基于LabVIEW的“信号与系统”实验软平台构建

摘要：针对“信号与系统”课程教学中存在概念抽象、理解难等问题，构建基于LabVIEW软件设计实验教学软平台。首先，分析LabVIEW的特点，以及基于LabVIEW构建实验教学软平台的技术难点和可行性；其次，分析和归纳课程中的知识点和难点，研究贯穿课程教学的典型实验；再次，规划和设计软件框架，编程实现实验的目标；最后，介绍频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。
关键词：信号与系统；实验教学；LabVIEW；教学软件

0 引言
    “信号与系统”是电气工程专业的专业基础课，被广泛应用于自动控制、信号处理、电路与系统等领域。由于该课程理论性强，内容抽象，学生普遍感到理解困难，学习吃力。
    通常通过基于硬件或软件的实验加深学生对所学知识的理解。硬件实验利用示波器、波形分析仪、选频电平表等器件观察、测试、分析信号的波形及各种特性，这种方式投资大，维护、更新难。软件实验是利用软件编程对信号进行分析处理，常用软件是Matlab，具有简单易用，集成度高，处理能力强，仿真效果好等特点。但Matlab软件直观性差，无法快速、高效、实时地处理信号，不能完全满足实验教学的需要。
    为了进一步提高教学质量，在“信号与系统”实验教学中，需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件。LabVIEW是一款主要应用于计算机数据采集和数字信号处理的软件，采用图形化编程语言，具有形象、直观、数据处理能力强等特点，符合实验教学的要求。基于LabVI EW设计“信号与系统”教学软件，对于提高该课程的教学效果具有重要的意义。
    本文首先介绍LabVIEW的特点，针对课程的主要内容，特别是重点内容，分析构建实验软平台的可行性，确定了贯穿整个教学计划的典型实验。另外，根据设计目标，规划设计了软件框架。最后，介绍了频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。

1 LabVIEW的特点
    LabVIEW具有图形化的仪器编程环境，内置程序编译器，拥有强大的资料分析软件工具箱，能支持多种系统平台，并提供了开放式的开发平台。尤其是它脱离了具体的电路结构，能从外界采集信号并进行实时处理，运行效率高。另外，其图形化的程序框图和逼真的前面板设置，能激发学生的兴趣，特别适合“信号与系统”实验仿真。
    LabVIEW软件含有数量巨大，内容丰富的函数库，特别是针对信号采集和分析，开发了整套的函数包，给信号与系统实验软平台的构建提供了极大的便利。另外，运用LabVIEW软件编程时，基本上不写程序代码，直接用数据流框图表示，大大节约了时间，提高了效率，是其他软件所不能比拟的。
    因此，利用LabVIEW软件构建“信号与系统”实验软平台是合适可行的。

2 信号与系统中的难点分析
    “信号与系统”公式众多，内容抽象，难以理解。分析发现课程的难点如下：
    (1)连续信号与离散信号的转换。实际中经常遇到A／D，D／A转换的情况，由于信号时域和频域特性的差异，在转换中需要应用信号采样理论，以及连续时间信号数字化等内容。
    (2)信号的卷积运算。在信号的时域分析中，对于线性时不变系统，系统零状态响应Y(t)就是系统的激励X(t)与系统的单位冲激响应H(t)的卷积，因此卷积运算在“信号与系统”理论中占有重要的地位。卷积运算量大，计算繁琐，是学生学习中的难点。
    (3)信号的频域分析。信号的频谱是分析信号的重要工具，通常会应用到数学中傅里叶级数与傅里叶变换的相关知识，其公式繁多，计算量大，并且不易画出图像，学生难掌握。
    (4)离散傅里叶变换中遇到的问题。由于计算机只能处理数字化信号，在实际工程中，对连续信号进行频谱分析时应利用离散傅里叶变换做近似处理。这种近似处理除了会使结果存在一定误差外，还会带来频域混叠、信号截断与频谱泄漏、栅栏效应、频率分辨率低等问题。这些内容比较抽象，难度较大。

3 软件的结构和规划
3．1 软件结构
    LabVIEW软件结构主要包括程序结构和文档结构。
    LabVIEW程序由各种不同的模块组成，根据模块执行方式的不同，程序结构分为三种：顺序结构、并发结构、分布结构。其中，顺序结构是最基本的，程序中的各种模块按顺序执行；并发结构的程序则由若干个可以同时执行的模块组成；分布结构程序中的模块可以彼此隔离，独立运行。
    LabVIEW文档结构的基本组成就是VI型文件。其中，包括主VI和各级子VI，层次分明，一目了然，可以对整个文档进行快速浏览和定位。
3．2 软件规划
    “信号与系统”实验软平台主要由虚拟信号发生器、各种实验功能模块、信号观察与分析模块、信号处理与保存模块组成。
    其中，虚拟仪器发生器主要根据实验需要提供各种信号源。实验功能模块用于实现各种实验内容，比如信号频域分析、卷积运算等。信号观察与分析模块则主要通过示波器、频谱分析仪等实现对信号的实时观察、分析。信号处理和保存模块用于对实验数据进行保存、传输等操作。实验软平台主界面如图1所示。

    另外，为顺利达到实验目标，对软件应用做出如下要求：
    (1)在实验室中安装最新版的LabVIEW软件，为学生提供最新、最完备的软件编程模块和函数库，以满足实验需要。
    (2)选取“信号与系统”课程中的重难点作为实验内容，鼓励学生应用LabVIEW软件编程实现，以强化对知识点的理解。
    (3)定期由教师向学生介绍LabVIEW中常用的函数和模块，使学生快速、熟练地掌握LabVIEW软件，以提高效率，加快教学进度。

4 典型知识点分析及LabVIEW实现
    在“信号与系统”实验教学中，教师可以通过LabVIEW的界面把数学函数和波形联系起来，使教学直观易懂。学生也可以通过LabVIEW更好地学习“信号与系统”这门课程。
4．1 离散傅里叶变换中的“频谱泄漏”
    为了能对无限长的离散化序列进行离散傅里叶变换处理，必须对序列进行加窗截短处理。由于窗口序列频谱函数的旁瓣总是存在，导致截短后序列的频谱产生失真，使信号的频谱向两旁扩展，即原信号的频率成分从原有的频率处“泄漏”到其他频率处，产生了“频率泄漏”。
    “频率泄漏”概念较为抽象，不直观具体。为了能让学生理解其产生的原理，在实验教学中可使用具有很强可视化前面板的LabVIEW软件对“频谱泄漏”进行编程，其前面板和程序框图如图2和图3所示。

    图2中可以任意设定信号的采样点数、幅值、相位、周期，在示波器上显示加窗前信号波形及其频谱图像，同时加窗截短后的信号波形和频谱图也可以直观地看到。
4．2 时域卷积运算
    对于连续信号，卷积运算定义为：

    此卷积称为卷积和。由以上公式可以看出卷积运算很繁琐，通过LabVIEW软件编程能够更加形象地展示卷积运算，更易于学生掌握。基于LabVIEW卷积运算的前面板和程序框图如图4和图5所示。

    图4中的信号类型有正弦、单位冲击、单位阶跃三种选择，通过选择按钮确定X信号与Y信号的类型，便可在示波器中显示出待卷积运算的两种信号图像，以及卷积运算后的最终结果。
4．3 典型信号的频谱分析
    频谱的获取需要借助数学上傅里叶级数及傅里叶变换，公式较多，计算繁琐。应用LabVIEW软件编程可以轻松解决这一难题，部分典型信号频谱分析的前面板和程序框图如图6和图7所示。
    图6中选择了部分典型信号，包括正弦、三角、方波、阶跃、冲击五种类型，并在模拟示波器中显示了信号的波形及其对应的频谱图，使得信号的频域特性一目了然，加深了学生对典型信号频谱的认识、理解。

5 结论
    “信号与系统”这门课程公式多，计算量大，概念抽象且不易理解，学生学习起来难度较大。通过将LabVIEW软件引入到实验教学环节，构建实验软平台，可以将一些抽象概念转变成形象、生动、直观的图形和实例，激发学生的学习兴趣，从而加深对抽象概念的理解，提高其提出问题、分析问题、解决问题的能力。这是“信号与系统”实验教学上的新尝试，不仅能够提升学生的程序设计水平，而且可以解决课程教学中的实际问题，提高教学质量。