工程教育认证背景下的信号与系统虚拟实验教学平台的研究

魏晓娟

摘要：在我国高等教育工程认证中，实验教学是认证专家考量学生是否能够达到毕业要求的重要依据。“信号与系统”课程理论性较强，学生经过学习普遍反映较枯燥并难理解，且无法将课堂上所学的理论知识转化为实际应用。

关键词：信号与系统;工程认证;研究与实践

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）38-0274-02

工程教育专业认证（以下简称“工程认证”）是近年来国内高等工程教育面临的一项重要工作，其核心是确认工科专业毕业生是否达到行业认可的质量标准，强调高等工程教育以培养目标和毕业出口要求为导向，要求专业课程体系设置与课程教学、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力培养这一核心任务展开[1-2]。在这个背景下，面向工程认证的要求，加强专业课程教育对学生能力的培养，成为高等工程教育中专业课程建设与教学的主要任务和目标。“信号与系统”是电子信息类专业的核心基础必修课，理论性较强，学生普遍感觉公式多，难理解。所以实验教学对信号与系统课程的教学尤为重要，是其理论教学的延伸。从实验条件来看，以本校信号与系统实验室为例，《信号与系统》实验室由于实验仪器使用年限较长，部分芯片已经老化，并且每学期至少有12个班级在同一个实验室做实验，导致部分实验仪器经常性损坏，而且长期下来部分实验仪器的实验结果与理论误差相差太大，准确性不高。由于LabVIEW是一种图形化编程语言和开发环境，利用LabVIEW软件可以编写出界面美观、功能强大的程序，图形化编程语言具有形象、生动等特点，初学者很容易入门[3]。

一、虚拟实验平台的设计构思

本文开发了一个基于LabVIEW的信號与系统的虚拟实验平台，信号与系统的虚拟实验平台主要包含了五个功能模块，分别是波形发生器、波形的分解与合成、时域分析、频谱分析和数字滤波器，同时还有虚拟实验平台的主界面设计。波形发生器模块有方波、正弦波、混合单频信号和公式输入波等波形的产生，同时可以调节相关波形的幅度和频率等。波形的合成与分解模块，可以看到分解的各次谐波的频率和幅度。信号的时域分析模块，在虚拟实验平台上可以显示信号波形，同时可以显示频率、最大最小值、均方根等波形特征参数值。频谱分析模块，利用虚拟发生器产生信号加噪、滤波处理，再对信号进行加窗处理，最后对信号进行频域分析，经过FFT变换得到相位谱、功率谱和幅度谱。数字滤波器模块主要是对所分析与处理的信号进行滤波，提供了Butterworth，Bessel等滤波器。

二、虚拟实验平台的应用实例

以波形的分解与合成实验为例，设计的虚拟实验平台可以分解虚拟波形发生器中的所有波形。波形分解与合成的信号来源于虚拟实验平台的波形发生器，波形发生器能够产生输入公式波、正弦波等基本波形，则波形的分解与合成模块就能分解这些波形，还可以选择是否添加白噪声。

1.波形的分解与合成设计原理。任何信号波形都可以由各种不同频率、初相和幅度的正弦波叠加而成。

奇次谐波周期方波对称信号展开其傅里叶正弦级数为：

它只含有一、三、五等奇次谐波分量。合成的谐波次数越多越接近原始的周期信号，近似度越高，理论上是可以合成原信号的。用均方误差来表示这种近似度，通常随着谐波次数的增加，均方误差越来越小，合成的周期信号越接近原信号。有限项级数接近f（t）引起的均方误差，可以得到的均方误差的式子形式为：

从公式（3）到（5）可以看出来，合成的波形随着谐波的增加就越接近原信号。随着谐波的阶数增加波峰越靠近间断点，但是不影响波峰的幅度。无论合成谐波的阶数如何增加，都不能完全还原原信号，我们称这种现象为吉布斯现象。

2.前面板和程序框图设计。波形的分解与合成的前面板设计，在前面板中主要有波形显示控件，通过波形显示控件能够观察相关波形的分解与合成。虚拟实验平台的波形分解与合成的信号来源于波形发生器，它可以分解波形发生器中的波形，即分解方波、锯齿波等。设计采用多维数组数据运算、复合运算函数和正弦波VI，利用正弦波VI产生含有正弦波的波形，利用复合运算函数能将6个波形进行复合，产生合成波形。信号通过虚拟信号发生器经过滤波获得，设置参数，进行信号分析，对波形进行分解后合成，最后在波形显示控件上显示。

三、实例测试

根据波形分解与合成的原理设计了波形分解与合成的演示实验。方波的分解与合成测试实验，其信号发生器产生的信号参数为频率10，幅度1，占空比50%，不添加噪声，波形为方波。分解图主要包含了基波、三次谐波、五次谐波和七次谐波等波形，合成图参数：频率10，幅度1，占空比50%。方波信号的分解与合成如图1所示。

从图1波形来分析，产生的分解波和合成波与信号与系统的实验结果一致，满足方波的分解与合成实验需求。从以上非正弦信号谐波以及谐波的合成与原波形的比较可以得出：随着傅里叶级数项增加，合成方波与原始方波的误差越来越小，但在信号的跳变点附近，存在着过冲现象。

本虚拟实验平台建设以提高教学质量为核心目标，培养综合型人才为目的，加强理论与实际的联系，注重实践教学，着重提高学生的综合应用能力。从实验教学需求、教学知识点分布及学生操作体验出发，使该虚拟实验平台实现交互式、虚拟实验教学系统，最终提高学生对该课程的学习兴趣。

参考文献：

[1]胡文龙.工程专业认证背景下的高校教师教学发展[J].高等工程教育研究，2015，（01）：73-78.

[2]顾晓薇，王青，邱景平，胥孝川，张春明.工程教育认证“毕业要求”达成度的认识与思考[J].教育教学论坛，2016，（14）：24-26.

[3]杨乐平，李海涛，赵勇.LabVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003.

Research on Virtual Experiment Teaching Platform of Signal and System under the Background of Engineering Education Certification

WEI Xiao-juan

（Electrical Engineering College，Northwest University for Nationalities，Lanzhou，Gansu 730124，China）

Abstract：In the certification of higher education engineering in our country，experimental teaching is an important basis for certified experts to consider whether students can meet the graduation requirements.The course of signal and system is more theoretical，students generally reflect the boring and difficult to understand，and can not transform the theoretical knowledge learned in the classroom into practical application.

Key words：signal and system;engineering certification;research and practice