LabVIEW在“信号与系统”教学中的应用

2014-07-28胡卫军等

电脑知识与技术 2014年16期

胡卫军等

摘要：针对“信号与系统”课程教学中概念抽象、公式繁多、学生理解困难的特点，通过具体实例研究了LabVIEW在任意信号产生、频谱分析和幅度调制解调等方面的应用。从而达到加深学生对所学知识点的理解，降低学生学习难度的目的。

关键词：信号与系统；教学；LabVIEW；应用

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3837-03

Abstract： Aimed at the characteristic of teaching in ‘Signals and Systems， such as abstract concept， complicated formulas and students unclearness， the application of LabVIEW is discussed through examples. The examples include arbitrary signals generating， frequency spectrum analyzing and amplitude modulating and de-modulating. In this way， the students comprehending of knowledge in this course can be promoted and their studying difficulty can be reduced.

Key words： signals and system； teaching； LabVIEW； application

1 概述

目前，新一代互联网、物联网、云计算为代表的新信息技术正如火如荼地迅猛发展，日益受到全球瞩目。而信息技术及其相关领域和学科的发展，无不渗透着信号与系统的概念和分析方法。作为研究信号与系统分析的基本理论和方法的一门基础课程，其重要性也日益凸显[1]。“信号与系统”作为高等院校测控、通信、计算机等电子信息类专业重要的专业基础课程[2]。该课程的主要目的是使学生掌握信号与系统的基本概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习和今后从事相关的科学技术工作打下牢固的基础 [3]。该课程理论性强，涉及微积分、工程数学等较复杂的数学推理和计算；实践性强，需要通过实验培养学生处理工程应用中信号处理问题的综合能力；系统性强，其核心概念、原理和应用设计的教学大多都要以系统模型出发点[4]。LabVIEW 是美国国家仪器公司（NI）近20几年开发出的一种图形化的编程语言，这种语言采用流程图方式代替传统的程序代码编程。LabVIEW 提供了大量函数，且这些函数可以被层次化无限调用。LabVIEW中运用的术语、图标和概念，几乎都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，因此，它是一个面向最终用户的开发工具，不仅能够使用户构建自己的科学和工程系统的能力增强，而且还为实现仪器编程和数据采集系统提供了便捷地途径[5]。正是基于在教学中碰到的困难和问题和LabVIEW的以上优点，在此利用其通过一些实例来说明其在“信号与系统”教学上的应用。

2 虚拟任意信号发生器

“信号与系统”课程主要内容及时是从时域和频域两个方面对信号的定义和特征进行分析，从而形成对由信号单元组成的系统进行分析。信号与系统的定义及其特征分析过程均涉及较为复杂的公式及其推导。各种具体或一般化的信号与系统一般可以用数学函数，微分方程、差分方程、波形图、系统框图等来表征。通过LabVIEW编程，可以比较方便快捷地得到各种类型的信号。虚拟任意信号发生器主要就是实现这样一个功能。LabVIEW可以通过对公式的描述来控制信号的输出图形。

例如：如果要得到[f（t）=5cos（5.1πt+2）+2sin（2.1πt+3）]信号的时域波形，只需在LabVIEW建立如图1.a所示程序框图，就可在前面板波形图中得到该信号的波形，如图1.b所示。如果需要产生其他的信号，只需要修改程序框图中的公式节点内的公式即可。

可以看到，由于是模块化的程序框图编程，编程是很简单的。

3 信号频谱分析

频谱分析是信号与系统中对信号进行频域分析的重要手段，能够获得信号的频率成分。在信号处理中占有重要的地位。在LabVIEW中，可以利用 “函数-信号处理-变换”子模板或者“函数-信号处理-谱分析子模板”来实现信号的傅立叶变换和信号的频率分析。傅立叶变换是“信号与系统”课程中的一个重要变换，也是学生普遍反映学习难点之一。通过傅立叶变化可以很方便的观察信号的频域特征，进行信号的频谱计算，直观地区分信号的频率成分。例如对信号[f（t）=5sin（10.2πt+2）+2sin（4.2πt+3）]进行频谱分析，只需基于波形生成模块和FFT模块通过一个While循环就可以得到图2所示该信号的频谱。

可以明显的看到该信号的频率主要分布在在2.1Hz和5.1Hz。

4 幅度调制解调器

在通信系统中，幅度调制和解调是高频信道传输低频信号的一种常用方法。调幅（AM）利用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅，从而导致高频载波信号的幅值随调制信号的变化而变化，从而将低频调制信号调制成高频信号在高频信道中传输。幅度调制中最通常的形式是正弦幅度调制。假设低频调制信号为[ft] ，载波信号为：

[ct=Accosωct+θc] （1）

则已调信号可以写为：

[?AMt=Acftcosωct+θc] （2）

在信号接收端对应的解调方式可以采用同步解调方式。只需将已调信号再次乘以[ct]，得到：

[?ADMt=12Acft+12Acftcos2ωct+2θc] （3）endprint

将式（3）所表示的解调波通过截止频率为[ωc]，幅度为2/[Ac]的理想低通滤波器就可以得到信号发送端的低频信号[ft]。

为了方便讨论和LabVIEW的具体实现，采样点数设置为20000点，载波信号和调制信号均假设为正弦波，其频率分别设置为500Hz和5Hz，幅值分别设置为1V和5V，初始相位均设置为0。采样频率设为20000Hz。低通滤波器采用1阶巴特沃斯低通滤波器，将其低截止频率设置为5Hz。这样就可以采用LabVIEW的控件进行程序框图和前面板的制作，如图3所示。

在图3（a）中，可以看到，调制解调器的实现实际上是一个小型的系统，包括了信号的产生、信号的简单运算、信号的滤波以及信号的显示。从图3（b）可以直观地看出低频调制信号被高频载波调制结果，以及解调信号与原低频调制信号的差异很小。通过虚拟调制解调器的设计，可以很清楚地了解信号的调制解调过程。学生可以在此程序框图的基础上修改信号的波形类型及其参数，以及滤波器的类型。从而举一反三，加深对幅度调制以及信号滤波原理和具体实现的理解。

5 结论

本文基于实例，重点研究了LabVIEW在“信号与系统”课程中的虚拟任意信号发生器、信号频谱分析和虚拟幅度调制解调器等三方面的应用。学生可以通过对这些实例的学习加深所学知识点的理解，减轻学生的畏难情绪，提高学生的学习兴趣，使整个教学过程更顺利。此外，由于LabVIEW是程序框图式的编程方式，学生可以在学习过程中举一反三，自己动手编程对其他信号和系统进行分析。

参考文献：

[1] 刘百芬，张利华.信号与系统[M].北京：人民邮电出版社，2012：1-2.

[2] 沈君凤.“信号与系统”课程教学方法探索与实践[J].中国科教创新导刊，2012，2：178-180.

[3] 丹梅，陶华敏，刘忠，冯德军，周金波.信号与系统课程多媒体辅助教学的实践与思考[J].高等教育研究学报，2009，32（1）：71-73.