基于LabVIEW的数字信号平均实验的仿真设计及其在远程教学中的运用

朱琳琳，黄翼天，丁格曼

(华南师范大学 物理与电信工程学院 物理学科基础课实验教学示范中心,广东 广州 510006)

平均技术是微弱信号检测的常见手段之一[1]。按照信号处理方式的不同，平均技术可以分为采用模拟电路的取样积分和采用计算机处理的数字信号平均两种方式[2]。目前数字信号平均技术在许多专有的设备(例如脉冲式核磁共振谱仪)中应用广泛，但相关教学实验仍较少，实验波形较难获得。本文借助LabVIEW程序再现数字信号平均实验过程，并借助TCP网络通信实现双机交互的虚拟实验系统。虚拟实验效果与真实实验相一致，实验简便灵活，可操作性强。

1 实验原理

1.1 数字信号平均实验原理

噪声是限制信号检测的因素，通常指的是干扰测量信号的各种电扰动。噪声通常都是随机的，而信号却是有规律的，能够重复的[2]。当噪声与信号叠加在一起，会对信号造成干扰，使信号失真。而信号取样平均技术[1]能够抑制噪声的干扰，取样在叠加中有用的信号，在多次取样积累后，能够有效进行降噪操作。信噪比(SNR)能够反映噪声对信号的影响程度，其一般定义为信号与噪声的平均功率之比[3]，即幅度的平方比。经过处理后的信噪比改善值可用SNIR表示[3]。设置信号为周期信号S(t)，噪声为N(t)，两者叠加后的结果为被测信号f(t)，则：

f(t)=S(t)+N(t)

在实验中，对于被测信号f(t)采用多点平均方法，每隔时间T取样一次，经过m次的重复后，第k点信号的积累值为：

1.2 TCP通信

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是一个面向连接的协议[4]。它采用网络服务器端和客户端的方式(即 C/S 模式)进行通信。其通信流程如图1所示[5]，首先，服务器通过主机名或IP地址、端口号建立侦听，等待客户连接；随后，客户端根据主机的IP地址和端口号发出连接请求，创建好服务器与客户端的链接；待连接后，通过读写函数(只接收/发送字符串类型数据)即可进行TCP数据通信；通信完毕后，两端通过“关闭TCP连接”函数来断开连接[6]。

图1 基于C/S模式的TCP连接

2 远程仿真系统设计

2.1 装置面板设计

如图2所示，学生端面板4个波形图分别可显示信号波形、噪声波形，信号与噪声叠加的初始波形以及叠加平均后的实验波形。程序运行后，点击“实时显示/静止”开关使绿灯亮起，即可开始实时显示叠加平均实验结果的图像，并且实验过程中该开关可以控制图像的实时显示与静止，方便实验者观察实验结果与截图保存。参数设置面板中可以调节众多信号与噪声初始参数以及实验条件，以进行不同目的的数字信号平均实验。如信号类型可选择“正弦波”“方波”等，噪声类型可选择“均匀白噪声”“高斯白噪声等，当噪声类型为“均匀白噪声”时，可以调节初始信噪比(一般小于1，表明待提取的信号较为微弱)。

图2 学生端面板设计

2.2 程序设计

远程仿真实验系统由学生端和实验端两部分组成。学生端即为TCP通信中的客户端，用户可以在学生端输入实验的参数和条件，如信号与噪声的类型、累加次数等，即可观察实验波形；实验端即为TCP通信中的服务器，与学生端连接后，便根据用户在学生端输入的数据进行实验，并将实验结果回传至学生端，此时学生端便可以接收到经过累加平均后得到的波形。由于服务器可以一对多地传输数据，故实验端可以连接多个学生端，使多个用户可以同时进行远程实验，增强实验的灵活性。

学生端和实验端程序设计如图3、图4所示。由程序设计可知，在学生端中将所有参数设置的输入控件组成簇，将其通过“平化至JSON”函数控件转化为字符串[7]写入TCP，再在实验端中通过读取这些输入数据形成波形，进行累加平均的实验；在实验端中提取累加平均后的波形数据转化为字符串写入TCP，再在学生端中读取波形数据，并将实验结果图像同步回到学生端供用户观察。另外，程序中也灵活运用了条件循环，用以生成不同种类的信号与噪声波形，以及控制学生端中结果图像的实时显示和静止。

图3 学生端程序设计

图4 实验端程序设计

3 仿真实验及其结果

在数字信号平均实验中，学生可通过访问基于LabVIEW搭建的程序系统，完成三个基本实验的观察：观察信号与噪声的波形、累加次数对降噪效果的影响、初始信噪比对降噪效果影响。

3.1 观察信号与噪声的波形

①首先打开vi文件，输入地址(在本机内运行的地址可输入localhost)和端口名称(一般大于1 024)，分别点击学生端、实验端页面的运行程序指令。

②设置参数如表1。设置信号初始幅度大于0，例如0.4 V时，占信号波形显示的2/3，频率为整数，例如5 Hz；相位任意；累加次数为1 024，初始信噪比为0.01，按下实验结果图的“实时显示/静止”按钮，即可得到相关的实验波形结果。

表1 实验一基本参数

③观察不同信号与噪声的波形。保持其他基本参数不变，在信号类型中，自由选择“正弦波、方波、三角波、锯齿波”选项，在噪声类型中，自由选择“均匀白噪声、高斯白噪声、伽马噪声、泊松噪声”选项。

④点击程序运行指令，即可观察信号波形、噪声波形、信号+噪声波形，以及通过数字信号平均实验处理后的实验结果图。现以“方波+均匀白噪声”为例，展示实验结果，如图5。

图5 “方波+均匀白噪声”的信号、噪声以及叠加波形图

3.2 累加次数对降噪效果的影响。

在实验一的基础上，如表2分别选取合适的参数，再改变累加次数，如图6所示，累加次数1次、4次、64次、1 024次的实验结果中可以看出：在累加次数比较小时，比如1～64次之间，降噪效果好，而在累加次数比较大时，降噪效果不明显。当累加次数达到1 024次时，实验结果的波形已经较为光滑，达到降噪的基本要求。

表2 实验二基本参数示例

图6 改变累加次数“锯齿波”+“高斯白噪声”的实验结果

3.3 初始信噪比对降噪效果影响

在实验一的基础上，如表3所示分别选取合适的参数，设置初始信噪比分别为0.001、0.01、0.1、1，观察实验结果。以信号类型“正弦波”，噪声类型“均匀白噪声”为例，实验结果如图7所示。当初始信噪比在0-1之间，随着初始信噪比的增大，降噪效果越来越明显，但是在初始信噪比大于10后，此时信号大于噪声，不符合微弱信号的要求，不宜采用数字信号平均技术进行降噪。

表3 实验三基本参数示例

图7 “正弦波”+“均匀白噪声”在不同信噪比下的实验结果

4 结束语

文章利用LabVIEW程序与TCP网络通信对数字信号平均实验进行仿真模拟，同时在远程实验教学方面做出探索，可以模拟真实实验中的各个实验步骤，并且得到清晰的实验结果。通过对累加次数及初始信噪比的调节，有助于学生对信号与噪声的关系及对累加平均降噪这一方法的理解。整体上虚拟实验效果与真实实验相一致，实验简便，可操作性强，可以辅助学生进行实验的预习、学习与复习等；同时远程实验可以突破时空的限制，让实验教学更为高效。此外，虚拟仿真实验的实用性、真实性、拓展性等仍需进一步研究和突破。