学科教学软件的制作具有深远的影响。虽然本文开发的信号与系统自主学习系统已经可以完成基本的功能，但是要推向市场，应用到本科生实验教学中还存在许多不足，实验案例系统还不完善，系统的稳健性也还不够，应用到教学中还需要开发更多的实验案例、配套的实验指导和对系统的优化。

参考文献：

[1]吴大正.信号与线性系统分析[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]郑君里.信号与系统（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]吕锋，刘泉，江雪梅.基于MATLAB 的信号与系统软件实验平台[J].理工高教研究，2006，25（2）：98-99.

[4]顾晓杰.网络虚拟实验教学的探索与实践[J].南京：电气电子教学学报，2005，（6）：88-91.

[5]何强，何英. Matlab扩展编程[M].北京：清华大学出版社.2002.

[基金项目]湘南学院2010年度科研课题，项目号：2010Y017