LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用

胡衛(wèi)軍等

摘要：針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)中概念抽象、公式繁多、學(xué)生理解困難的特點(diǎn)，通過(guò)具體實(shí)例研究了LabVIEW在任意信號(hào)產(chǎn)生、頻譜分析和幅度調(diào)制解調(diào)等方面的應(yīng)用。從而達(dá)到加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度的目的。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；教學(xué)；LabVIEW；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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，新一代互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算為代表的新信息技術(shù)正如火如荼地迅猛發(fā)展，日益受到全球矚目。而信息技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域和學(xué)科的發(fā)展，無(wú)不滲透著信號(hào)與系統(tǒng)的概念和分析方法。作為研究信號(hào)與系統(tǒng)分析的基本理論和方法的一門(mén)基礎(chǔ)課程，其重要性也日益凸顯[1]?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”作為高等院校測(cè)控、通信、計(jì)算機(jī)等電子信息類(lèi)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[2]。該課程的主要目的是使學(xué)生掌握信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念和基本分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和今后從事相關(guān)的科學(xué)技術(shù)工作打下牢固的基礎(chǔ) [3]。該課程理論性強(qiáng)，涉及微積分、工程數(shù)學(xué)等較復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理和計(jì)算；實(shí)踐性強(qiáng)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生處理工程應(yīng)用中信號(hào)處理問(wèn)題的綜合能力；系統(tǒng)性強(qiáng)，其核心概念、原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)的教學(xué)大多都要以系統(tǒng)模型出發(fā)點(diǎn)[4]。LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）近20幾年開(kāi)發(fā)出的一種圖形化的編程語(yǔ)言，這種語(yǔ)言采用流程圖方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼編程。LabVIEW 提供了大量函數(shù)，且這些函數(shù)可以被層次化無(wú)限調(diào)用。LabVIEW中運(yùn)用的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，幾乎都是技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的，因此，它是一個(gè)面向最終用戶的開(kāi)發(fā)工具，不僅能夠使用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力增強(qiáng)，而且還為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了便捷地途徑[5]。正是基于在教學(xué)中碰到的困難和問(wèn)題和LabVIEW的以上優(yōu)點(diǎn)，在此利用其通過(guò)一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明其在“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)上的應(yīng)用。

2 虛擬任意信號(hào)發(fā)生器

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程主要內(nèi)容及時(shí)是從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面對(duì)信號(hào)的定義和特征進(jìn)行分析，從而形成對(duì)由信號(hào)單元組成的系統(tǒng)進(jìn)行分析。信號(hào)與系統(tǒng)的定義及其特征分析過(guò)程均涉及較為復(fù)雜的公式及其推導(dǎo)。各種具體或一般化的信號(hào)與系統(tǒng)一般可以用數(shù)學(xué)函數(shù)，微分方程、差分方程、波形圖、系統(tǒng)框圖等來(lái)表征。通過(guò)LabVIEW編程，可以比較方便快捷地得到各種類(lèi)型的信號(hào)。虛擬任意信號(hào)發(fā)生器主要就是實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)功能。LabVIEW可以通過(guò)對(duì)公式的描述來(lái)控制信號(hào)的輸出圖形。

例如：如果要得到[f（t）=5cos（5.1πt+2）+2sin（2.1πt+3）]信號(hào)的時(shí)域波形，只需在LabVIEW建立如圖1.a所示程序框圖，就可在前面板波形圖中得到該信號(hào)的波形，如圖1.b所示。如果需要產(chǎn)生其他的信號(hào)，只需要修改程序框圖中的公式節(jié)點(diǎn)內(nèi)的公式即可。

可以看到，由于是模塊化的程序框圖編程，編程是很簡(jiǎn)單的。

3 信號(hào)頻譜分析

頻譜分析是信號(hào)與系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析的重要手段，能夠獲得信號(hào)的頻率成分。在信號(hào)處理中占有重要的地位。在LabVIEW中，可以利用 “函數(shù)-信號(hào)處理-變換”子模板或者“函數(shù)-信號(hào)處理-譜分析子模板”來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傅立葉變換和信號(hào)的頻率分析。傅立葉變換是“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的一個(gè)重要變換，也是學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難點(diǎn)之一。通過(guò)傅立葉變化可以很方便的觀察信號(hào)的頻域特征，進(jìn)行信號(hào)的頻譜計(jì)算，直觀地區(qū)分信號(hào)的頻率成分。例如對(duì)信號(hào)[f（t）=5sin（10.2πt+2）+2sin（4.2πt+3）]進(jìn)行頻譜分析，只需基于波形生成模塊和FFT模塊通過(guò)一個(gè)While循環(huán)就可以得到圖2所示該信號(hào)的頻譜。

可以明顯的看到該信號(hào)的頻率主要分布在在2.1Hz和5.1Hz。

4 幅度調(diào)制解調(diào)器

在通信系統(tǒng)中，幅度調(diào)制和解調(diào)是高頻信道傳輸?shù)皖l信號(hào)的一種常用方法。調(diào)幅（AM）利用低頻調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的振幅，從而導(dǎo)致高頻載波信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，從而將低頻調(diào)制信號(hào)調(diào)制成高頻信號(hào)在高頻信道中傳輸。幅度調(diào)制中最通常的形式是正弦幅度調(diào)制。假設(shè)低頻調(diào)制信號(hào)為[ft] ，載波信號(hào)為：

[ct=Accosωct+θc] （1）

則已調(diào)信號(hào)可以寫(xiě)為：

[?AMt=Acftcosωct+θc] （2）

在信號(hào)接收端對(duì)應(yīng)的解調(diào)方式可以采用同步解調(diào)方式。只需將已調(diào)信號(hào)再次乘以[ct]，得到：

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

將式（3）所表示的解調(diào)波通過(guò)截止頻率為[ωc]，幅度為2/[Ac]的理想低通濾波器就可以得到信號(hào)發(fā)送端的低頻信號(hào)[ft]。

為了方便討論和LabVIEW的具體實(shí)現(xiàn)，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為20000點(diǎn)，載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)均假設(shè)為正弦波，其頻率分別設(shè)置為500Hz和5Hz， 幅值分別設(shè)置為1V和5V，初始相位均設(shè)置為0。采樣頻率設(shè)為20000Hz。低通濾波器采用1階巴特沃斯低通濾波器，將其低截止頻率設(shè)置為5Hz。這樣就可以采用LabVIEW的控件進(jìn)行程序框圖和前面板的制作，如圖3所示。

在圖3（a）中，可以看到，調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是一個(gè)小型的系統(tǒng)，包括了信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的簡(jiǎn)單運(yùn)算、信號(hào)的濾波以及信號(hào)的顯示。 從圖3（b）可以直觀地看出低頻調(diào)制信號(hào)被高頻載波調(diào)制結(jié)果，以及解調(diào)信號(hào)與原低頻調(diào)制信號(hào)的差異很小。通過(guò)虛擬調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)，可以很清楚地了解信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。學(xué)生可以在此程序框圖的基礎(chǔ)上修改信號(hào)的波形類(lèi)型及其參數(shù)，以及濾波器的類(lèi)型。從而舉一反三，加深對(duì)幅度調(diào)制以及信號(hào)濾波原理和具體實(shí)現(xiàn)的理解。

5 結(jié)論

本文基于實(shí)例，重點(diǎn)研究了LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的虛擬任意信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)頻譜分析和虛擬幅度調(diào)制解調(diào)器等三方面的應(yīng)用。學(xué)生可以通過(guò)對(duì)這些實(shí)例的學(xué)習(xí)加深所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，減輕學(xué)生的畏難情緒，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程更順利。此外，由于LabVIEW是程序框圖式的編程方式，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中舉一反三，自己動(dòng)手編程對(duì)其他信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉百芬，張利華.信號(hào)與系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2012：1-2.

[2] 沈君鳳.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探索與實(shí)踐[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012，2：178-180.

[3] 丹梅，陶華敏，劉 忠，馮德軍，周金波.信號(hào)與系統(tǒng)課程多媒體輔助教學(xué)的實(shí)踐與思考[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2009，32（1）：71-73.

[4] 劉世金，許高骕，張敬泉.信號(hào)與系統(tǒng)課程的可視化仿真教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2012（3）：45-47.

[5] 周雅，王紅艷，焦曉波.LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電力教育，2010（25）：61-63.endprint

將式（3）所表示的解調(diào)波通過(guò)截止頻率為[ωc]，幅度為2/[Ac]的理想低通濾波器就可以得到信號(hào)發(fā)送端的低頻信號(hào)[ft]。

為了方便討論和LabVIEW的具體實(shí)現(xiàn)，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為20000點(diǎn)，載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)均假設(shè)為正弦波，其頻率分別設(shè)置為500Hz和5Hz， 幅值分別設(shè)置為1V和5V，初始相位均設(shè)置為0。采樣頻率設(shè)為20000Hz。低通濾波器采用1階巴特沃斯低通濾波器，將其低截止頻率設(shè)置為5Hz。這樣就可以采用LabVIEW的控件進(jìn)行程序框圖和前面板的制作，如圖3所示。

在圖3（a）中，可以看到，調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是一個(gè)小型的系統(tǒng)，包括了信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的簡(jiǎn)單運(yùn)算、信號(hào)的濾波以及信號(hào)的顯示。 從圖3（b）可以直觀地看出低頻調(diào)制信號(hào)被高頻載波調(diào)制結(jié)果，以及解調(diào)信號(hào)與原低頻調(diào)制信號(hào)的差異很小。通過(guò)虛擬調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)，可以很清楚地了解信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。學(xué)生可以在此程序框圖的基礎(chǔ)上修改信號(hào)的波形類(lèi)型及其參數(shù)，以及濾波器的類(lèi)型。從而舉一反三，加深對(duì)幅度調(diào)制以及信號(hào)濾波原理和具體實(shí)現(xiàn)的理解。

5 結(jié)論

本文基于實(shí)例，重點(diǎn)研究了LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的虛擬任意信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)頻譜分析和虛擬幅度調(diào)制解調(diào)器等三方面的應(yīng)用。學(xué)生可以通過(guò)對(duì)這些實(shí)例的學(xué)習(xí)加深所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，減輕學(xué)生的畏難情緒，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程更順利。此外，由于LabVIEW是程序框圖式的編程方式，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中舉一反三，自己動(dòng)手編程對(duì)其他信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行分析。

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[5] 周雅，王紅艷，焦曉波.LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電力教育，2010（25）：61-63.endprint

將式（3）所表示的解調(diào)波通過(guò)截止頻率為[ωc]，幅度為2/[Ac]的理想低通濾波器就可以得到信號(hào)發(fā)送端的低頻信號(hào)[ft]。

為了方便討論和LabVIEW的具體實(shí)現(xiàn)，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為20000點(diǎn)，載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)均假設(shè)為正弦波，其頻率分別設(shè)置為500Hz和5Hz， 幅值分別設(shè)置為1V和5V，初始相位均設(shè)置為0。采樣頻率設(shè)為20000Hz。低通濾波器采用1階巴特沃斯低通濾波器，將其低截止頻率設(shè)置為5Hz。這樣就可以采用LabVIEW的控件進(jìn)行程序框圖和前面板的制作，如圖3所示。

在圖3（a）中，可以看到，調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是一個(gè)小型的系統(tǒng)，包括了信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的簡(jiǎn)單運(yùn)算、信號(hào)的濾波以及信號(hào)的顯示。 從圖3（b）可以直觀地看出低頻調(diào)制信號(hào)被高頻載波調(diào)制結(jié)果，以及解調(diào)信號(hào)與原低頻調(diào)制信號(hào)的差異很小。通過(guò)虛擬調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)，可以很清楚地了解信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。學(xué)生可以在此程序框圖的基礎(chǔ)上修改信號(hào)的波形類(lèi)型及其參數(shù)，以及濾波器的類(lèi)型。從而舉一反三，加深對(duì)幅度調(diào)制以及信號(hào)濾波原理和具體實(shí)現(xiàn)的理解。

5 結(jié)論

本文基于實(shí)例，重點(diǎn)研究了LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的虛擬任意信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)頻譜分析和虛擬幅度調(diào)制解調(diào)器等三方面的應(yīng)用。學(xué)生可以通過(guò)對(duì)這些實(shí)例的學(xué)習(xí)加深所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，減輕學(xué)生的畏難情緒，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程更順利。此外，由于LabVIEW是程序框圖式的編程方式，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中舉一反三，自己動(dòng)手編程對(duì)其他信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行分析。

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[5] 周雅，王紅艷，焦曉波.LabVIEW在“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電力教育，2010（25）：61-63.endprint