基于LabVIEW的“数字信号处理”课程辅助教学的研究*

李玉平 陈勉舟

(1湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003;2湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石435003)

“数字信号处理”是电子信息工程专业的核心课程，该课程概念抽象，理论性强，算法的推导和证明比较繁琐［1］。传统的数字信号处理课程教学中理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内讲授抽象的理论知识，学生很难对相关知识点留下深刻的印象，更谈不上达到学以致用的能力。因此，迫切需要改变传统的教学模式。

湖北理工学院电气与电子信息工程学院对电子信息工程专业的部分理论性强和实践应用要求高的专业课已打破了传统的教学模式，采用“理论课进实验室”的教学手段，即在实验室讲授理论课程，先用黑板或多媒体技术讲授理论知识，然后教师通过实验设备或者仿真软件对该知识点进行实验演示，并且尽可能给学生提供实际动手操作的条件。这样通过教师理论讲授与实验演示，并结合学生自己动手操作，可使本来抽象难懂的知识简单化，提高了学生的实践能力。但是传统的数字信号处理实验设备一般比较昂贵，实验室购置的台套数往往不能满足大量学生同时使用的要求，而由美国国家仪器公司推出的LabVIEW 软件功能强大，因此，可以通过该软件模拟硬件功能达到实验的目的。本文对LabVIEW 在数字信号处理中辅助教学的应用进行了研究。

1 LabVIEW 开发平台简介

传统的数字信号处理实验设备有2 种:第1 种是专用的实验模块，该实验模块由硬件和固化的软件组成，仪器功能由生产厂家来定义并制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，仪器成本高。第2 种是采用数字信号处理器为核心器件，并通过外围电路扩展和特定软件设计来实现，但是因为数字信号处理器结构复杂，掌握比较困难。为了克服传统仪器的缺点，虚拟仪器技术应运而生并得到了越来越广泛的应用，虚拟仪器在以计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理。

常见的虚拟仪器软件开发环境为NI 公司研制开发的LabVIEW，它类似于C 和BASIC 开发环境，但是LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW 使用的是图形化编辑语言G 编写程序，产生的程序是框图的形式［2］。因此，LabVIEW 具有简单易学的特点，它已广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的信号采集处理和仪器控制软件。在高校教学中，使用LabVIEW进行软件仿真，就可以达到与传统实验仪器相同的教学效果，使学生不会因为缺少实验设备而失去实践的机会［3－4］。

2 LabVIEW 的数字信号处理仿真实例

“数字滤波”是“数字信号处理”课程的重点，也是难点内容。因此，本文以FIR 数字滤波的工作原理和设计与实现为例，说明Lab-VIEW 实验仿真在教学中的应用。

2.1 FIR 的工作原理

数字滤波是将输入的信号序列，按规定的算法进行处理，从而得到所期望的输出序列。一个线性位移不变系统(FIR)的输出序列y(n)和输入序列x(n)之间的关系，满足常系数线性差分方程如式(1)所示。FIR 滤波器具有线性相位特性，是一种无条件稳定系统［5］。

由式(1)可知滤波器设计的核心就是确定滤波器的系数，确定系数最常用的方法就是采用有限项傅氏级数来逼近所要求的滤波器响应的方法设计FIR 滤波器，表达式如式(2)所示。

(θ = f/fs为归一化频率，fs为采样频率，ωT =2πf/fs=2θπ)

系数Cn的选择可在最小均方误差的条件下，使传递函数H(z)逼近Hd(θ)来决定，表达式如式(3)所示。

设Hd(θ)为偶函数，表达式如式(4)所示。

且C－n=Cn

理想的传递函数Hd(θ)有无限多个系数Cn，而实际的滤波器的系数只能有有限多个。因此，可以将式(2)中的无限项级数进行截取，得到近似的传递函数如式(5)所示。

近似传递函数的冲激响应是由一系列的系数来决定:C－Q、C－Q+1、…、C－1、C0、…、CQ－1、CQ，其中bi与Cn之间有如下关系:

b0=CQ、b1=CQ－1、b2=CQ－2、…、

bQ=C0、bQ+1=C1、…、

b2Q－1=C－Q+1、b2Q= C－Q。

2.2 FIR 在LabVIEW 中的设计与实现

FIR 滤波器设计就是根据实际信号的采样频率、截止频率和频谱分析得到的信号特点，选择窗函数和滤波器的系数。LabVIEW 的编程环境包括前面板和后面板。在本例中采用的是频率为500 Hz，幅值为100 且加入了高斯噪声的正弦波信号作为原始信号，根据采样定理，当时间信号函数f(t)的最高频率分量为fM时，f(t)的值可由一系列采样间隔小于或等于1/2fM的采样值来确定，即采样点的重复频率f ≥2fM。而本例中fM= 500 Hz，因此，结合实际信号的特点，选择FIR 滤波器的采样频率为2 kHz，截止频率为100 Hz。FIR 在LabVIEW中的滤波结果见前面板图1，程序见后面板图2。在前、后面板上修改采样频率和截止频率可改变滤波器的性能，也可选择不同的信号观察滤波效果。

图1 前面板FIR 滤波结果

图2 后面板程序

从图1 中可以看出原始信号中的高撕噪声被滤除，保留了正弦信号，达到了良好的滤波效果。通过以上方法，根据采样定理和原始信号的特点，选择合适的采样频率和截止频率，可以滤除原始信号中的噪声。

3 LabVIEW 仿真实验的教学应用

3.1 LabVIEW 仿真实验的教学方式

以上只是“数字信号处理”课程中FIR 在LabVIEW 中的设计与实现的一个实例，电子信息工程专业的专业课程基本上都可以通过LabVIEW 仿真，课堂教学可以根据不同教学内容的特点、学生的基础及教学体系的结构安排采用以下3 种教学方式:

1)首先由教师通过黑板或者多媒体技术讲授理论知识，然后由教师演示已构建好的该知识点的仿真系统，通过修改参数，观察结果的变化，启发学生思考。这种方式在多媒体教室就可完成，并且适合理论知识不是很抽象，学时分配较少的课程。

2)采用“理论课进实验室”的教学方式，即在实验室里讲授理论课程，先用黑板或多媒体技术讲授理论知识，然后教师通过实验设备或者仿真软件对该知识点进行实验演示，并且尽可能给学生提供现场实际动手操作的条件。这样通过教师理论讲授和实验演示，学生自己动手操作，使原本抽象难懂的知识简单化了，达到了学以致用的效果。这种方式在虚拟实验室中进行，至少要保证1～2 名同学有虚拟仪器。适合实践性要求高，学时分配较多的课程。

3)可通过课程设计或者毕业设计的方式，教师提供给学生设计要求和相关资料，由学生对所学的理论知识在LabVIEW 中仿真，遇到问题由教师讲解，并且结合课程内容，给出设计报告。这种方式适合教学安排比较集中的实践课程。

3.2 仿真实验的教学效果

在传统教学中，由于没有使用LabVIEW仿真软件进行辅助教学，教师通过黑板进行讲解很辛苦，学生学的也很吃力。甚至部分学生学完了该门课程仍然没有理解重点和难点，更别说学以致用了。把LabVIEW 引入教学后，理论与实践结合到了一起，取得了良好的教学效果，具体体现在以下2 个方面:

1)在“教”方面，通过LabVIEW 的辅助教学，给教师提供了丰富多样的教学手段，也加强了师生的互动，让教师能及时了解学生对所学内容的掌握情况，可以及时调整教学手段和学时分配。

2)在“学”方面，通过LabVIEW 的辅助教学，丰富并完善了课程实验内容，加深了学生对所学知识的理解，降低了对实验仪器的需求，提高了学生的综合应用与实践能力。

4 结束语

本文结合电子信息工程专业的教学实际，采用“理论课进实验室”的教学手段和LabVIEW的辅助教学方式，深受师生喜欢。在笔者采用该方式为期1年的教学中，深深感受到了和传统教学模式相比学生应用能力的提高。这样的教学模式增强了学生对基本知识和基本理论的理解和掌握，同时调动了学生的学习积极性，更提高了学生将理论与实践相结合的能力。

［1］刘婷，孙云山，张立毅.数字信号处理课程的教学初探［J］.太原理工大学学报，2006，24(12):88－94

［2］黄松龄，吴静.虚拟仪器设计基础教程［M］.北京:清华大学出版社，2008:65－69

［3］杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW 程序设计与应用［M］.北京:电子工业出版社，2001:1－4

［4］连海洲，赵英俊.基于LabVIEW 技术的虚拟仪器系统［J］.自动化博览，2001，18(3):21－23

［5］丁玉美，高西全.数字信号处理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001:65－69