基于LabVIEW的“信号与系统”实验软平台构建

摘要：针对“信号与系统”课程教学中存在概念抽象、理解难等问题，构建基于LabVIEW软件设计实验教学软平台。首先，分析LabVIEW的特点，以及基于LabVIEW构建实验教学软平台的技术难点和可行性；其次，分析和归纳课程中的知识点和难点，研究贯穿课程教学的典型实验；再次，规划和设计软件框架，编程实现实验的目标；最后，介绍频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。
关键词：信号与系统；实验教学；LabVIEW；教学软件

0 引言
“信号与系统”是电气工程专业的专业基础课，被广泛应用于自动控制、信号处理、电路与系统等领域。由于该课程理论性强，内容抽象，学生普遍感到理解困难，学习吃力。
通常通过基于硬件或软件的实验加深学生对所学知识的理解。硬件实验利用示波器、波形分析仪、选频电平表等器件观察、测试、分析信号的波形及各种特性，这种方式投资大，维护、更新难。软件实验是利用软件编程对信号进行分析处理，常用软件是Matlab，具有简单易用，集成度高，处理能力强，仿真效果好等特点。但Matlab软件直观性差，无法快速、高效、实时地处理信号，不能完全满足实验教学的需要。
为了进一步提高教学质量，在“信号与系统”实验教学中，需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件。LabVIEW是一款主要应用于计算机数据采集和数字信号处理的软件，采用图形化编程语言，具有形象、直观、数据处理能力强等特点，符合实验教学的要求。基于LabVI EW设计“信号与系统”教学软件，对于提高该课程的教学效果具有重要的意义。
本文首先介绍LabVIEW的特点，针对课程的主要内容，特别是重点内容，分析构建实验软平台的可行性，确定了贯穿整个教学计划的典型实验。另外，根据设计目标，规划设计了软件框架。最后，介绍了频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。

1 LabVIEW的特点
LabVIEW具有图形化的仪器编程环境，内置程序编译器，拥有强大的资料分析软件工具箱，能支持多种系统平台，并提供了开放式的开发平台。尤其是它脱离了具体的电路结构，能从外界采集信号并进行实时处理，运行效率高。另外，其图形化的程序框图和逼真的前面板设置，能激发学生的兴趣，特别适合“信号与系统”实验仿真。
LabVIEW软件含有数量巨大，内容丰富的函数库，特别是针对信号采集和分析，开发了整套的函数包，给信号与系统实验软平台的构建提供了极大的便利。另外，运用LabVIEW软件编程时，基本上不写程序代码，直接用数据流框图表示，大大节约了时间，提高了效率，是其他软件所不能比拟的。
因此，利用LabVIEW软件构建“信号与系统”实验软平台是合适可行的。

2 信号与系统中的难点分析
“信号与系统”公式众多，内容抽象，难以理解。分析发现课程的难点如下：
(1)连续信号与离散信号的转换。实际中经常遇到A／D，D／A转换的情况，由于信号时域和频域特性的差异，在转换中需要应用信号采样理论，以及连续时间信号数字化等内容。
(2)信号的卷积运算。在信号的时域分析中，对于线性时不变系统，系统零状态响应Y(t)就是系统的激励X(t)与系统的单位冲激响应H(t)的卷积，因此卷积运算在“信号与系统”理论中占有重要的地位。卷积运算量大，计算繁琐，是学生学习中的难点。
(3)信号的频域分析。信号的频谱是分析信号的重要工具，通常会应用到数学中傅里叶级数与傅里叶变换的相关知识，其公式繁多，计算量大，并且不易画出图像，学生难掌握。
(4)离散傅里叶变换中遇到的问题。由于计算机只能处理数字化信号，在实际工程中，对连续信号进行频谱分析时应利用离散傅里叶变换做近似处理。这种近似处理除了会使结果存在一定误差外，还会带来频域混叠、信号截断与频谱泄漏、栅栏效应、频率分辨率低等问题。这些内容比较抽象，难度较大。

3 软件的结构和规划
3．1 软件结构
LabVIEW软件结构主要包括程序结构和文档结构。
LabVIEW程序由各种不同的模块组成，根据模块执行方式的不同，程序结构分为三种：顺序结构、并发结构、分布结构。其中，顺序结构是最基本的，程序中的各种模块按顺序执行；并发结构的程序则由若干个可以同时执行的模块组成；分布结构程序中的模块可以彼此隔离，独立运行。
LabVIEW文档结构的基本组成就是VI型文件。其中，包括主VI和各级子VI，层次分明，一目了然，可以对整个文档进行快速浏览和定位。
3．2 软件规划
“信号与系统”实验软平台主要由虚拟信号发生器、各种实验功能模块、信号观察与分析模块、信号处理与保存模块组成。
其中，虚拟仪器发生器主要根据实验需要提供各种信号源。实验功能模块用于实现各种实验内容，比如信号频域分析、卷积运算等。信号观察与分析模块则主要通过示波器、频谱分析仪等实现对信号的实时观察、分析。信号处理和保存模块用于对实验数据进行保存、传输等操作。实验软平台主界面如图1所示。

另外，为顺利达到实验目标，对软件应用做出如下要求：
(1)在实验室中安装最新版的LabVIEW软件，为学生提供最新、最完备的软件编程模块和函数库，以满足实验需要。
(2)选取“信号与系统”课程中的重难点作为实验内容，鼓励学生应用LabVIEW软件编程实现，以强化对知识点的理解。
(3)定期由教师向学生介绍LabVIEW中常用的函数和模块，使学生快速、熟练地掌握LabVIEW软件，以提高效率，加快教学进度。

4 典型知识点分析及LabVIEW实现
在“信号与系统”实验教学中，教师可以通过LabVIEW的界面把数学函数和波形联系起来，使教学直观易懂。学生也可以通过LabVIEW更好地学习“信号与系统”这门课程。