基于LabVIEW的“信號與系統(tǒng)”實驗軟平臺構(gòu)建

摘要：針對“信號與系統(tǒng)”課程教學中存在概念抽象、理解難等問題，構(gòu)建基于LabVIEW軟件設(shè)計實驗教學軟平臺。首先，分析LabVIEW的特點，以及基于LabVIEW構(gòu)建實驗教學軟平臺的技術(shù)難點和可行性；其次，分析和歸納課程中的知識點和難點，研究貫穿課程教學的典型實驗；再次，規(guī)劃和設(shè)計軟件框架，編程實現(xiàn)實驗的目標；最后，介紹頻譜泄露、時域卷積運算、典型信號頻譜分析等具體知識點的LabVIEW實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；實驗教學；LabVIEW；教學軟件

0 引言
“信號與系統(tǒng)”是電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，被廣泛應(yīng)用于自動控制、信號處理、電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域。由于該課程理論性強，內(nèi)容抽象，學生普遍感到理解困難，學習吃力。
通常通過基于硬件或軟件的實驗加深學生對所學知識的理解。硬件實驗利用示波器、波形分析儀、選頻電平表等器件觀察、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。軟件實驗是利用軟件編程對信號進行分析處理，常用軟件是Matlab，具有簡單易用，集成度高，處理能力強，仿真效果好等特點。但Matlab軟件直觀性差，無法快速、高效、實時地處理信號，不能完全滿足實驗教學的需要。
為了進一步提高教學質(zhì)量，在“信號與系統(tǒng)”實驗教學中，需要使用更具優(yōu)勢、更切合課程實際特點的軟件。LabVIEW是一款主要應(yīng)用于計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理的軟件，采用圖形化編程語言，具有形象、直觀、數(shù)據(jù)處理能力強等特點，符合實驗教學的要求?；贚abVI EW設(shè)計“信號與系統(tǒng)”教學軟件，對于提高該課程的教學效果具有重要的意義。
本文首先介紹LabVIEW的特點，針對課程的主要內(nèi)容，特別是重點內(nèi)容，分析構(gòu)建實驗軟平臺的可行性，確定了貫穿整個教學計劃的典型實驗。另外，根據(jù)設(shè)計目標，規(guī)劃設(shè)計了軟件框架。最后，介紹了頻譜泄露、時域卷積運算、典型信號頻譜分析等具體知識點的LabVIEW實現(xiàn)。

1 LabVIEW的特點
LabVIEW具有圖形化的儀器編程環(huán)境，內(nèi)置程序編譯器，擁有強大的資料分析軟件工具箱，能支持多種系統(tǒng)平臺，并提供了開放式的開發(fā)平臺。尤其是它脫離了具體的電路結(jié)構(gòu)，能從外界采集信號并進行實時處理，運行效率高。另外，其圖形化的程序框圖和逼真的前面板設(shè)置，能激發(fā)學生的興趣，特別適合“信號與系統(tǒng)”實驗仿真。
LabVIEW軟件含有數(shù)量巨大，內(nèi)容豐富的函數(shù)庫，特別是針對信號采集和分析，開發(fā)了整套的函數(shù)包，給信號與系統(tǒng)實驗軟平臺的構(gòu)建提供了極大的便利。另外，運用LabVIEW軟件編程時，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“信號與系統(tǒng)”實驗軟平臺是合適可行的。

2 信號與系統(tǒng)中的難點分析
“信號與系統(tǒng)”公式眾多，內(nèi)容抽象，難以理解。分析發(fā)現(xiàn)課程的難點如下：
(1)連續(xù)信號與離散信號的轉(zhuǎn)換。實際中經(jīng)常遇到A／D，D／A轉(zhuǎn)換的情況，由于信號時域和頻域特性的差異，在轉(zhuǎn)換中需要應(yīng)用信號采樣理論，以及連續(xù)時間信號數(shù)字化等內(nèi)容。
(2)信號的卷積運算。在信號的時域分析中，對于線性時不變系統(tǒng)，系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)Y(t)就是系統(tǒng)的激勵X(t)與系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)H(t)的卷積，因此卷積運算在“信號與系統(tǒng)”理論中占有重要的地位。卷積運算量大，計算繁瑣，是學生學習中的難點。
(3)信號的頻域分析。信號的頻譜是分析信號的重要工具，通常會應(yīng)用到數(shù)學中傅里葉級數(shù)與傅里葉變換的相關(guān)知識，其公式繁多，計算量大，并且不易畫出圖像，學生難掌握。
(4)離散傅里葉變換中遇到的問題。由于計算機只能處理數(shù)字化信號，在實際工程中，對連續(xù)信號進行頻譜分析時應(yīng)利用離散傅里葉變換做近似處理。這種近似處理除了會使結(jié)果存在一定誤差外，還會帶來頻域混疊、信號截斷與頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)、頻率分辨率低等問題。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)的程序則由若干個可以同時執(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，獨立運行。
LabVIEW文檔結(jié)構(gòu)的基本組成就是VI型文件。其中，包括主VI和各級子VI，層次分明，一目了然，可以對整個文檔進行快速瀏覽和定位。
3．2 軟件規(guī)劃
“信號與系統(tǒng)”實驗軟平臺主要由虛擬信號發(fā)生器、各種實驗功能模塊、信號觀察與分析模塊、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(jù)實驗需要提供各種信號源。實驗功能模塊用于實現(xiàn)各種實驗內(nèi)容，比如信號頻域分析、卷積運算等。信號觀察與分析模塊則主要通過示波器、頻譜分析儀等實現(xiàn)對信號的實時觀察、分析。信號處理和保存模塊用于對實驗數(shù)據(jù)進行保存、傳輸?shù)炔僮鳌嶒炣浧脚_主界面如圖1所示。

另外，為順利達到實驗?zāi)繕耍瑢浖?yīng)用做出如下要求：
(1)在實驗室中安裝最新版的LabVIEW軟件，為學生提供最新、最完備的軟件編程模塊和函數(shù)庫，以滿足實驗需要。
(2)選取“信號與系統(tǒng)”課程中的重難點作為實驗內(nèi)容，鼓勵學生應(yīng)用LabVIEW軟件編程實現(xiàn)，以強化對知識點的理解。
(3)定期由教師向?qū)W生介紹LabVIEW中常用的函數(shù)和模塊，使學生快速、熟練地掌握LabVIEW軟件，以提高效率，加快教學進度。

4 典型知識點分析及LabVIEW實現(xiàn)
在“信號與系統(tǒng)”實驗教學中，教師可以通過LabVIEW的界面把數(shù)學函數(shù)和波形聯(lián)系起來，使教學直觀易懂。學生也可以通過LabVIEW更好地學習“信號與系統(tǒng)”這門課程。