虛擬儀器在數(shù)字信號處理課程中的優(yōu)勢

劉琳 陶坤

[摘要]隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學(xué)科研的重要方法和手段。利用虛擬儀器技術(shù)，可方便快速開發(fā)出圖文并茂的演示課件，將深奧的理論知識變得簡單易懂，提高學(xué)生興趣，進而提高數(shù)字信號處理課程的教學(xué)效果。本文將以FIR數(shù)字濾波器設(shè)計為例，闡述虛擬儀器在數(shù)字信號處理課程中的優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]虛擬儀器 數(shù)字信號處理 提高教學(xué)效率

一、引言

數(shù)字信號處理課程是電子信息、通信工程、計算機技術(shù)等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。隨著現(xiàn)代計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理的重要性越來越明顯[1]。但是，在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于數(shù)字信號處理這門課程是基于“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”等公式和推導(dǎo)較多的的學(xué)科，內(nèi)容比較抽象，很不容易理解，僅僅依靠Powerpoint編制的課件并不足以讓學(xué)生理解透徹，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度相當(dāng)大。課程中存在的大計算量，只能夠在計算機上實現(xiàn)，并不能讓學(xué)生們親手驗證，得不到形象化的結(jié)果，使得教學(xué)效果大打折扣。數(shù)字信號處理的實驗環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失也是不能提高教學(xué)效果的一個重要原因。然而，伴隨著虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)的普及，給數(shù)字信號處理課程的發(fā)展帶來了新的思路和巨大的變化。

二、虛擬儀器的優(yōu)勢

虛擬儀器就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。其基本思想就是在測試系統(tǒng)或儀器設(shè)計中盡可能地用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”[2]。目前常用的虛擬儀器軟件是NI提供的圖形化編程軟件LabVIEW。

虛擬儀器的教學(xué)演示界面設(shè)計簡單，利用Labview的前后面板可以很容易地實現(xiàn)既美觀又實用的程序；Labview的專業(yè)版可以將自行開發(fā)的軟件打包后，脫離虛擬儀器環(huán)境使用[3]，而且打包后的可執(zhí)行文件很小，為課堂演示提供了極大的方便；虛擬儀器的前面板提供的大量指示性控件多是三維立體的圖形，易于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本文以FIR數(shù)字濾波器窗函數(shù)法設(shè)計為例，說明虛擬儀器在實際教學(xué)中的優(yōu)勢。

三、虛擬儀器在數(shù)字信號處理課程中的優(yōu)勢

數(shù)字濾波器是用來“濾波”的，它將信號的某些頻率（頻段）的信號加以放大，而將另一些頻率（頻段）的信號加以抑制。也就是通過某種運算（變換）得到或增強所需信號，濾掉不需要的信號或噪聲、干擾。由于數(shù)字濾波器的作用，它在數(shù)字信號處理課程中非常重要。

FIR數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位[4]，這對圖像處理、視頻信號及數(shù)據(jù)信號的傳輸都是非常重要的。FIR濾波器具有任意的幅度特性，使得傳遞函數(shù)沒有極點，這在很大程度上保證了設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器是平穩(wěn)的。

采用FIR數(shù)字濾波器可以有效地對數(shù)字信號進行各種期望的處理。例如，一個采集的實際信號，從中提出不同頻率的信號分量；或者采集的實際信號含有噪聲分量，需要濾掉噪聲等。在數(shù)字信號處理課程中，為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對信號進行截斷，截斷函數(shù)成為窗函數(shù)，簡稱為窗。窗函數(shù)法的優(yōu)點是簡單，有閉合形式的公式可循，因而很實用[5]。在教學(xué)演示子系統(tǒng)中，其前面板和程序框圖分別如圖1和圖2所示。針對同一信號施加不同的窗函數(shù)，讓學(xué)生觀察頻域波形的變化，從而體會窗函數(shù)的性質(zhì)和特點。這樣動態(tài)形象的演示讓學(xué)生能感性地認(rèn)識到窗函數(shù)之間的不同，加深對窗函數(shù)理解。

在前面板中，可隨意改變窗函數(shù)的類型，窗函數(shù)的長度，濾波器的階數(shù)，隨著這些參數(shù)的改變，前面板上的波形顯示也會隨之改變，這樣直觀的感受能夠讓學(xué)生對課程的內(nèi)容更加生動形象地了解，也能夠使學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，對比只是課本和Powerpoint編制的課件的講課，虛擬儀器的技術(shù)明顯能夠提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)效率，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升老師們的教學(xué)質(zhì)量，使課程的教學(xué)進度能夠高質(zhì)量、高速度地進行下去。

四、結(jié)論

虛擬儀器技術(shù)具有開放性和靈活性等特點，特別適合教學(xué)。通過LabVIEW軟件利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器，圖形化的編程，動態(tài)的演示結(jié)果，使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會和理解數(shù)字信號處理結(jié)果，可以讓學(xué)生更清晰透徹地明白教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強教師教學(xué)效率，推進教學(xué)進度。純軟件的教學(xué)也降低了實驗設(shè)備的投資，使得教學(xué)成本更加經(jīng)濟。在以后的教學(xué)中，數(shù)字信號處理課程與虛擬儀器相結(jié)合，能夠克服越來越多的教學(xué)難關(guān)，使得教學(xué)任務(wù)能夠更好地完成，教學(xué)效率能夠得到更大地提高。

基金項目：重慶郵電大學(xué)教改項目（XJG1415）、重慶市高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目（1203041）

[參考文獻]

[1]汪西原.“數(shù)字信號處理”課程實踐教學(xué)改革的探索[J].高等理科教育.2005（5）：99-102.

[2]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]張剛毅.虛擬儀器技術(shù)介紹[J].國外電子測量技術(shù)，2006，25，（6）：1-6.

[4]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[5]王建行，姚齊國，劉玉良等.基于窗函數(shù)的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計[J].吉首大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，（1）.

（作者單位：重慶郵電大學(xué) 自動化學(xué)院 重慶）