基于LabVlEW的信号分析与处理教学平台设计

【摘要】针对《信号分析与处理》课程的特点和教学难点，将虚拟仪器LabVlEW引入到教学。利用LabVIEW平台易于采集真实数据以及方便易学的图形化编程等特点，设计了基于LabVIEW的信号分析与处理教学平台，改进了教学思想和教学方法，使学生从被动学习转为主动探索，全面提高课程教学质量，培养学生的自主创新意识和创新能力。

【关键词】信号分析与处理;虚拟仪器;教学改革;教学平台

1.引言

《信号分析与处理》课程是一门理论性很强的专业基础课。其内容涵盖连续时间信号的分析与处理、离散信号的分析与处理和滤波器的设计等内容。该课程的特点是：内容繁多、理论抽象、数学公式计算复杂，且函数波形和曲线较多。因此仅通过单一的课堂教学方式，在有限的教学课时内很难收到良好的教学效果[1-3]。在《信号分析与处理》的传统教学中，通常辅以MATLAB仿真实验，以加强学生的理解。但是这就需要学生要事先掌握MATLAB的编程方法。除此之外MATLAB软件复现现场工程信号比较困难，学生也不易理解信号、频谱、系统、滤波等概念，不容易理解频域分析的优点 [4，5]。本文给出了基于虚拟仪器的信号分析与处理教学平台设计过程。利用LabVIEW方便易学的图形化编程环境，使学生对《信号分析与处理》这门课程的内容有更直观的印象和把握。

2.虚拟仪器技术在信号分析与处理中的应用

虚拟仪器是计算机技术和仪器技术融合而产生的新兴技术。虚拟仪器技术通过接口技术采集现实世界的信号，应用LabVIEW编写软件，对采集到的信号进行分析和处理，并实现对相应外设的控制，输入输出操作通过虚拟仪器的前面板来完成。也就是说虚拟仪器具有传统仪器的功能，只不过是将显示界面使用计算机虚拟出来，在计算机显示器上以多种形式输出结果。虚拟仪器是靠模块化的硬件和灵活高效的软件来完成设计工作的，这种工作方式极大的提高的了工作和生产的效率，所以一经推出就广受好评[6-8]。

LabVIEW的编程语言是虚拟真实元器件的图形化编程语言，更加直观。其自带的强大函数库方便使用者随时调用，大大降低了编程的难度和复杂度。因为更多人愿意选择使用LabVIEW来完成编程工作。

针对“信号分析与处理课程”中含大量的信号和抽象的理论，利用虚拟仪器技术的上述优势，将其引入到《信号分析与处理》的教学中，提高教学效果，具有重要意义。

3.基于LabVlEW的教学平台设计

3.1 教学平台总体设计

《信号分析与处理》是一门基础理论和实践性很强的课程，涉及的内容和领域广泛，要在48学时内将该门课程讲授好，就必须对授课内容、顺序、重点做一个总体的规划，我们拟本着先信号分析再信号处理，先连续后离散，先信号后系统，先基本理论后工程实现及应用的顺序，对教学内容进行调整。配合《信号分析与处理》教学内容的需要，选择和设计有利于学生理解的实验教学案例，应用虚拟仪器技术实现相应案例的模拟仿真，帮助学生更好的理解相关理论知识，激发学生的学习潜能和学习兴趣。

本文设计的教学平台主要包括信号的连续信号的分析与处理、离散信号的分析与处理和信号的滤波处理三个方面，完成对信号显示、测量、波形存储、时域分析、频域分析以及信号的滤波处理功能，具体内容如图1所示。

图1 基于LabVIEW的信号分析与处理教学平台组成

3.2 教学平台实现

本教学平台以LabVIEW作为开发工具，实现了上述教学内容。LabVIEW环境包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），为虚拟仪器的框图程序提供数据;输出量被称为显示（Inidicators），显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上。如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。

图2 时移定理辅助教学模块

本教学平台的特点是，学生可以在运行界面输入和修改相关参数，并在结果窗口看到相应结果的动态效果。学生可自主的设计方案，自主的选择被测信号，自主的分析实验结果，大大激发同学们学习参与的积极性。图2和图3分别是用LabVIEW实现的CFFT时移定理和FIR数字滤波器的辅助教学模块。在该程序界面内，学生可以在运行界面输入和修改信号波形、频率、相位等相关参数，并在结果窗口看到相应结果的动态效果。学生在实践过程中通过自己动手实现信号的各种变换和处理，有利于掌握信号分析与处理方法的实质，这样也充分调动教师和学生双方的积极性，特别是激发学生的学习兴趣，加深对知识点、重点和难点的理解，从而全面提高课程教学质量，培养学生的自主创新意识和创新能力。

图3 FIR数字滤波器辅助教学模块

4.结论

采用虚拟仪器构建的《信号分析与处理》教学平台，用虚拟的信号发生器，虚拟的频谱分析仪，虚拟的数字滤波器来模拟仿真信号采集、分析和处理过程，可以节约大量仪器设备的成本投入。该教学平台具有很好的交互性和可操作性，学生在计算机上通过软件对各种虚拟仪器进行设计及试验，就如同操作传统仪器一样有效，其实验结果与在真实实验室的现场试验是一样的。课堂教学中抽象的理论，在实践环节变得形象直观了，对课堂理论教学起到了很好的辅助作用。

参考文献

[1]赵光宙.信号分析与处理[M].机械工业出版社，2006.

[2]徐科军.信号分析与处理[M].清华大学出版社，2010.

[3]李敏.“信号与系统”课程教学探索与思考[J].科技信息，2009（14）：309-310.

[4]孙晖，赵菁.信号分析与处理综合性实验设计与实现[J].实验技术与管理，2012，29（7）：161-163.

[5]王艳芬，史良，王刚.基于MATLAB软件环境的《数字信号处理》课程新实验开发[J].实验技术与管理，2002，19（3）：61-63.

[6]杨锡运，房江南，陈嵩，李新利.虚拟仪器技术在“信号分析与处理”教学中的应用[J].科技信息，2012（35）：491-497.

[7]宁涛.虚拟仪器及其在实践教学中的应用[J].北京交通大学学报（社会科学版），2006，6（4）：100-102.

[8]黄金林.基于LabVIEW的数字信号处理实验教学系统开发研究[J].常州工学院学报，2008，21（6）：47-49.

基金项目：防灾科技学院《信号分析与处理》重点建设课程资助;防灾科技学院教学团队建设项目资助（JT201306）。

作者简介：杨敬松（1975―），女，吉林人，博士，副教授，研究方向：信号分析与处理，多传感器信息融合。