基于LabVIEW的信号与系统虚拟实验平台的设计

李 琦，陈玲玲，2*

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 130022；2吉林大学 计算机学院 信息科学重点实验室，吉林 长春 130012)

“信号与系统”是通信工程、电子信息工程、自动化等电子信息类专业的一门核心课程，同时也是通信与信息系统和信号与信息处理学科的硕士研究生入学考试的必考课程[1,2]。本课程涉及的内容有信号分析、连续时间系统和离散时间系统的时域和频域分析、傅里叶变换、拉普拉斯变换及Z变换等[3,4]，概念比较抽象，数学运算比较繁琐，而且分析结果缺乏直观的展示，学生很难理解所得结果在信号处理中的实际应用[5,6]。因此它具有理论严谨、系统性强，难于理解的特点。然而仅仅利用课内实验的这种方式展现课程内容，恐怕学生接受起来过于困难。而LabVIEW[7]是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，具有先进、灵活、可视化的特点，通过信号处理模块提供信号与系统的分析、设计与实现函数，恰恰提供了易于理解信号与系统这门课程的平台。因此本文正是基于LabVIEW语言的特点[8]，搭建一个信号与系统可视化实验平台，使得教学和实验过程直观易懂，具有良好操作性。与数字通信原理实验平台[9]和数字信号处理实验平台[10]相比，实验原理更容易理解，实际界面更容易操作，人机界面具有交互性。因此，此实验平台可以更加形象地展示信号与系统课程。

一、整体设计

根据信号与系统课程大纲要求及实验学分的限定，本实验平台结合实际，利用LabVIEW自上而下的设计思想，构建出整个实验平台的系统结构框图如图1所示，该结构是系统总的设计原则。然后设置信号与系统实验模块，分成三个层级，其中包括初级型实验、中级型实验、高级型实验，其中初级型实验有基本信号的生成、公式设定信号的生成和模拟信号的抽样与频谱分析，中级型实验有周期信号的时域特性、验证卷积结合率实验和连续信号卷积实验，高级型实验有FFT实验、使用FFT分析信号幅度谱和相位谱和带通滤波器实验。并且利用LabVIEW分别实现其子模块，同时设置开始、停止、退出三个按钮构成主界面。最后利用vi程序实现各个子实验模块的整体链接，构成可视化易操作的实验平台。

(一) 虚拟实验平台的系统结构图

虚拟实验平台结构如图1所示。

图1 虚拟实验平台的系统结构图

(二) 程序内部模块生成

利用LabVIEW的图形化编程语言，对信号与系统实验进行编程设计，直观展示实验效果。下面就以“基本信号的生成”、“模拟信号的抽样与频谱分析”、“周期信号的时域特性”、“验证卷积结合率”、“FFT变换”以及“使用FFT分析信号幅度谱和相位谱”六个实验为例描述程序模块的设计。

1.基本信号的生成

在信号与系统中，一些基本的波形信号常被变换、处理。本节使用LabVIEW实现波形可视化，并且通过修改信号的幅值、相位、频率、方波占空比、偏移量、信号、类型、采样点数以及采样率对波形进行修改。具体设计步骤如下：

新建“基本信号的生成.vi”，添加一个While循环结构，以便连续地生成和观察信号的波形。在循环结构中添加一个“基本函数发生器.vi”，并在前面板中添加相应的输入控件和输出波形。设置输入参数为：信号类型sine、幅度1、频率10、方波占空比50、采样率1 000、采样点数1 000。“基本信号的生成.vi”的程序框图和前面板如图2和3所示。

图2 “基本信号的生成.vi”的程序框图

图3 “基本信号的生成.vi”的前面板

2.模拟信号的抽样与频谱分析

信号的抽样就是从连续信号中抽取信号样本，构成离散时间序列。如果信号满足抽样定理，那么就可以通过抽样信号恢复出原始连续时间信号。频谱分析的目的是将复杂的混合信号分解为简单的信号。具体设计步骤如下：

新建“模拟信号抽样和频谱分析.vi”，在程序框图中添加基于持续时间的信号发生器，设定信号的采样点数为1 000，幅值1，频率5，采样率1 000。在前面板上添加波形图显示信号。添加频谱分析.vi，其属性设置为：频谱测量为幅度(峰值)，选择Hanning窗。在前面板中添加波形图观察幅度。本实验采用While结构，可以持续观察实验。“模拟信号的抽样与频谱分析.vi”的程序框图和前面板如图4和5所示。

图4 “模拟信号的抽样与频谱分析.vi”的程序框图

图5 “模拟信号的抽样与频谱分析.vi”的前面板

3.周期信号的时域特性

在连续的信号中叠加高斯白噪声通过显示控件，不仅可以观察到信号周期、脉冲时长、占空比等周期特性，还可以观测到幅值、高低电平等时域特性。具体设计步骤如下：

新建“周期信号的时域特性.vi”，添加一个While循环结构，以便连续地生成和观察信号波形。在While循环结构中添加一个“正弦波波形.vi”和“高斯白噪声.vi”，生成一个叠加高斯白噪声的正弦波波形。在程序框图中添加“脉冲测量.vi”与“幅值和电平.vi”，建立相应的输入控件和显示控件，并设置参数：幅值10，频率10，采样点数1 000，采样率1 000，噪声标准差1。“周期信号的时域特性.vi”的程序框图和前面板如图6和7所示。

图6 “周期信号的时域特性.vi”的程序框图

图7 “周期信号的时域特性.vi”的前面板

4.验证卷积结合律

作为连续信号与系统时域分析法的基本手段，卷积用于求解系统零状态响应，在求解微分方程时避免待定常数等复杂问题。连续信号f1(t)和f2(t)的卷积运算如公式(1)所示：

(1)

具体设计步骤如下：

新建“验证卷积结合律.vi，在程序框图中添加一个“Chirp信号.vi”、一个“方波.vi”和一个“斜坡信号.vi”，分别用来生成三个离散的时间序列：x(n)生成线性调频信号，h1(n)生成方波信号，h2(n)生成斜坡信号。“验证卷积结合律.vi”的程序框图和前面板如图8和9所示。

图8 “验证卷积结合律.vi”的程序框图

图9 “验证卷积结合律.vi”的前面板

5.FFT变换

傅里叶变换是频域分析的基础，其基本思想是将信号从时域映射到频域，从而将信号的幅度和相位两个方面的信息在频域展示出来。信号f(t)的傅里叶变换如公式(2)所示：

(2)

具体设计步骤如下：

新建“FFT变换.vi”，添加一个While循环结构，以便连续地生成和观察波形。在While循环结构中添加一个正弦信号.vi、高斯白噪声.vi和巴特沃兹滤波器.vi。添加FFT.vi和滤波器，在前面板上添加响应的控件和波形图，设置参数为采样率为500、幅值1、周期5、采样率2为1 000、采样率3为1 000、高截止频率2 000、低截止频率为500。实验前面板显示和程序面板分别如图10和11所示。

图10 “FFT变换.vi”的程序框图

图11 “FFT变换.vi”的前面板

6.使用FFT分析信号幅度谱和相位谱

新建“使用FFT分析信号幅度谱和相位谱.vi”,在程序框图中添加一个混合单频与噪声波形vi用来生成两个不同频率、幅值和初相位的正弦波叠加信号并设定参数为，正弦波A：频率100 Hz，幅值1，初相位90；正弦波B：频率300 Hz，幅值2，初相位0.还要叠加均方根值为1的白噪声信号。添加“FFT频谱(幅度—相位).vi”，使用Hanning窗分析生成的原始信号。

图12 “使用FFT分析信号幅度谱和相位谱.vi”的程序框图

图13 “使用FFT分析信号幅度谱和相位谱.vi”的前面板

(三) 人机界面

在完成所有实验子模块设计后，按照初级型、中级型以及高级型三种类型实验进行分类，并整合到一个界面上。点击相应的实验项目菜单进行实验，实验完成后点击停止按钮就可以结束本次实验，这样方便了教师、学生使用和查看各个实验模块的功能。人机界面如图14所示。

图14 实验台前面板

二、结 语

信号与系统实验平台的设计方案利用LabVIEW图形化编程语言构建了信号与系统实验平台。该平台具有较强的信号与系统分析功能，具有简单、直观、人机交互易操作等特点，同时不仅方便了学生和教师，还节省了实际的实验教学成本。而且能使学生能直观地领会和理解“信号与系统”课程中的基本原理，从而可以提高学生的学习积极性和实验教学效果。