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龙源期刊网信号分析与处理实验系统的设计作者：郭俊美刘海英汪宁来源：《科技视界》2018年第07期【摘要】本文介绍了信号分析与处理实验系统的LabVIEW实现，完成了信号运算、傅里叶变换、频谱分析、数字FIR滤波器的LabVIEW实现。相比于传统的实验教学系统，LabVIEW软件具有可视化的图形编程语言和平台，以及强大的I/O驱动能力，能够直接对测试数据进行各种分析与处理。实验系统的实现不仅提高了学生对实验课程的动手能力，同时还让学生能够更加深刻的理解和掌握了《信号分析与处理》这门专业课。【关键词】信号分析与处理LabVIEW平台；实验教学系统；图像化编程中图分类号：TP391.72文献标识码：A文章编号：2095-2457（2018）07-0028-003“信号分析与处理”这门课程是测控技术有仪器专业的重要专业基础课程，也是国内各院校相应学科专业的重点主干课程，其教学质量直接影响到人才培养的质量和仪器仪学科的发展水平。“信号分析与处理”的特点是：概念性和原理性较强，相对来说比较抽象。因此学生在学习这门课程时，普遍反映信号分析与处理这门课中的概念太抽象，不容易理解，在学习过程中对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，开设信号分析与处理课程所要解决的关键问题是：如何让学生尽快地理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及学会灵活运用这一理论工具。把虚拟仪器技术引入信号分析与处理的理论和实践教学后，可以促使学生改变学习方法，变被动学习为主动探索激发学生的学习兴趣，培养学生应用新知识的能力；同时，还可以丰富老师的教学手段，提高设计效率，目前各大高校正在逐渐探索如何把虚拟仪器技术引入到信号分析与处理等课程中，从而提高信号分析与处理这门课程的教学质量。因此，为了使学生更好的理解抽象的理论知识，增加实际的工程动手能力，把理论与实践结合起来，我们开发了基于LabVIEW的信号分析与处理实验系统。该系统可应用于测控技术与仪器专业和自动化专业专业的信号分析与处理实验教学。1虚拟仪器在教学方面运用的前景众所周知，实验教学在高等工科教育中的地位非常重要，并起着不可替代的的作用，特别是对于一些理论性较强的专业课来说，实验教学尤为重要。通常在实验教学中，主要是通过基于硬件或软件的实验加深学生对所学知识的理解。目前，国内高校大部分选用实验箱和传统硬龙源期刊网件来搭建实验平台，或者是用C、MATLAB等语言编写的仿真软件系统。但是硬件实验平台的缺点是：投资大，维护、更新比较困难，操作中出现意外的时候损失也会比较大，因此，硬件实验适合有一定基础的高年级学生。软件实验利用软件编程对信号进行各种处理，例如MATLAB软件的优点是操作简单、数字处理能力强、仿真效果好，但是其也存在着很多缺点：直观性比较差，很难快速、高效、实时地处理各种信号，而且不能较好的满足对低年级实验教学的现实需求。因此，我们选用虚拟仪器的实验方案，可以在很大的程度上减少实验室的硬件投入、系统的维护成本，同时还可以锻炼学生实际的动手能力，增加学生的学习兴趣。[1]2信号分析与处理实验系统各模块的设计2.1信号运算模块的LabVIEW实现信号在传输与处理过程中，需要进行基本的运算。本设计系统主要包含两信号的相加、相乘、微分和积分、卷积和相关等运算。该模块主要可以实现信号的卷积、反卷积、相加、相乘、微分和积分等操作，界面简单，操作方便。首先设计前面板，前面板上器件排布如图1。然后根据信号之间的运算关系在后面板上编程连线，如图2。该系统能实现卷积、相加、相乘、积分四种运算。运算结果如图3、图4、图5、图6，通过运算结果图形可知，利用虚拟仪器可以方便的实现信号之间的基本运算。2.2傅里叶变换模块的LabVIEW实现作为数字信号处理领域一种很重要的算法，傅立叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号。许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、方波、锯齿波等，傅里叶变换用正弦波作为信号的成分。该模块主要实现傅里叶变换，其前面版和程序框图见图6、图7。运算结果见图8。2.3信号频谱分析的LabVIEW实现本设计主要进行了通过FFT变换分析信号的幅度谱和相位谱。幅度谱就是信号幅度-频率（角频率）曲线。龙源期刊网信号的相位谱和信号的幅度谱都是信号的重要特征。相位谱的特点和性质也是信号谱分析的一个基本问题。对于一个系统，能够通过其相位谱来判断该系统是否为线性相位系统，也就是看相位是否随频率线性变化。事实上，信号的相位包含的信息大于幅度，因此，相位谱的应用于很多方面。本实验系统中频谱分析模块的前面板和程序图分别见图9、图10，运算结果见图11。2.4Butterworth滤波器的LabVIEW实现[3]模拟滤波器处理的输入、输出信号都是模拟信号。一个理想滤波器应该保证完全抑制信号中的无用部分，而使输入信号中有用信号成分无失真地传输。所谓无失真传输是指：输入信号通过系统后，输出信号只允许幅度的变化和时间的延迟，对输入信号没有波形上的变化。理想滤波器是一个理想化的系统模型1）有用信号频带内无失真传输，即常值幅频，线性相频。2）有用信号频带外，幅值立即下降到零，相频特性如何无关仅要。3）通带特性和阻带特性：通带是指能通过滤波器的频带；阻带是信号受滤波器抑制的频带。根据通带和阻带位置不同，可分为四种理想滤波器：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。模拟滤波器的设计一般分为两步：第一，根据设计的技术指标（即滤波器的频率特性要求），寻找一种可实现的有理函数Ha（s），使他满足设计要求，这类问题称为“逼近”。第二，设计实际系统实现这一系统函数Ha（s）。Butterworth滤波器是最基本的逼近函数形式之一。它的幅度平方函数为：Butterworth滤波器的幅频特性具有下列特点：1）最大平坦性。2）通带、阻带下降的单调性。3）3dB的不变性。随着n的增加，频带边缘下降越陡峭，越接近理想特性。Butterworth滤波器模块的前面板和程序图分别见图12、图13，运算结果见图14。龙源期刊网信号分析与处理实验系统的设计，在数字信号处理和工程测量技术的理论基础上，更好的将虚拟仪器与信号分析与处理专业课结合起来，为以后系统工具和更加强大的平台开发打好理论和实践基础。该实验系统的开发是实验室的建设的很好配套，能充分的利用实验室的软硬件资源，同时能使同学提前接触一个在测量控制领域具有重要作用的实际开发软件和各种硬件设备。增加学生的兴趣和实际开发能力。同时，该实验系统也还存在一些问题，不是很理想，部分应用没有很好的实现，还需要在后期进一步完善，以给同学们一个较为完善的实验教学平台。随着虚拟仪器技术的继续向前发展，虚拟仪器必将在各种实际工程领域得到更多的应用，LabVIEW开发环境也必将得到更多工程技术人员和研究人员的认可。虚拟仪器在高等教育的实验教学中也必将得到更多的关注。我们有理由相信更多的虚拟仪器教学软件会出现在以后的实验教学中。[4]【参考文献】[1]《LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用》吴成东，孙秋野，编著，人民邮电出版社，2011.12.[2]《信号分析与处理——虚拟仪器实验教程》孙晖等编著，清华大学出版社，2013.5.[3]《信号分析与处理》杨西侠，柯晶，编著，机械工业出版社，2007.9.[4]《我和LabVIEW》阮奇桢等编著，北京航空航天大学出版社，2009.龙源期刊网龙源期刊网