基于LabVIEW的“信號與系統(tǒng)”仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

俎云霄 曾昶暢

【摘要】“信號與系統(tǒng)”是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課,概念多,理論性強,比較抽象。為便于學(xué)生理解和掌握,設(shè)計了基于LabVIEW的信號與系統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)構(gòu)架、設(shè)計方法及主要知識點的演示示例。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW;信號與系統(tǒng);仿真;實驗

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2009)11—0141—04

一 引言

“信號與系統(tǒng)”是高等院校電子信息類專業(yè)的一門非常重要的基礎(chǔ)課,但由于概念多、推導(dǎo)多、理論抽象,所以學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到不能很好地理解和掌握其基本理論與分析方法。如何讓學(xué)生深刻理解課程中的基本概念、基本原理,牢固掌握基本分析方法以及學(xué)會靈活運用這一理論工具,是值得研究和探討的一個問題。

在課堂教學(xué)中適時引入仿真實驗,可以幫助學(xué)生很好地理解理論理念,建構(gòu)知識,提高教學(xué)質(zhì)量。本研究以LabVIEW作為仿真軟件構(gòu)建了“信號與系統(tǒng)”仿真實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)界面友好、功能齊全,緊密結(jié)合“信號與系統(tǒng)”課程[1,2],主要面向講授和學(xué)習(xí)“信號與系統(tǒng)”課程的教師和同學(xué),不僅便于教師在課堂上進行教學(xué)演示,而且還便于學(xué)生在課后進行自學(xué)或復(fù)習(xí)。

二 系統(tǒng)構(gòu)架及設(shè)計

1 系統(tǒng)構(gòu)架

仿真實驗系統(tǒng)與“信號與系統(tǒng)”課程內(nèi)容基本對應(yīng),共分為四大模塊,分別是“連續(xù)時間信號分析”、“傅里葉級數(shù)和傅里葉變換”、“調(diào)制,濾波器,離散時間信號分析”和“聲音信號及其波形”。四個模塊在內(nèi)容上依次遞進,如圖1所示。

模塊1是基礎(chǔ),主要介紹基本信號及其時域性質(zhì);模塊2是對基本信號的頻域性質(zhì)分析;模塊3主要是信號與系統(tǒng)的基本知識在通信中的應(yīng)用;模塊4是關(guān)于聲音的采集、播放及其波形,是擴展部分。每個模塊中又根據(jù)實驗內(nèi)容分為幾個子程序。

各模塊中的實驗內(nèi)容如表1所示。

整個系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思路,每個程序均由如下幾個模塊構(gòu)成:(1)信號產(chǎn)生模塊(2)信號處理模塊(3)結(jié)果顯示模塊。信號產(chǎn)生模塊負責(zé)產(chǎn)生若干個特定信號,該信號經(jīng)過信號處理模塊進行處理,例如卷積、濾波、FFT等,最后經(jīng)過結(jié)果顯示模塊顯示信號波形,或使喇叭發(fā)音。

2 主界面設(shè)計

作為系統(tǒng)的主界面,不僅要美觀,更要簡捷明了。進入主界面首先顯示四個模塊的內(nèi)容,并具有“點擊模塊按鈕就能彈出子界面窗口的功能”。設(shè)計步驟如下:添加背景圖片?添加按鈕?實現(xiàn)彈出功能。最后完成的主界面如圖2所示。

3 程序設(shè)計

如前所述,各程序的設(shè)計采用模塊化方法,設(shè)計前首先要確定需要顯示的信號波形,然后根據(jù)分析、計算需求選用函數(shù),最后進行所需參數(shù)調(diào)整的標識設(shè)計。LabVIEW提供了大量函數(shù)[3-6],且這些函數(shù)可以被層次化無限調(diào)用。編程過程就像是在繪制流程圖,首先在前面板上把按鈕、x-y圖等控件布局整齊,然后在程序框圖上創(chuàng)建需要的函數(shù),最后再正確地將其連接起來即可。

本系統(tǒng)中,信號產(chǎn)生模塊用到的函數(shù)主要有: 和 求值,微、積分,正弦信號,高斯白噪聲,均勻白噪聲,脈沖序列和基本函數(shù)發(fā)生器等。信號處理模塊用到的函數(shù)主要有:加、減、乘、除,數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,數(shù)模轉(zhuǎn)換,卷積,數(shù)組函數(shù)相加,FFT,復(fù)數(shù)的坐標轉(zhuǎn)換,取負數(shù),信號合并,Butterworth濾波器,數(shù)字FIR和IIR濾波器及頻率響應(yīng)函數(shù)等。結(jié)果顯示模塊主要使用x-y圖,個別使用數(shù)值顯示控件和寫入聲音輸出。除此之外,為了程序顯示直觀、使用便捷,還用到while循環(huán)和條件結(jié)構(gòu)。

LabVIEW是一種簡單易學(xué)的編程工具,選用函數(shù)是編程的關(guān)鍵。關(guān)于函數(shù)的功能、使用方法和范例均可以通過LabVIEW提供的詳細幫助信息得到[3-6]。

由于篇幅所限,下面僅以最為復(fù)雜的“FIR濾波器”為例說明程序的編寫方法。

(1) FIR濾波器

首先明確本程序要演示有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器的頻率特性,需要產(chǎn)生原始信號、濾波后的信號、濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的波形,其中原始信號和濾波后信號的波形放在同一個圖形框中。本程序涉及的參數(shù)較多,有:拓撲結(jié)構(gòu),濾波器類型,通帶增益,阻帶增益,標尺,窗,最低通帶,最高通帶,最低阻帶和最高阻帶,而且這些參數(shù)在程序運行過程中可以隨時改變。設(shè)計完成后的前面板如圖3所示。

設(shè)計步驟如下:

信號發(fā)生:在程序框圖上創(chuàng)建“基本函數(shù)發(fā)生器”,“原信號參數(shù)”經(jīng)過“按名稱解除捆綁”后,分解為“信號類型”、“信號頻率”2個實數(shù)數(shù)據(jù),再輸出到“基本函數(shù)發(fā)生器”的“信號類型”、“頻率”端口,“采樣信息”輸出到“采樣信息”端,則“基本函數(shù)發(fā)生器”即產(chǎn)生符合參數(shù)規(guī)定的波形數(shù)組。

信號處理:創(chuàng)建“數(shù)字FIR濾波器”,將“濾波器參數(shù)”輸出到“FIR濾波器規(guī)范”端,“附加參數(shù)”與“可選FIR濾波器規(guī)范”輸入端相連。把“基本函數(shù)發(fā)生器”產(chǎn)生的信號送到“信號輸入”端,經(jīng)過“數(shù)字FIR濾波器”的處理,將得到“濾波后的信號”波形數(shù)組、“幅頻響應(yīng)函數(shù)”簇數(shù)據(jù)和“相頻響應(yīng)函數(shù)”簇數(shù)據(jù)。

結(jié)果顯示:將“基本函數(shù)發(fā)生器”和“數(shù)字FIR濾波器”的“信號輸出”經(jīng)過“創(chuàng)建數(shù)組”輸出到“原信號和濾波后的信號”,“數(shù)字FIR濾波器”的“濾波器信息”經(jīng)過“按名稱解除捆綁”后,變?yōu)閙agnitude H(w),phase H(w)兩個簇數(shù)據(jù),再將兩者分別輸入“幅頻響應(yīng)函數(shù)曲線”和“相頻響應(yīng)函數(shù)曲線”。

最后將所有函數(shù)都放在“while循環(huán)”中,完成設(shè)計。流程圖如圖4所示。

下面再對幾個典型程序的設(shè)計方法進行簡單介紹并給出其前面板形式。

(2) 矩形調(diào)幅信號的傅里葉變換(頻移特性)

用一個 模塊產(chǎn)生矩形脈沖,將該矩形脈沖信號和一個余弦信號相乘得到矩形調(diào)幅信號,然后用兩個 模塊生成兩對X、Y數(shù)組,再用一個“合并信號”模塊分別把兩個X數(shù)組變?yōu)橐粋€X數(shù)組,用一個“乘法”模塊把兩個Y數(shù)組變?yōu)橐粋€Y數(shù)組,最后把新的X、Y數(shù)組送至“示波器”模塊即可得到矩形調(diào)幅信號的頻譜。程序?qū)@示余弦信號、矩形脈沖、矩形調(diào)幅信號及其頻譜的波形,如圖5所示。拉動藍色滑條可以改變矩形脈沖的高度、寬度和余弦信號的頻率。

(3) 周期矩形脈沖抽樣后的傅里葉變換

本程序?qū)@示四個波形,如圖6所示,分別是周期矩形脈沖及其傅里葉變換和采樣后的周期矩形脈沖及其傅里葉變換。周期矩形脈沖用“脈沖序列”模塊實現(xiàn),將代表此周期矩形脈沖的數(shù)組送入“示波器”模塊,然后修改“示波器”模塊的屬性(在“直方圖”選項欄中選中相應(yīng)的項),即可得到采樣后的周期矩形脈沖。得到頻譜的方法與(3)相同。拉動滑條,改變周期矩形脈沖的高度、寬度、周期和采樣周期,可以看到不同采樣頻率的信號頻譜。

(4) 脈沖編碼調(diào)制(PCM)

本程序要演示由模擬到數(shù)字再到編碼的過程,顯示原始模擬信號、采樣后的信號、量化后的信號和編碼后的數(shù)字信號,如圖7所示。顯示時,前三種信號均來自同一數(shù)組,將此數(shù)組送入三個“示波器”模塊,分別調(diào)節(jié)各個示波器的屬性,即可產(chǎn)生采樣和量化的效果。運用一個“DWDT模數(shù)轉(zhuǎn)換”模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

PCM涉及的參數(shù)較多,有分辨率、數(shù)據(jù)格式、滿刻度范圍(峰-峰)、采樣率、采樣數(shù)等,在相應(yīng)框中改變這些參數(shù),可以看到不同情形下的信號波形。

(5)聲音采集(波形聲音,PCM格式)

本程序用來從話筒采集聲音并顯示其波形。由如下模塊實現(xiàn):文件對話框,寫入并打開聲音文件,配置聲音輸入,讀取聲音輸入,寫入聲音文件,關(guān)閉聲音文件和聲音輸入清零。圖8即為錄制的一段聲音信號,其中紅色波形為左聲道,白色波形為右聲道。

4 執(zhí)行文件的生成

為了便于系統(tǒng)的使用,將所有程序和圖片文件放在一個文件夾中,新建一個項目,生成一個可執(zhí)行文件。方法為:在“項目瀏覽器”對話框中選擇“我的電腦?添加文件夾”,將該文件夾添加進去;在項目中依次選擇:程序生成規(guī)范、新建、應(yīng)用程序(exe),將會彈出一個“我的應(yīng)用程序?qū)傩浴痹O(shè)置框,設(shè)置為exe執(zhí)行文件即可。生成后的exe程序被保存到先前設(shè)定的文件夾中,當(dāng)計算機安裝了相應(yīng)版本的LabVIEW開發(fā)平臺,或相應(yīng)版本的LabVIEW Runtime Engine后,雙擊圖標即可運行程序。

三 系統(tǒng)使用說明

點擊系統(tǒng)圖標,首先出現(xiàn)如圖1所示的主界面,用戶根據(jù)需要點擊相應(yīng)的模塊標識,即進入對應(yīng)的模塊,然后再點擊模塊中的程序名稱即可運行相應(yīng)的程序。整個系統(tǒng)都有很好的文字及符號標識,根據(jù)提示可以方便地改變參數(shù)。既可以在程序運行過程中直接在前面板上輸入數(shù)據(jù)進行參數(shù)修改,如圖3、7、8等所示,也可以通過拉動前面板上的滑條改變參數(shù),如圖5、6所示,從而能夠動態(tài)地看到不同參數(shù)情況下的圖形變化。除此之外,使用圖形界面上的“游標”,可以看到游標所在點處的X值和Y值,使用“圖形工具板”,可以觀察波形圖的細節(jié),如圖9所示。

四 結(jié)束語

本文介紹了利用LabVIEW仿真軟件構(gòu)建“信號與系統(tǒng)”仿真實驗系統(tǒng)的框架和設(shè)計方法,并針對“信號與系統(tǒng)”課程中最重要和最難理解的知識點設(shè)計了相應(yīng)的演示程序,整個系統(tǒng)界面友好,使用方便,程序中涉及的相關(guān)參數(shù)可以根據(jù)需求靈活改變,從而演示多種不同場景。希望通過使用該系統(tǒng)能幫助學(xué)生更好地理解“信號與系統(tǒng)”的基本概念和理論,使教師更方便教學(xué),從而提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

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