數(shù)字信號處理遠(yuǎn)程實驗平臺的構(gòu)建

王園園，李婧祺，何雄

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

“數(shù)字信號處理”課程是電子類專業(yè)的一門理論性較強的專業(yè)課，數(shù)字信號處理包含了很多抽象的概念和理論，很多結(jié)論的推導(dǎo)涉及到大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，學(xué)生聽起來枯燥無味，理解和掌握起來有一定難度。1989 年美國弗吉尼亞大學(xué)將綜合不同工具和信息的網(wǎng)絡(luò)化集成環(huán)境定義為虛擬實驗室，美國田納西州的查塔努加大學(xué)分校的網(wǎng)上工程實驗室設(shè)計了很多遠(yuǎn)程控制實驗，包括壓力控制、溫度控制以及速度控制實驗等，密歇根大學(xué)建立了一個基于網(wǎng)頁的電子遠(yuǎn)程連線實驗室[1-2]。從1998 年開始，西安交通大學(xué)電氣學(xué)院就開始了虛擬儀器與教學(xué)結(jié)合的教育手法，并于2001 年采用瀏覽器與服務(wù)器的組網(wǎng)模式，建立了基于 Web 的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。目前，各大高校都開始了虛擬儀器實驗室技術(shù)的研究，而且效果顯著[3-4]。因此對數(shù)字信號處理課程中的實驗進行網(wǎng)絡(luò)虛擬化有著非常重要的意義。

1 遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺

數(shù)字信號虛擬實驗室包括Web 服務(wù)器和客戶端兩部分。軟件框圖見圖1，其中Web服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心部分。用戶可以通過 Web 服務(wù)器訪問LabVIEW 平臺下的虛擬仿真實驗平臺，進行實驗操作，獲取實驗結(jié)果[1-2]。LabVIEW 提供了非常簡便的方式，可以輕松控制遠(yuǎn)程計算機上的程序，通過遠(yuǎn)程前面板和WEB 發(fā)布。遠(yuǎn)程前面板要求服務(wù)器和客戶端都必須安裝相同版本的LabVIEW 開發(fā)軟件，而WEB 發(fā)布功能可以讓一臺計算機像瀏覽網(wǎng)頁一樣查看和控制運行在另一臺計算機上的 VI。

在服務(wù)器上，選擇LabVIEW“工具→WEB發(fā)布工具”菜單項，在彈出的“WEB 發(fā)布工具”的配置對話框上選取需要發(fā)布的VI，并啟動WEB 服務(wù)器，然后按照提示生成一個WEB 發(fā)布的 VI，LabVIEW 為這個 VI 生成一個 html 文件，放置在WEB 服務(wù)器的根目錄下[5]。只要網(wǎng)絡(luò)上的其他計算機打開網(wǎng)頁瀏覽器，輸入作為WEB服務(wù)器的計算機名或IP 地址即可進行訪問。在使用WEB 服務(wù)時，客戶機把需要調(diào)用的功能、所需要的參數(shù)傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器對其進行處理后把運行功能得到的結(jié)果再返回給客戶機。其中程序以超文本傳輸控制協(xié)議（HTTP）為基礎(chǔ)，其為單進程協(xié)議，因此，訪問時需避免訪問沖突。

圖1 軟件框圖

2 虛擬實驗平臺界面主程序設(shè)計

此網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺設(shè)計的目的是驗證及輔助學(xué)習(xí)實驗，結(jié)合數(shù)字信號處理課程特點，將課程劃分為頻譜分析和濾波器設(shè)計兩個模塊，共設(shè)計九個實驗?zāi)K：波形頻譜實驗（包括典型信號頻譜實驗和聲音信號的頻譜實驗）、混疊實驗、時移實驗、加窗的頻域分析實驗、IIR 濾波器設(shè)計實驗、FIR 濾波器設(shè)計實驗、低通濾波器實驗、濾波器響應(yīng)時間實驗、中值濾波器實驗。系統(tǒng)平臺主界面見圖 2。

圖2 實驗平臺總界面

3 虛擬實驗子項目設(shè)計

3.1 聲音信號的頻譜分析實驗設(shè)計

頻域分析將時間變量變換成頻率變量，是數(shù)字信號處理的重要概念之一[6-7]。除了對典型信號的頻譜分析外，學(xué)生掌握生活中信號的頻譜分析也很有必要，因此設(shè)計聲音信號的頻譜分析實驗，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和波形顯示模塊三部分組成： 數(shù)據(jù)采集模塊可實現(xiàn)調(diào)節(jié)采樣頻率、通道數(shù)、每通道采樣比率進行聲音信號的采集并存儲；數(shù)據(jù)處理模塊，將聲音信號通過窗函數(shù)進行簡單的濾波處理，同時分析處理聲音信號相位譜、幅度譜、功率譜；波形顯示模塊，直接將聲音信號處理的波形圖像顯示出來。實驗流程圖見圖3。

圖3 聲音信號頻譜分析實驗流程

在實際實驗操作中，數(shù)據(jù)采集過程如下：在前面板的“數(shù)據(jù)采集模塊”，選擇了“存儲數(shù)據(jù)”，選定了采樣聲音信號參數(shù)，包括：通道數(shù)數(shù)值選擇1，每通道采樣數(shù)數(shù)值定為8000，每比特采樣數(shù)值為16，采樣頻率數(shù)值定為44 100，錄取的聲音為歌曲《愛的海洋》，點擊開始采集，即開始采集信息，同時在“原始波形信號”面板顯示波形信號。在聲音信息采集完之后，彈出文件保存對話框，兩種選擇保存類型供選擇：WAV 格式或者表格形式，本設(shè)計選擇的是WAV 格式，數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)完成。數(shù)據(jù)處理過程如下：設(shè)定好選擇處理的窗型，當(dāng)時“相頻-幅頻”與“功率譜分析窗”選定的是“Hanning”，分析信號的聲音格式設(shè)定為：通道數(shù)數(shù)值選擇1，每通道采樣數(shù)數(shù)值定為8000，每比特采樣數(shù)值為16，采樣頻率數(shù)值定為44 100，都設(shè)定好后，單擊“分析數(shù)據(jù)”，此時彈出選擇文件窗口，選擇要處理的文件（本次實驗就選擇剛采集的聲音文件），并設(shè)定要處理文件的時間，進行數(shù)據(jù)處理。實驗結(jié)果呈現(xiàn)在前面板的下部分——波形顯示模塊，直接顯示這段時間內(nèi)的原始信號波形、相位譜、幅度譜和功率譜的波形。實驗平臺前面板如圖4 所示。

圖4 聲音信號處理實驗前面板

整個系統(tǒng)按照模塊化的思想劃分，模塊內(nèi)部功能明確，模塊之間相互獨立，體現(xiàn)出高內(nèi)聚，低耦合的良好特性。同時該系統(tǒng)充分利用LabVIEW 軟件中事件結(jié)構(gòu)的整合功能以及多線程（Multithreading）技術(shù)，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析處理等多個操作自動分配優(yōu)先級，保證了獨立運行，避免系統(tǒng)中的各個獨立操作時的調(diào)用阻塞，同時提高了CPU 工作效率，節(jié)省時間，保證了系統(tǒng)的可靠性，聲音信號頻譜分析采集程序見圖5。

圖5 聲音信號頻譜分析采集程序

3.2 頻譜混疊實驗設(shè)計

頻譜混疊是由于對連續(xù)時間信號采樣，所得到的時域采樣信號頻譜是原連續(xù)時間信號頻譜以采樣頻率為周期的周期延拓，當(dāng)采樣頻率不合適時導(dǎo)致原連續(xù)信號高、 低頻率成分發(fā)生混疊的一種現(xiàn)象[8]。因正弦波信號頻譜的單一性，實驗平臺設(shè)計仿真信號為一個頻率可調(diào)的正弦波進行采樣，正弦波由LabVIEW 提供的仿真信號Express VI 生成，信號的采樣利用波形重采樣VI 根據(jù)采樣頻率，采樣頻率可調(diào)，設(shè)置采樣后，對信號的頻譜波形進行觀測，可觀測到當(dāng)采樣頻率小于原始信號的頻率的兩倍時，兩個頻譜發(fā)生混疊。頻譜混疊實驗平臺如圖6 所示，程序后面板如圖7 所示。

圖6 頻譜混疊實驗前面板

圖7 頻譜混疊實驗程序

3.3 FIR濾波器實驗

數(shù)字濾波器通過數(shù)值運算處理改變輸入信號所含頻率成分的相對比例，濾除信號中無用頻率成分。它在許多需要進行數(shù)字信號處理的系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是數(shù)字信號處理中最為重要和關(guān)鍵的概念之一[9-10]。實驗平臺分別對FIR 濾波器和IIR 濾波器兩者進行設(shè)計，本文重點對FIR 濾波器設(shè)計過程進行說明。

FIR 濾波器設(shè)計實驗共提供了Hanning、Hamming、Triangular、Blackman、Exact Blackman、Blackman-Harris、Kaiser-Bessel、Flat Top 等 8 種窗函數(shù)，濾波器類型設(shè)置了低通、高通、帶通、帶阻四種類型，低通截至頻率和高通截至頻率分別可調(diào)，波形顯示設(shè)置了幅度譜和相位譜，且可以在線性顯示和對數(shù)顯示之間進行切換。其中濾波器由數(shù)字FIR 濾波器VI 進行生成，學(xué)生通過實驗可觀察到不同的窗函數(shù)和不同的濾波器類型所對應(yīng)的幅度譜和相位譜。FIR 濾波器設(shè)計實驗前面板如圖8 所示，程序后面板如圖9 所示。

4 結(jié)論

以LabVIEW 為工具設(shè)計的數(shù)字信號處理實驗平臺，包含了數(shù)字信號處理課程中的常見實驗，如頻譜分析、IIR 濾波器設(shè)計、FIR 濾波器設(shè)計等，本實驗平臺多為驗證性、學(xué)習(xí)性實驗，操作簡單直觀，將繁瑣的公式圖形化、趣味化，通過實驗，學(xué)生可以直觀地了解課程中的核心知識點。且實驗平臺通過WEB 進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，為學(xué)生提供開放式的實驗環(huán)境，實現(xiàn)教學(xué)資源的共享，使學(xué)生在常規(guī)課程之余，通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地進行實驗，使網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗?zāi)軌蛘嬲蚱茣r間和空間的限制，更好地為教學(xué)和研究服務(wù)。

圖8 FIR 濾波器設(shè)計實驗前面板

圖9 FIR 濾波器設(shè)計實驗程序