基于LabVIEW的信號與系統(tǒng)虛擬實驗平臺的設計

李 琦，陳玲玲，2*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 130022；2吉林大學 計算機學院 信息科學重點實驗室，吉林 長春 130012)

“信號與系統(tǒng)”是通信工程、電子信息工程、自動化等電子信息類專業(yè)的一門核心課程，同時也是通信與信息系統(tǒng)和信號與信息處理學科的碩士研究生入學考試的必考課程[1,2]。本課程涉及的內容有信號分析、連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)的時域和頻域分析、傅里葉變換、拉普拉斯變換及Z變換等[3,4]，概念比較抽象，數學運算比較繁瑣，而且分析結果缺乏直觀的展示，學生很難理解所得結果在信號處理中的實際應用[5,6]。因此它具有理論嚴謹、系統(tǒng)性強，難于理解的特點。然而僅僅利用課內實驗的這種方式展現課程內容，恐怕學生接受起來過于困難。而LabVIEW[7]是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，具有先進、靈活、可視化的特點，通過信號處理模塊提供信號與系統(tǒng)的分析、設計與實現函數，恰恰提供了易于理解信號與系統(tǒng)這門課程的平臺。因此本文正是基于LabVIEW語言的特點[8]，搭建一個信號與系統(tǒng)可視化實驗平臺，使得教學和實驗過程直觀易懂，具有良好操作性。與數字通信原理實驗平臺[9]和數字信號處理實驗平臺[10]相比，實驗原理更容易理解，實際界面更容易操作，人機界面具有交互性。因此，此實驗平臺可以更加形象地展示信號與系統(tǒng)課程。

一、整體設計

根據信號與系統(tǒng)課程大綱要求及實驗學分的限定，本實驗平臺結合實際，利用LabVIEW自上而下的設計思想，構建出整個實驗平臺的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，該結構是系統(tǒng)總的設計原則。然后設置信號與系統(tǒng)實驗模塊，分成三個層級，其中包括初級型實驗、中級型實驗、高級型實驗，其中初級型實驗有基本信號的生成、公式設定信號的生成和模擬信號的抽樣與頻譜分析，中級型實驗有周期信號的時域特性、驗證卷積結合率實驗和連續(xù)信號卷積實驗，高級型實驗有FFT實驗、使用FFT分析信號幅度譜和相位譜和帶通濾波器實驗。并且利用LabVIEW分別實現其子模塊，同時設置開始、停止、退出三個按鈕構成主界面。最后利用vi程序實現各個子實驗模塊的整體鏈接，構成可視化易操作的實驗平臺。

(一) 虛擬實驗平臺的系統(tǒng)結構圖

虛擬實驗平臺結構如圖1所示。

圖1 虛擬實驗平臺的系統(tǒng)結構圖

(二) 程序內部模塊生成

利用LabVIEW的圖形化編程語言，對信號與系統(tǒng)實驗進行編程設計，直觀展示實驗效果。下面就以“基本信號的生成”、“模擬信號的抽樣與頻譜分析”、“周期信號的時域特性”、“驗證卷積結合率”、“FFT變換”以及“使用FFT分析信號幅度譜和相位譜”六個實驗為例描述程序模塊的設計。

1.基本信號的生成

在信號與系統(tǒng)中，一些基本的波形信號常被變換、處理。本節(jié)使用LabVIEW實現波形可視化，并且通過修改信號的幅值、相位、頻率、方波占空比、偏移量、信號、類型、采樣點數以及采樣率對波形進行修改。具體設計步驟如下：

新建“基本信號的生成.vi”，添加一個While循環(huán)結構，以便連續(xù)地生成和觀察信號的波形。在循環(huán)結構中添加一個“基本函數發(fā)生器.vi”，并在前面板中添加相應的輸入控件和輸出波形。設置輸入參數為：信號類型sine、幅度1、頻率10、方波占空比50、采樣率1 000、采樣點數1 000?！盎拘盘柕纳?vi”的程序框圖和前面板如圖2和3所示。

圖2 “基本信號的生成.vi”的程序框圖

圖3 “基本信號的生成.vi”的前面板

2.模擬信號的抽樣與頻譜分析

信號的抽樣就是從連續(xù)信號中抽取信號樣本，構成離散時間序列。如果信號滿足抽樣定理，那么就可以通過抽樣信號恢復出原始連續(xù)時間信號。頻譜分析的目的是將復雜的混合信號分解為簡單的信號。具體設計步驟如下：

新建“模擬信號抽樣和頻譜分析.vi”，在程序框圖中添加基于持續(xù)時間的信號發(fā)生器，設定信號的采樣點數為1 000，幅值1，頻率5，采樣率1 000。在前面板上添加波形圖顯示信號。添加頻譜分析.vi，其屬性設置為：頻譜測量為幅度(峰值)，選擇Hanning窗。在前面板中添加波形圖觀察幅度。本實驗采用While結構，可以持續(xù)觀察實驗?！澳M信號的抽樣與頻譜分析.vi”的程序框圖和前面板如圖4和5所示。

圖4 “模擬信號的抽樣與頻譜分析.vi”的程序框圖

圖5 “模擬信號的抽樣與頻譜分析.vi”的前面板

3.周期信號的時域特性

在連續(xù)的信號中疊加高斯白噪聲通過顯示控件，不僅可以觀察到信號周期、脈沖時長、占空比等周期特性，還可以觀測到幅值、高低電平等時域特性。具體設計步驟如下：

新建“周期信號的時域特性.vi”，添加一個While循環(huán)結構，以便連續(xù)地生成和觀察信號波形。在While循環(huán)結構中添加一個“正弦波波形.vi”和“高斯白噪聲.vi”，生成一個疊加高斯白噪聲的正弦波波形。在程序框圖中添加“脈沖測量.vi”與“幅值和電平.vi”，建立相應的輸入控件和顯示控件，并設置參數：幅值10，頻率10，采樣點數1 000，采樣率1 000，噪聲標準差1?！爸芷谛盘柕臅r域特性.vi”的程序框圖和前面板如圖6和7所示。

圖6 “周期信號的時域特性.vi”的程序框圖

圖7 “周期信號的時域特性.vi”的前面板

4.驗證卷積結合律

作為連續(xù)信號與系統(tǒng)時域分析法的基本手段，卷積用于求解系統(tǒng)零狀態(tài)響應，在求解微分方程時避免待定常數等復雜問題。連續(xù)信號f1(t)和f2(t)的卷積運算如公式(1)所示：

(1)

具體設計步驟如下：

新建“驗證卷積結合律.vi，在程序框圖中添加一個“Chirp信號.vi”、一個“方波.vi”和一個“斜坡信號.vi”，分別用來生成三個離散的時間序列：x(n)生成線性調頻信號，h1(n)生成方波信號，h2(n)生成斜坡信號?！膀炞C卷積結合律.vi”的程序框圖和前面板如圖8和9所示。

圖8 “驗證卷積結合律.vi”的程序框圖

圖9 “驗證卷積結合律.vi”的前面板

5.FFT變換

傅里葉變換是頻域分析的基礎，其基本思想是將信號從時域映射到頻域，從而將信號的幅度和相位兩個方面的信息在頻域展示出來。信號f(t)的傅里葉變換如公式(2)所示：

(2)

具體設計步驟如下：

新建“FFT變換.vi”，添加一個While循環(huán)結構，以便連續(xù)地生成和觀察波形。在While循環(huán)結構中添加一個正弦信號.vi、高斯白噪聲.vi和巴特沃茲濾波器.vi。添加FFT.vi和濾波器，在前面板上添加響應的控件和波形圖，設置參數為采樣率為500、幅值1、周期5、采樣率2為1 000、采樣率3為1 000、高截止頻率2 000、低截止頻率為500。實驗前面板顯示和程序面板分別如圖10和11所示。

圖10 “FFT變換.vi”的程序框圖

圖11 “FFT變換.vi”的前面板

6.使用FFT分析信號幅度譜和相位譜

新建“使用FFT分析信號幅度譜和相位譜.vi”,在程序框圖中添加一個混合單頻與噪聲波形vi用來生成兩個不同頻率、幅值和初相位的正弦波疊加信號并設定參數為，正弦波A：頻率100 Hz，幅值1，初相位90；正弦波B：頻率300 Hz，幅值2，初相位0.還要疊加均方根值為1的白噪聲信號。添加“FFT頻譜(幅度—相位).vi”，使用Hanning窗分析生成的原始信號。

圖12 “使用FFT分析信號幅度譜和相位譜.vi”的程序框圖

圖13 “使用FFT分析信號幅度譜和相位譜.vi”的前面板

(三) 人機界面

在完成所有實驗子模塊設計后，按照初級型、中級型以及高級型三種類型實驗進行分類，并整合到一個界面上。點擊相應的實驗項目菜單進行實驗，實驗完成后點擊停止按鈕就可以結束本次實驗，這樣方便了教師、學生使用和查看各個實驗模塊的功能。人機界面如圖14所示。

圖14 實驗臺前面板

二、結 語

信號與系統(tǒng)實驗平臺的設計方案利用LabVIEW圖形化編程語言構建了信號與系統(tǒng)實驗平臺。該平臺具有較強的信號與系統(tǒng)分析功能，具有簡單、直觀、人機交互易操作等特點，同時不僅方便了學生和教師，還節(jié)省了實際的實驗教學成本。而且能使學生能直觀地領會和理解“信號與系統(tǒng)”課程中的基本原理，從而可以提高學生的學習積極性和實驗教學效果。