基于LabVIEW的“信號與系統”實(shí)驗軟平臺構建

摘要：針對“信號與系統”課程教學(xué)中存在概念抽象、理解難等問(wèn)題，構建基于LabVIEW軟件設計實(shí)驗教學(xué)軟平臺。首先，分析LabVIEW的特點(diǎn)，以及基于LabVIEW構建實(shí)驗教學(xué)軟平臺的技術(shù)難點(diǎn)和可行性；其次，分析和歸納課程中的知識點(diǎn)和難點(diǎn)，研究貫穿課程教學(xué)的典型實(shí)驗；再次，規劃和設計軟件框架，編程實(shí)現實(shí)驗的目標；最后，介紹頻譜泄露、時(shí)域卷積運算、典型信號頻譜分析等具體知識點(diǎn)的LabVIEW實(shí)現。
關(guān)鍵詞：信號與系統；實(shí)驗教學(xué)；LabVIEW；教學(xué)軟件

0 引言
“信號與系統”是電氣工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎課，被廣泛應用于自動(dòng)控制、信號處理、電路與系統等領(lǐng)域。由于該課程理論性強，內容抽象，學(xué)生普遍感到理解困難，學(xué)習吃力。
通常通過(guò)基于硬件或軟件的實(shí)驗加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。硬件實(shí)驗利用示波器、波形分析儀、選頻電平表等器件觀(guān)察、測試、分析信號的波形及各種特性，這種方式投資大，維護、更新難。軟件實(shí)驗是利用軟件編程對信號進(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，仿真效果好等特點(diǎn)。但Matlab軟件直觀(guān)性差，無(wú)法快速、高效、實(shí)時(shí)地處理信號，不能完全滿(mǎn)足實(shí)驗教學(xué)的需要。
為了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，在“信號與系統”實(shí)驗教學(xué)中，需要使用更具優(yōu)勢、更切合課程實(shí)際特點(diǎn)的軟件。LabVIEW是一款主要應用于計算機數據采集和數字信號處理的軟件，采用圖形化編程語(yǔ)言，具有形象、直觀(guān)、數據處理能力強等特點(diǎn)，符合實(shí)驗教學(xué)的要求?；贚abVI EW設計“信號與系統”教學(xué)軟件，對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)，針對課程的主要內容，特別是重點(diǎn)內容，分析構建實(shí)驗軟平臺的可行性，確定了貫穿整個(gè)教學(xué)計劃的典型實(shí)驗。另外，根據設計目標，規劃設計了軟件框架。最后，介紹了頻譜泄露、時(shí)域卷積運算、典型信號頻譜分析等具體知識點(diǎn)的LabVIEW實(shí)現。

1 LabVIEW的特點(diǎn)
LabVIEW具有圖形化的儀器編程環(huán)境，內置程序編譯器，擁有強大的資料分析軟件工具箱，能支持多種系統平臺，并提供了開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺。尤其是它脫離了具體的電路結構，能從外界采集信號并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，運行效率高。另外，其圖形化的程序框圖和逼真的前面板設置，能激發(fā)學(xué)生的興趣，特別適合“信號與系統”實(shí)驗仿真。
LabVIEW軟件含有數量巨大，內容豐富的函數庫，特別是針對信號采集和分析，開(kāi)發(fā)了整套的函數包，給信號與系統實(shí)驗軟平臺的構建提供了極大的便利。另外，運用LabVIEW軟件編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，直接用數據流框圖表示，大大節約了時(shí)間，提高了效率，是其他軟件所不能比擬的。
因此，利用LabVIEW軟件構建“信號與系統”實(shí)驗軟平臺是合適可行的。

2 信號與系統中的難點(diǎn)分析
“信號與系統”公式眾多，內容抽象，難以理解。分析發(fā)現課程的難點(diǎn)如下：
(1)連續信號與離散信號的轉換。實(shí)際中經(jīng)常遇到A／D，D／A轉換的情況，由于信號時(shí)域和頻域特性的差異，在轉換中需要應用信號采樣理論，以及連續時(shí)間信號數字化等內容。
(2)信號的卷積運算。在信號的時(shí)域分析中，對于線(xiàn)性時(shí)不變系統，系統零狀態(tài)響應Y(t)就是系統的激勵X(t)與系統的單位沖激響應H(t)的卷積，因此卷積運算在“信號與系統”理論中占有重要的地位。卷積運算量大，計算繁瑣，是學(xué)生學(xué)習中的難點(diǎn)。
(3)信號的頻域分析。信號的頻譜是分析信號的重要工具，通常會(huì )應用到數學(xué)中傅里葉級數與傅里葉變換的相關(guān)知識，其公式繁多，計算量大，并且不易畫(huà)出圖像，學(xué)生難掌握。
(4)離散傅里葉變換中遇到的問(wèn)題。由于計算機只能處理數字化信號，在實(shí)際工程中，對連續信號進(jìn)行頻譜分析時(shí)應利用離散傅里葉變換做近似處理。這種近似處理除了會(huì )使結果存在一定誤差外，還會(huì )帶來(lái)頻域混疊、信號截斷與頻譜泄漏、柵欄效應、頻率分辨率低等問(wèn)題。這些內容比較抽象，難度較大。

3 軟件的結構和規劃
3．1 軟件結構
LabVIEW軟件結構主要包括程序結構和文檔結構。
LabVIEW程序由各種不同的模塊組成，根據模塊執行方式的不同，程序結構分為三種：順序結構、并發(fā)結構、分布結構。其中，順序結構是最基本的，程序中的各種模塊按順序執行；并發(fā)結構的程序則由若干個(gè)可以同時(shí)執行的模塊組成；分布結構程序中的模塊可以彼此隔離，獨立運行。
LabVIEW文檔結構的基本組成就是VI型文件。其中，包括主VI和各級子VI，層次分明，一目了然，可以對整個(gè)文檔進(jìn)行快速瀏覽和定位。
3．2 軟件規劃
“信號與系統”實(shí)驗軟平臺主要由虛擬信號發(fā)生器、各種實(shí)驗功能模塊、信號觀(guān)察與分析模塊、信號處理與保存模塊組成。
其中，虛擬儀器發(fā)生器主要根據實(shí)驗需要提供各種信號源。實(shí)驗功能模塊用于實(shí)現各種實(shí)驗內容，比如信號頻域分析、卷積運算等。信號觀(guān)察與分析模塊則主要通過(guò)示波器、頻譜分析儀等實(shí)現對信號的實(shí)時(shí)觀(guān)察、分析。信號處理和保存模塊用于對實(shí)驗數據進(jìn)行保存、傳輸等操作。實(shí)驗軟平臺主界面如圖1所示。

另外，為順利達到實(shí)驗目標，對軟件應用做出如下要求：
(1)在實(shí)驗室中安裝最新版的LabVIEW軟件，為學(xué)生提供最新、最完備的軟件編程模塊和函數庫，以滿(mǎn)足實(shí)驗需要。
(2)選取“信號與系統”課程中的重難點(diǎn)作為實(shí)驗內容，鼓勵學(xué)生應用LabVIEW軟件編程實(shí)現，以強化對知識點(diǎn)的理解。
(3)定期由教師向學(xué)生介紹LabVIEW中常用的函數和模塊，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 典型知識點(diǎn)分析及LabVIEW實(shí)現
在“信號與系統”實(shí)驗教學(xué)中，教師可以通過(guò)LabVIEW的界面把數學(xué)函數和波形聯(lián)系起來(lái)，使教學(xué)直觀(guān)易懂。學(xué)生也可以通過(guò)LabVIEW更好地學(xué)習“信號與系統”這門(mén)課程。