基于LabVIEW的“數(shù)字信號處理”課程輔助教學的研究*

李玉平 陳勉舟

(1湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北黃石435003;2湖北理工學院機電工程學院，湖北黃石435003)

“數(shù)字信號處理”是電子信息工程專業(yè)的核心課程，該課程概念抽象，理論性強，算法的推導和證明比較繁瑣［1］。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理課程教學中理論教學和實驗部分分開進行。教師在教室內講授抽象的理論知識，學生很難對相關知識點留下深刻的印象，更談不上達到學以致用的能力。因此，迫切需要改變傳統(tǒng)的教學模式。

湖北理工學院電氣與電子信息工程學院對電子信息工程專業(yè)的部分理論性強和實踐應用要求高的專業(yè)課已打破了傳統(tǒng)的教學模式，采用“理論課進實驗室”的教學手段，即在實驗室講授理論課程，先用黑板或多媒體技術講授理論知識，然后教師通過實驗設備或者仿真軟件對該知識點進行實驗演示，并且盡可能給學生提供實際動手操作的條件。這樣通過教師理論講授與實驗演示，并結合學生自己動手操作，可使本來抽象難懂的知識簡單化，提高了學生的實踐能力。但是傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理實驗設備一般比較昂貴，實驗室購置的臺套數(shù)往往不能滿足大量學生同時使用的要求，而由美國國家儀器公司推出的LabVIEW 軟件功能強大，因此，可以通過該軟件模擬硬件功能達到實驗的目的。本文對LabVIEW 在數(shù)字信號處理中輔助教學的應用進行了研究。

1 LabVIEW 開發(fā)平臺簡介

傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理實驗設備有2 種:第1 種是專用的實驗模塊，該實驗模塊由硬件和固化的軟件組成，儀器功能由生產(chǎn)廠家來定義并制造，因此傳統(tǒng)儀器設計復雜、靈活性差，儀器成本高。第2 種是采用數(shù)字信號處理器為核心器件，并通過外圍電路擴展和特定軟件設計來實現(xiàn)，但是因為數(shù)字信號處理器結構復雜，掌握比較困難。為了克服傳統(tǒng)儀器的缺點，虛擬儀器技術應運而生并得到了越來越廣泛的應用，虛擬儀器在以計算機為核心的硬件平臺上，通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融為一體，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理。

常見的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境為NI 公司研制開發(fā)的LabVIEW，它類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言G 編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式［2］。因此，LabVIEW 具有簡單易學的特點，它已廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的信號采集處理和儀器控制軟件。在高校教學中，使用LabVIEW進行軟件仿真，就可以達到與傳統(tǒng)實驗儀器相同的教學效果，使學生不會因為缺少實驗設備而失去實踐的機會［3－4］。

2 LabVIEW 的數(shù)字信號處理仿真實例

“數(shù)字濾波”是“數(shù)字信號處理”課程的重點，也是難點內容。因此，本文以FIR 數(shù)字濾波的工作原理和設計與實現(xiàn)為例，說明Lab-VIEW 實驗仿真在教學中的應用。

2.1 FIR 的工作原理

數(shù)字濾波是將輸入的信號序列，按規(guī)定的算法進行處理，從而得到所期望的輸出序列。一個線性位移不變系統(tǒng)(FIR)的輸出序列y(n)和輸入序列x(n)之間的關系，滿足常系數(shù)線性差分方程如式(1)所示。FIR 濾波器具有線性相位特性，是一種無條件穩(wěn)定系統(tǒng)［5］。

由式(1)可知濾波器設計的核心就是確定濾波器的系數(shù)，確定系數(shù)最常用的方法就是采用有限項傅氏級數(shù)來逼近所要求的濾波器響應的方法設計FIR 濾波器，表達式如式(2)所示。

(θ = f/fs為歸一化頻率，fs為采樣頻率，ωT =2πf/fs=2θπ)

系數(shù)Cn的選擇可在最小均方誤差的條件下，使傳遞函數(shù)H(z)逼近Hd(θ)來決定，表達式如式(3)所示。

設Hd(θ)為偶函數(shù)，表達式如式(4)所示。

且C－n=Cn

理想的傳遞函數(shù)Hd(θ)有無限多個系數(shù)Cn，而實際的濾波器的系數(shù)只能有有限多個。因此，可以將式(2)中的無限項級數(shù)進行截取，得到近似的傳遞函數(shù)如式(5)所示。

近似傳遞函數(shù)的沖激響應是由一系列的系數(shù)來決定:C－Q、C－Q+1、…、C－1、C0、…、CQ－1、CQ，其中bi與Cn之間有如下關系:

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 中的設計與實現(xiàn)

FIR 濾波器設計就是根據(jù)實際信號的采樣頻率、截止頻率和頻譜分析得到的信號特點，選擇窗函數(shù)和濾波器的系數(shù)。LabVIEW 的編程環(huán)境包括前面板和后面板。在本例中采用的是頻率為500 Hz，幅值為100 且加入了高斯噪聲的正弦波信號作為原始信號，根據(jù)采樣定理，當時間信號函數(shù)f(t)的最高頻率分量為fM時，f(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于1/2fM的采樣值來確定，即采樣點的重復頻率f ≥2fM。而本例中fM= 500 Hz，因此，結合實際信號的特點，選擇FIR 濾波器的采樣頻率為2 kHz，截止頻率為100 Hz。FIR 在LabVIEW中的濾波結果見前面板圖1，程序見后面板圖2。在前、后面板上修改采樣頻率和截止頻率可改變?yōu)V波器的性能，也可選擇不同的信號觀察濾波效果。

圖1 前面板FIR 濾波結果

圖2 后面板程序

從圖1 中可以看出原始信號中的高撕噪聲被濾除，保留了正弦信號，達到了良好的濾波效果。通過以上方法，根據(jù)采樣定理和原始信號的特點，選擇合適的采樣頻率和截止頻率，可以濾除原始信號中的噪聲。

3 LabVIEW 仿真實驗的教學應用

3.1 LabVIEW 仿真實驗的教學方式

以上只是“數(shù)字信號處理”課程中FIR 在LabVIEW 中的設計與實現(xiàn)的一個實例，電子信息工程專業(yè)的專業(yè)課程基本上都可以通過LabVIEW 仿真，課堂教學可以根據(jù)不同教學內容的特點、學生的基礎及教學體系的結構安排采用以下3 種教學方式:

1)首先由教師通過黑板或者多媒體技術講授理論知識，然后由教師演示已構建好的該知識點的仿真系統(tǒng)，通過修改參數(shù)，觀察結果的變化，啟發(fā)學生思考。這種方式在多媒體教室就可完成，并且適合理論知識不是很抽象，學時分配較少的課程。

2)采用“理論課進實驗室”的教學方式，即在實驗室里講授理論課程，先用黑板或多媒體技術講授理論知識，然后教師通過實驗設備或者仿真軟件對該知識點進行實驗演示，并且盡可能給學生提供現(xiàn)場實際動手操作的條件。這樣通過教師理論講授和實驗演示，學生自己動手操作，使原本抽象難懂的知識簡單化了，達到了學以致用的效果。這種方式在虛擬實驗室中進行，至少要保證1～2 名同學有虛擬儀器。適合實踐性要求高，學時分配較多的課程。

3)可通過課程設計或者畢業(yè)設計的方式，教師提供給學生設計要求和相關資料，由學生對所學的理論知識在LabVIEW 中仿真，遇到問題由教師講解，并且結合課程內容，給出設計報告。這種方式適合教學安排比較集中的實踐課程。

3.2 仿真實驗的教學效果

在傳統(tǒng)教學中，由于沒有使用LabVIEW仿真軟件進行輔助教學，教師通過黑板進行講解很辛苦，學生學的也很吃力。甚至部分學生學完了該門課程仍然沒有理解重點和難點，更別說學以致用了。把LabVIEW 引入教學后，理論與實踐結合到了一起，取得了良好的教學效果，具體體現(xiàn)在以下2 個方面:

1)在“教”方面，通過LabVIEW 的輔助教學，給教師提供了豐富多樣的教學手段，也加強了師生的互動，讓教師能及時了解學生對所學內容的掌握情況，可以及時調整教學手段和學時分配。

2)在“學”方面，通過LabVIEW 的輔助教學，豐富并完善了課程實驗內容，加深了學生對所學知識的理解，降低了對實驗儀器的需求，提高了學生的綜合應用與實踐能力。

4 結束語

本文結合電子信息工程專業(yè)的教學實際，采用“理論課進實驗室”的教學手段和LabVIEW的輔助教學方式，深受師生喜歡。在筆者采用該方式為期1年的教學中，深深感受到了和傳統(tǒng)教學模式相比學生應用能力的提高。這樣的教學模式增強了學生對基本知識和基本理論的理解和掌握，同時調動了學生的學習積極性，更提高了學生將理論與實踐相結合的能力。

［1］劉婷，孫云山，張立毅.數(shù)字信號處理課程的教學初探［J］.太原理工大學學報，2006，24(12):88－94

［2］黃松齡，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程［M］.北京:清華大學出版社，2008:65－69

［3］楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設計與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001:1－4

［4］連海洲，趙英俊.基于LabVIEW 技術的虛擬儀器系統(tǒng)［J］.自動化博覽，2001，18(3):21－23

［5］丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2001:65－69