通信专业教学虚拟仪器的作用

所谓虚拟仪器是基于计算机的软、硬件测试平台。由计算机、应用软件和仪器硬件组成，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；还可以自由构建成专有仪器系统。在虚拟仪器系统中，软件成为整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增加仪器系统的参数和功能，所以有“软件即仪器”之说[1]。结合虚拟仪器技术和网络技术的虚拟实验室研究，国际上始于20世纪80年代末，现己取得了许多有代表性的成果，应用于科学研究与实验教学。如美国斯坦福大学的远程光学实验室，学生可以远程登录该光学实验室做实验。又如美国伊利诺伊((Illinois)大学的Nmrsope系统，通过Internet研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器等等[2]。

目前国内大学通信专业的实验教学中，如通信原理和数字信号处理的实验课等，都以虚拟仪器作为示例，对信号进行分析。但往往由于信号生成、显示和分析仪器的成本比较高，尤其是带有频谱分析和测量功能的仪器价格尤为昂贵，使得这部分的实验无法普遍实施。PC机声卡具有两路AD和两路DA，采样率最高可达到44100Hz，采样深度可达到16bit。由于其成本低廉且功能强大。由于PC机声卡只适用于音频领域，即输入信号频率必须处于20~20000Hz的音频范围内，这个系统在处理速度和带宽方面也具有一定的局限性。如果利用PC机声卡作为音频数据采集处理设备，使用适当的虚拟仪器软件编程技术就可以组成一个低成本高性能的信号采集与分析处理系统，方便学生理解理论内容，简化了课程的实验，甚至能够让有兴趣的学生对现有虚拟仪器系统进行升级改造。这是我们研究该课题的意义之所在，希望通过我们的研究，能够建立一个性价比较高的音频信号分析系统，并将该结果应用于大学通信专业及相关专业的实验教学中，从而让学生理解信号分析的概况。

1基于声卡的音频虚拟仪器系统

之所以对音频信号感兴趣，是因为日常生活中存在着大量的音频信号，比如：话音信号。另外，在通信专业的实验教学中，以音频信号作为示例，足以让学生理解信号分析的概况。本文介绍一套基于Labwindows/CVI的音频处理系统，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统和过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境[3]。本系统实现了示波器、信号发生器、频率计的功能，在音频范围内可完全替代成型的音频信号分析仪器。这并不是仿真软件，而是实用的工具，这些虚拟仪器可以很好的工作。使用起来也很方便，只需要一根音频电缆，一头接入声卡LineIn口，一头接入声卡SpeakOut口。系统框图如图1所示。

1.1虚拟信号发生器虚拟音频信号发生器利用PC机声卡的耳机插孔发出信号，能够产生两路音频信号。频率范围在20~9999Hz，电压有效值为0~3V，信号类型有正弦波、方波、三角波、锯齿波和用户自定义5种波形。在“高级设置”中可对两路信号的同步进行调整，也就是设置两路信号的初始相位差，调整范围为0~2π。系统面板图如图2所示。一旦系统运行，就有声音信号生成并通过声卡通道输出，发生器1通过左声道输出，发生器2通过右声道输出，可以通过扬声器收听输出的音频信号的声音，也可以通过虚拟示波器或真实示波器对信号进行显示。

1.2虚拟示波器示波器通过声卡LineIn口输入音频信号，实现了双通道示波器的所有功能，包括时基调整、幅度调整、偏移调整、双通道组合显示等，普通实验室中双通道示波器具有的功能这个系统都能实现。最后这个系统还能对信号进行2048点的频谱分析，相当于一台简易频谱分析仪。通过对音频信号采集、分析信号可以显示其时域波形和频谱图。程序面板图如图3所示。信号分析部分充分利用模块化软件设计方法，开发了信号的波形、频谱分析。在这个基础上，通过程序的扩展，还可以开发诸如：FIR、IIR数字滤波器等其他的数字信号处理功能。总之，本虚拟信号采集与分析系统对信号采集与分析系统的各个环节进行了深入的探讨，完成了信号分析和信号处理的基本功能。分析仪界面友好，使用方便。

2具体实例分析

信号谱分析是数字信号处理课程中学生学习的重点，同时又是难点[4]。对于这些抽象的知识，老师在课堂上费尽心力讲解，学生依然很难理解。有些学生虽然学会信号频谱的计算方法，但对计算出的谱线形状只能凭空想象，缺少直观认识，久而久之，学生学习的积极性下降。通过此虚拟实验，可以解决这些问题，学生通过选择需要的的信号类型，设定信号的频率和幅值，就可观察到信号的时域波形和频谱图，这样学生不仅直观的了解谱线形状，而且对原信号频率和相位对谱线的影响有更深刻的理解。如图4所示产生一个频率1000Hz，幅度0.15V的单音频正弦波信号，并用示波器显示波形、频谱，测量电压峰峰值和频率值的过程。发生器1产生信号1000Hz，电压0.15V的单音频信号，通过左声道输出；示波器通道A测试左声道的信号，测得信号频率1000Hz，峰峰值电压0.42652V(有效值为0.15079V)；并可以从扬声器中听到1000Hz的单音频信号的声音。

3结语

基于本虚拟仪器系统，开发了一系列数字信号处理和通信原理的课内实验。包括：双通道信号发生器认知实验，双通道示波器认知实验，信号相位同步实验——里撒如图形，基本信号的产生和谱分析，DTMF信号的产生和谱分析，常见通信信号的产生和谱分析等。将这些实验用在了数字信号处理和通信原理的课程教学中，取得了很好的效果。这个实验系统方便学生理解理论内容，简化了课程的实验，甚至能够让有兴趣的学生对现有虚拟仪器系统进行升级改造。虚拟仪器作为一种先进的实验仪器和全新的科学研究方法影响着各行各业，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虚拟仪器在实验教学上得到了有效的应用，并以其独特的优势成为今后实验教学改革的重要方向。我们将继续完善并研发模拟调制信号、数字调制信号等的生成和处理的虚拟仪器，以及可以进行眼图和星座图分析的虚拟设备(其中数字信号、模拟调制信号发生器已经初步完成)，最终建立一个完整的通信专业虚拟实验室。