《信號(hào)與系統(tǒng)》虛擬實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)以實(shí)物為主的《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)中存在的各種弊端，以LabVIEW、MatLab和Multisim相結(jié)合構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過幾個(gè)實(shí)例展示了其具體應(yīng)用。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，《信號(hào)與系統(tǒng)》虛擬實(shí)驗(yàn)具有直觀、形象、便于學(xué)生理解等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起到了積極的作用。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；虛擬實(shí)驗(yàn)；LabVIEW；MatLab；Multisim

中圖分類號(hào)：TN391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2017）14-0094-03

《信號(hào)與系統(tǒng)》是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)和其他電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容較為抽象。為了讓學(xué)生能更好地理解教材的內(nèi)容和概念，實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用以實(shí)驗(yàn)箱為主的硬件實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求連接電路，通過示波器或頻譜儀觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種教學(xué)方式存在一定的局限性：①有些實(shí)驗(yàn)如傅里葉變換、卷積等無法通過硬件電路實(shí)現(xiàn)；②學(xué)生只是通過簡單的連接電路就能得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解不夠深刻；③實(shí)驗(yàn)箱老化和部分元件損壞等因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成功率低，嚴(yán)重挫傷學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和影響教學(xué)效果[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及仿真工具軟件的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要模式，它補(bǔ)充和完善了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題[2-4]。針對(duì) 《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，本文采用LabVIEW、Matlab和Multisim三種軟件相結(jié)合，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

一、基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)

LabVIEW 是美國國家儀器公司（National Instruments，NI） 推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境， 使用這種語言編程時(shí)， 基本上不寫程序代碼， 取而代之的是流程圖或程序框圖，將繁瑣復(fù)雜的語言編程簡化，省時(shí)方便，而且LabVIEW的高級(jí)分析庫還提供了豐富的信號(hào)分析處理相關(guān)模塊，利用它們能非常方便的構(gòu)建所需要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。下面以卷積實(shí)驗(yàn)為例，說明LabVIEW的應(yīng)用。

卷積是線性系統(tǒng)時(shí)域分析方法中的一種，卷積運(yùn)算在測(cè)試信號(hào)處理中占用非常重要的地位，利用它可以求線性系統(tǒng)對(duì)任何激勵(lì)信號(hào)的零狀態(tài)響應(yīng)，是聯(lián)系信號(hào)時(shí)域-頻域的一個(gè)橋梁，卷積的定義為：

LabVIEW 信號(hào)源庫提供了豐富的信號(hào)源，除常見的正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)、階躍信號(hào)和沖擊信號(hào)之外，用戶還可以根據(jù)需要構(gòu)建一些特殊信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)提供了正弦、方波、三角波在前面板上供選擇，這里選擇x（t）為正弦信號(hào)。LabVIEW函數(shù)庫里還提供了專門的卷積函數(shù)，將正弦信號(hào)和沖擊信號(hào)送入卷積函數(shù)，在前面板上能直接看到卷積結(jié)果。通過卷積滑動(dòng)桿，還可以控制整個(gè)卷積過程[6]（見圖1）。采用基于LabVIEW軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)，能把硬件電路無法完成的卷積實(shí)驗(yàn)以非常直觀形象的方式展示出來。

二、LabVIEW和MatLab聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)

除LabVIEW外，Matlab也是信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)常用的軟件。Matlab提供的豐富的信號(hào)處理函數(shù)為信號(hào)與系統(tǒng)分析提供了有效手段，但是它在界面開發(fā)、儀器連接控制等方面遠(yuǎn)不如 LabVIEW，因此如果將兩者混合使用，則可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，解決實(shí)驗(yàn)過程中界面開發(fā)和數(shù)值分析計(jì)算等問題[7]。LabVIEW 提供了Matlab Script節(jié)點(diǎn)，允許按照 Matlab的語法編寫并執(zhí)行腳本，因此，LabVIEW和Matlab混合編程為學(xué)生提供了靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和有效的實(shí)驗(yàn)手段，有助于他們提高分析和解決問題的能力，更好的理解和掌握信號(hào)與系統(tǒng)課程的理論知識(shí)。這里以幅度調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)為例說明LabVIEW 和Matlab混合編程的方法。

在通信系統(tǒng)中，為了充分利用帶寬，常常需要將頻率為fi的信號(hào) x（t）“搬移”到另一頻率fo處，采用的方法是用頻率為fo的正弦信號(hào)c（t） 作為載波信號(hào)去乘x（t），這個(gè)過程稱為“調(diào)制”；當(dāng)信號(hào)傳輸完成后，需要從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出x（t），這時(shí)用載波信號(hào)c（t）再次去乘以調(diào)制后的信號(hào)，然后用低通濾波器濾除高頻部分，就能得到x（t），這個(gè)過程稱為“解調(diào)”[8]。從圖2可以非常清楚的觀察到整個(gè)調(diào)制與解調(diào)過程：原始信號(hào)和載波信號(hào)均為正弦信號(hào)，信號(hào)頻率可通過前面板設(shè)置，原始信號(hào)和載波信號(hào)相乘后得到調(diào)制信號(hào)DSB，采用LabVIEW提供的FFT函數(shù)對(duì)DSB做傅里葉變換后得到其頻譜圖，從頻譜圖看出，調(diào)制后信號(hào)DSB的頻率被“搬移”到了載波信號(hào)的頻率10kHz處，達(dá)到了調(diào)制的目的。信號(hào)傳輸結(jié)束后，為了恢復(fù)出原始信號(hào)，用調(diào)制后的信號(hào)DSB再次乘以載波信號(hào)c（t）得到解調(diào)信號(hào)y1，為了恢復(fù)出原始信號(hào)，對(duì)y1進(jìn)行低通濾波后即可。通過這種直觀的實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生更容易理解調(diào)制與解調(diào)原理。

三、LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)

Multisim是NI公司推出的專門用于電路仿真和設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，能實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)與仿真、性能分析、時(shí)序測(cè)試等功能。傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)箱為主的硬件實(shí)驗(yàn)完全可以用Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)來替代，這樣學(xué)生可以從實(shí)驗(yàn)電路圖更深刻的理解實(shí)驗(yàn)原理。如果涉及到相關(guān)參數(shù)計(jì)算和判別，采用LabVIEW和Multisim的聯(lián)合仿真來完成，既可充分利用 Multisim在電路仿真中的優(yōu)勢(shì)，又可利用LabVIEW在參數(shù)計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)，能達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果[9]。以二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)為例，說明LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真的應(yīng)用。

首先，在Multisim 13中搭建實(shí)驗(yàn)電路，在電路中放置LabVIEW交互接口以實(shí)現(xiàn)與LabVIEW之間的數(shù)據(jù)傳遞，參數(shù)調(diào)整端K采用了壓控電阻，通過LabVIEW 輸入控件可以改變電阻的阻值，如圖3所示。根據(jù)電路知識(shí)[10]，很容易求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

四、結(jié)論

教學(xué)實(shí)踐證明，由LabVIEW、Matlab和Multisim構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)有效解決了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的各種問題，將一些抽象難懂的概念轉(zhuǎn)變成形象直觀的圖形和實(shí)例，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起到了積極的作用。

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（編輯：魯利瑞）