基于LabVIEW的“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)軟平臺(tái)構(gòu)建

摘要：針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)中存在概念抽象、理解難等問(wèn)題，構(gòu)建基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟平臺(tái)。首先，分析LabVIEW的特點(diǎn)，以及基于LabVIEW構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟平臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)和可行性；其次，分析和歸納課程中的知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)，研究貫穿課程教學(xué)的典型實(shí)驗(yàn)；再次，規(guī)劃和設(shè)計(jì)軟件框架，編程實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)；最后，介紹頻譜泄露、時(shí)域卷積運(yùn)算、典型信號(hào)頻譜分析等具體知識(shí)點(diǎn)的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；LabVIEW；教學(xué)軟件

0 引言
    “信號(hào)與系統(tǒng)”是電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、信號(hào)處理、電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域。由于該課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，學(xué)生普遍感到理解困難，學(xué)習(xí)吃力。
    通常通過(guò)基于硬件或軟件的實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。硬件實(shí)驗(yàn)利用示波器、波形分析儀、選頻電平表等器件觀察、測(cè)試、分析信號(hào)的波形及各種特性，這種方式投資大，維護(hù)、更新難。軟件實(shí)驗(yàn)是利用軟件編程對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，常用軟件是Matlab，具有簡(jiǎn)單易用，集成度高，處理能力強(qiáng)，仿真效果好等特點(diǎn)。但Matlab軟件直觀性差，無(wú)法快速、高效、實(shí)時(shí)地處理信號(hào)，不能完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。
    為了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，在“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，需要使用更具優(yōu)勢(shì)、更切合課程實(shí)際特點(diǎn)的軟件。LabVIEW是一款主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理的軟件，采用圖形化編程語(yǔ)言，具有形象、直觀、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求?；贚abVI EW設(shè)計(jì)“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)軟件，對(duì)于提高該課程的教學(xué)效果具有重要的意義。
    本文首先介紹LabVIEW的特點(diǎn)，針對(duì)課程的主要內(nèi)容，特別是重點(diǎn)內(nèi)容，分析構(gòu)建實(shí)驗(yàn)軟平臺(tái)的可行性，確定了貫穿整個(gè)教學(xué)計(jì)劃的典型實(shí)驗(yàn)。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，規(guī)劃設(shè)計(jì)了軟件框架。最后，介紹了頻譜泄露、時(shí)域卷積運(yùn)算、典型信號(hào)頻譜分析等具體知識(shí)點(diǎn)的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

1 LabVIEW的特點(diǎn)
    LabVIEW具有圖形化的儀器編程環(huán)境，內(nèi)置程序編譯器，擁有強(qiáng)大的資料分析軟件工具箱，能支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，并提供了開放式的開發(fā)平臺(tái)。尤其是它脫離了具體的電路結(jié)構(gòu)，能從外界采集信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，運(yùn)行效率高。另外，其圖形化的程序框圖和逼真的前面板設(shè)置，能激發(fā)學(xué)生的興趣，特別適合“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)仿真。
    LabVIEW軟件含有數(shù)量巨大，內(nèi)容豐富的函數(shù)庫(kù)，特別是針對(duì)信號(hào)采集和分析，開發(fā)了整套的函數(shù)包，給信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟平臺(tái)的構(gòu)建提供了極大的便利。另外，運(yùn)用LabVIEW軟件編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，直接用數(shù)據(jù)流框圖表示，大大節(jié)約了時(shí)間，提高了效率，是其他軟件所不能比擬的。
    因此，利用LabVIEW軟件構(gòu)建“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)軟平臺(tái)是合適可行的。

2 信號(hào)與系統(tǒng)中的難點(diǎn)分析
    “信號(hào)與系統(tǒng)”公式眾多，內(nèi)容抽象，難以理解。分析發(fā)現(xiàn)課程的難點(diǎn)如下：
    (1)連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換。實(shí)際中經(jīng)常遇到A／D，D／A轉(zhuǎn)換的情況，由于信號(hào)時(shí)域和頻域特性的差異，在轉(zhuǎn)換中需要應(yīng)用信號(hào)采樣理論，以及連續(xù)時(shí)間信號(hào)數(shù)字化等內(nèi)容。
    (2)信號(hào)的卷積運(yùn)算。在信號(hào)的時(shí)域分析中，對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)Y(t)就是系統(tǒng)的激勵(lì)X(t)與系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)H(t)的卷積，因此卷積運(yùn)算在“信號(hào)與系統(tǒng)”理論中占有重要的地位。卷積運(yùn)算量大，計(jì)算繁瑣，是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。
    (3)信號(hào)的頻域分析。信號(hào)的頻譜是分析信號(hào)的重要工具，通常會(huì)應(yīng)用到數(shù)學(xué)中傅里葉級(jí)數(shù)與傅里葉變換的相關(guān)知識(shí)，其公式繁多，計(jì)算量大，并且不易畫出圖像，學(xué)生難掌握。
    (4)離散傅里葉變換中遇到的問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字化信號(hào)，在實(shí)際工程中，對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)應(yīng)利用離散傅里葉變換做近似處理。這種近似處理除了會(huì)使結(jié)果存在一定誤差外，還會(huì)帶來(lái)頻域混疊、信號(hào)截?cái)嗯c頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)、頻率分辨率低等問(wèn)題。這些內(nèi)容比較抽象，難度較大。

3 軟件的結(jié)構(gòu)和規(guī)劃
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
    LabVIEW軟件結(jié)構(gòu)主要包括程序結(jié)構(gòu)和文檔結(jié)構(gòu)。
    LabVIEW程序由各種不同的模塊組成，根據(jù)模塊執(zhí)行方式的不同，程序結(jié)構(gòu)分為三種：順序結(jié)構(gòu)、并發(fā)結(jié)構(gòu)、分布結(jié)構(gòu)。其中，順序結(jié)構(gòu)是最基本的，程序中的各種模塊按順序執(zhí)行；并發(fā)結(jié)構(gòu)的程序則由若干個(gè)可以同時(shí)執(zhí)行的模塊組成；分布結(jié)構(gòu)程序中的模塊可以彼此隔離，獨(dú)立運(yùn)行。
    LabVIEW文檔結(jié)構(gòu)的基本組成就是VI型文件。其中，包括主VI和各級(jí)子VI，層次分明，一目了然，可以對(duì)整個(gè)文檔進(jìn)行快速瀏覽和定位。
3．2 軟件規(guī)劃
    “信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)軟平臺(tái)主要由虛擬信號(hào)發(fā)生器、各種實(shí)驗(yàn)功能模塊、信號(hào)觀察與分析模塊、信號(hào)處理與保存模塊組成。
    其中，虛擬儀器發(fā)生器主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要提供各種信號(hào)源。實(shí)驗(yàn)功能模塊用于實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如信號(hào)頻域分析、卷積運(yùn)算等。信號(hào)觀察與分析模塊則主要通過(guò)示波器、頻譜分析儀等實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)觀察、分析。信號(hào)處理和保存模塊用于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、傳輸?shù)炔僮鳌?shí)驗(yàn)軟平臺(tái)主界面如圖1所示。

    另外，為順利達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，對(duì)軟件應(yīng)用做出如下要求：
    (1)在實(shí)驗(yàn)室中安裝最新版的LabVIEW軟件，為學(xué)生提供最新、最完備的軟件編程模塊和函數(shù)庫(kù)，以滿足實(shí)驗(yàn)需要。
    (2)選取“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的重難點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)，以強(qiáng)化對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。
    (3)定期由教師向?qū)W生介紹LabVIEW中常用的函數(shù)和模塊，使學(xué)生快速、熟練地掌握LabVIEW軟件，以提高效率，加快教學(xué)進(jìn)度。

4 典型知識(shí)點(diǎn)分析及LabVIEW實(shí)現(xiàn)
    在“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以通過(guò)LabVIEW的界面把數(shù)學(xué)函數(shù)和波形聯(lián)系起來(lái)，使教學(xué)直觀易懂。學(xué)生也可以通過(guò)LabVIEW更好地學(xué)習(xí)“信號(hào)與系統(tǒng)”這門課程。
4．1 離散傅里葉變換中的“頻譜泄漏”
    為了能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的離散化序列進(jìn)行離散傅里葉變換處理，必須對(duì)序列進(jìn)行加窗截短處理。由于窗口序列頻譜函數(shù)的旁瓣總是存在，導(dǎo)致截短后序列的頻譜產(chǎn)生失真，使信號(hào)的頻譜向兩旁擴(kuò)展，即原信號(hào)的頻率成分從原有的頻率處“泄漏”到其他頻率處，產(chǎn)生了“頻率泄漏”。
    “頻率泄漏”概念較為抽象，不直觀具體。為了能讓學(xué)生理解其產(chǎn)生的原理，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可使用具有很強(qiáng)可視化前面板的LabVIEW軟件對(duì)“頻譜泄漏”進(jìn)行編程，其前面板和程序框圖如圖2和圖3所示。

    圖2中可以任意設(shè)定信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)、幅值、相位、周期，在示波器上顯示加窗前信號(hào)波形及其頻譜圖像，同時(shí)加窗截短后的信號(hào)波形和頻譜圖也可以直觀地看到。
4．2 時(shí)域卷積運(yùn)算
    對(duì)于連續(xù)信號(hào)，卷積運(yùn)算定義為：

    此卷積稱為卷積和。由以上公式可以看出卷積運(yùn)算很繁瑣，通過(guò)LabVIEW軟件編程能夠更加形象地展示卷積運(yùn)算，更易于學(xué)生掌握?；贚abVIEW卷積運(yùn)算的前面板和程序框圖如圖4和圖5所示。

    圖4中的信號(hào)類型有正弦、單位沖擊、單位階躍三種選擇，通過(guò)選擇按鈕確定X信號(hào)與Y信號(hào)的類型，便可在示波器中顯示出待卷積運(yùn)算的兩種信號(hào)圖像，以及卷積運(yùn)算后的最終結(jié)果。
4．3 典型信號(hào)的頻譜分析
    頻譜的獲取需要借助數(shù)學(xué)上傅里葉級(jí)數(shù)及傅里葉變換，公式較多，計(jì)算繁瑣。應(yīng)用LabVIEW軟件編程可以輕松解決這一難題，部分典型信號(hào)頻譜分析的前面板和程序框圖如圖6和圖7所示。
    圖6中選擇了部分典型信號(hào)，包括正弦、三角、方波、階躍、沖擊五種類型，并在模擬示波器中顯示了信號(hào)的波形及其對(duì)應(yīng)的頻譜圖，使得信號(hào)的頻域特性一目了然，加深了學(xué)生對(duì)典型信號(hào)頻譜的認(rèn)識(shí)、理解。

5 結(jié)論
    “信號(hào)與系統(tǒng)”這門課程公式多，計(jì)算量大，概念抽象且不易理解，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)難度較大。通過(guò)將LabVIEW軟件引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)軟平臺(tái)，可以將一些抽象概念轉(zhuǎn)變成形象、生動(dòng)、直觀的圖形和實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而加深對(duì)抽象概念的理解，提高其提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。這是“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的新嘗試，不僅能夠提升學(xué)生的程序設(shè)計(jì)水平，而且可以解決課程教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題，提高教學(xué)質(zhì)量。