《信号与系统》虚拟实验研究*

何伶俐

（川北医学院 影像学系，四川 南充 637000）

《信号与系统》虚拟实验研究*

何伶俐

（川北医学院 影像学系，四川 南充 637000）

针对传统以实物为主的《信号与系统》实验中存在的各种弊端，以LabVIEW、MatLab和Multisim相结合构建了虚拟实验平台，并通过几个实例展示了其具体应用。经教学实践证明，《信号与系统》虚拟实验具有直观、形象、便于学生理解等优点，有效解决了传统实验中存在的问题，对调动学生的学习积极性和激发实验兴趣，提高实验教学质量起到了积极的作用。

信号与系统；虚拟实验；LabVIEW；MatLab；Multisim

《信号与系统》是生物医学工程专业和其他电类专业的一门非常重要的专业基础课，课程理论性强，内容较为抽象。为了让学生能更好地理解教材的内容和概念，实验教学尤为重要。传统的实验教学一般采用以实验箱为主的硬件实验，学生按照实验要求连接电路，通过示波器或频谱仪观察实验结果。这种教学方式存在一定的局限性：①有些实验如傅里叶变换、卷积等无法通过硬件电路实现；②学生只是通过简单的连接电路就能得出实验结果，对实验原理理解不够深刻；③实验箱老化和部分元件损坏等因素导致实验成功率低，严重挫伤学生的实验积极性和影响教学效果[1]。随着计算机技术及仿真工具软件的发展，虚拟实验已经成为实验教学的重要模式，它补充和完善了传统的实验教学方式，有效地解决了传统实验存在的问题[2-4]。针对《信号与系统》实验的特点，本文采用LabVIEW、Matlab和Multisim三种软件相结合，构建虚拟实验平台。

一、基于LabVIEW的虚拟实验

LabVIEW是美国国家仪器公司 (National Instruments，NI)推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境,使用这种语言编程时,基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或程序框图，将繁琐复杂的语言编程简化，省时方便，而且LabVIEW的高级分析库还提供了丰富的信号分析处理相关模块，利用它们能非常方便的构建所需要的实验平台。下面以卷积实验为例，说明LabVIEW的应用。

卷积是线性系统时域分析方法中的一种，卷积运算在测试信号处理中占用非常重要的地位，利用它可以求线性系统对任何激励信号的零状态响应，是联系信号时域-频域的一个桥梁，卷积的定义为：

从式（1）可以看出系统的输出y(t)是任意输入x(t)与系统冲击响应函数h(t)的卷积，因此利用卷积可以描述线性时不变系统的输入与输出关系[5]。

LabVIEW信号源库提供了丰富的信号源，除常见的正弦信号、方波信号、三角波信号、阶跃信号和冲击信号之外，用户还可以根据需要构建一些特殊信号。本实验提供了正弦、方波、三角波在前面板上供选择，这里选择x(t)为正弦信号。LabVIEW函数库里还提供了专门的卷积函数，将正弦信号和冲击信号送入卷积函数，在前面板上能直接看到卷积结果。通过卷积滑动杆，还可以控制整个卷积过程[6]（见图1）。采用基于LabVIEW软件的虚拟实验，能把硬件电路无法完成的卷积实验以非常直观形象的方式展示出来。

二、LabVIEW和MatLab联合仿真实验

除LabVIEW外，Matlab也是信号与系统实验常用的软件。Matlab提供的丰富的信号处理函数为信号与系统分析提供了有效手段，但是它在界面开发、仪器连接控制等方面远不如LabVIEW，因此如果将两者混合使用，则可以充分发挥各自的优势，解决实验过程中界面开发和数值分析计算等问题[7]。LabVIEW提供了Matlab Script节点，允许按照Matlab的语法编写并执行脚本，因此，LabVIEW和Matlab混合编程为学生提供了灵活的实验环境和有效的实验手段，有助于他们提高分析和解决问题的能力，更好的理解和掌握信号与系统课程的理论知识。这里以幅度调制解调实验为例说明Lab-VIEW和Matlab混合编程的方法。

图1 卷积实验

在通信系统中，为了充分利用带宽，常常需要将频率为fi的信号x(t)“搬移”到另一频率fo处，采用的方法是用频率为fo的正弦信号c(t)作为载波信号去乘x(t)，这个过程称为“调制”；当信号传输完成后，需要从已调制信号中恢复出x(t)，这时用载波信号c(t)再次去乘以调制后的信号，然后用低通滤波器滤除高频部分，就能得到x(t)，这个过程称为“解调”[8]。从图2可以非常清楚的观察到整个调制与解调过程：原始信号和载波信号均为正弦信号，信号频率可通过前面板设置，原始信号和载波信号相乘后得到调制信号DSB，采用LabVIEW提供的FFT函数对DSB做傅里叶变换后得到其频谱图，从频谱图看出，调制后信号DSB的频率被“搬移”到了载波信号的频率10kHz处，达到了调制的目的。信号传输结束后，为了恢复出原始信号，用调制后的信号DSB再次乘以载波信号c(t)得到解调信号y1，为了恢复出原始信号，对y1进行低通滤波后即可。通过这种直观的实验方式，学生更容易理解调制与解调原理。

三、LabVIEW和Multisim联合仿真实验

Multisim是NI公司推出的专门用于电路仿真和设计的电子设计自动化软件，能实现电路设计与仿真、性能分析、时序测试等功能。传统的以实验箱为主的硬件实验完全可以用Multisim虚拟实验来替代，这样学生可以从实验电路图更深刻的理解实验原理。如果涉及到相关参数计算和判别，采用LabVIEW和Multisim的联合仿真来完成，既可充分利用Multisim在电路仿真中的优势，又可利用LabVIEW在参数计算中的优势，能达到最佳的实验效果[9]。以二阶系统的时域响应为例，说明LabVIEW和Multisim联合仿真的应用。

图2 调制解调实验

首先，在Multisim 13中搭建实验电路，在电路中放置LabVIEW交互接口以实现与LabVIEW之间的数据传递，参数调整端K采用了压控电阻，通过LabVIEW输入控件可以改变电阻的阻值，如图3所示。根据电路知识[10]，很容易求出系统传递函数：

其中：T1=200kΩ×1μF=0.2s，T2=500kΩ×1μF=0.5s，K是可调的比例系数。

二阶系统标准传递函数：

比较式（2）、式（3）可得：

显然，只要改变K值，就能同时改变ωn和ξ，从而得到欠阻尼(0<ξ<1)、临界阻尼（ξ=1）和过阻尼（ξ>1)三种状态下的响应曲线，通过LabVIEW程序判断系统所处状态并在前面板上显示出来。

四、结论

教学实践证明，由LabVIEW、Matlab和Multisim构建的虚拟实验有效解决了传统实物实验教学中存在的各种问题，将一些抽象难懂的概念转变成形象直观的图形和实例，可以加深学生对理论知识的理解，对调动学生的学习积极性和激发实验兴趣，提高实验教学质量起到了积极的作用。

图3 二阶系统时域响应实验

[1]何伶俐,王宇峰,祝元仲.《电子技术基础实验》教学改革与探索[J].实验科学与技术,2014,12(4):112-113.

[2]罗文秋,赵四化.基于LabVIEW的“信号与系统”实验平台设计[J].北京印刷学院学报,2010,18(6):51-54.

[3]火元莲,齐永锋,张万鹏等.基于LabVIEW 的数字信号处理虚拟实验系统[J].西北师范大学学报 (自然科学版),2008,44(4):114-117.

[4]陈昌鑫,马英卓,代月松等.基于LabVIEW的虚拟实验系统设计[J].电子科技,2011,24(7):85-87.

[5]奥本海默.信号与系统[M].西安:西安交通大学出版社,2006.

[6]周鹏,许刚,马晓瑜等.精通 LabVIEW 信号处理[M].北京:清华大学出版社,2013.

[7]范哲意,何冰松,刘志文等.基于LabVIEW和MATLAB混合编程的信号与系统实验教学[J].实验室科学,2012,15(5):93-95.

[8]郑君里,应启珩,杨为理.信号与系统:上册(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[9]周艳,陈永建.基于LabVIEW和Multisim的虚拟电子实验系统[J].计算机系统应用,2013,22(11):70-73.

[10]李瀚荪.简明电路分析基础[M].北京:高等教育出版社,2002.

（编辑：鲁利瑞）

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1673-8454（2017）14-0094-03

四川省教育厅项目“医学院校中生物医学工程专业改革与课程体系优化”（项目编号：14-156-350）。