数字信号处理远程实验平台的构建

王园园，李婧祺，何雄

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000）

“数字信号处理”课程是电子类专业的一门理论性较强的专业课，数字信号处理包含了很多抽象的概念和理论，很多结论的推导涉及到大量的数学推导过程，学生听起来枯燥无味，理解和掌握起来有一定难度。1989 年美国弗吉尼亚大学将综合不同工具和信息的网络化集成环境定义为虚拟实验室，美国田纳西州的查塔努加大学分校的网上工程实验室设计了很多远程控制实验，包括压力控制、温度控制以及速度控制实验等，密歇根大学建立了一个基于网页的电子远程连线实验室[1-2]。从1998 年开始，西安交通大学电气学院就开始了虚拟仪器与教学结合的教育手法，并于2001 年采用浏览器与服务器的组网模式，建立了基于 Web 的网络远程测控系统。目前，各大高校都开始了虚拟仪器实验室技术的研究，而且效果显著[3-4]。因此对数字信号处理课程中的实验进行网络虚拟化有着非常重要的意义。

1 远程虚拟实验平台

数字信号虚拟实验室包括Web 服务器和客户端两部分。软件框图见图1，其中Web服务器是整个系统的核心部分。用户可以通过 Web 服务器访问LabVIEW 平台下的虚拟仿真实验平台，进行实验操作，获取实验结果[1-2]。LabVIEW 提供了非常简便的方式，可以轻松控制远程计算机上的程序，通过远程前面板和WEB 发布。远程前面板要求服务器和客户端都必须安装相同版本的LabVIEW 开发软件，而WEB 发布功能可以让一台计算机像浏览网页一样查看和控制运行在另一台计算机上的 VI。

在服务器上，选择LabVIEW“工具→WEB发布工具”菜单项，在弹出的“WEB 发布工具”的配置对话框上选取需要发布的VI，并启动WEB 服务器，然后按照提示生成一个WEB 发布的 VI，LabVIEW 为这个 VI 生成一个 html 文件，放置在WEB 服务器的根目录下[5]。只要网络上的其他计算机打开网页浏览器，输入作为WEB服务器的计算机名或IP 地址即可进行访问。在使用WEB 服务时，客户机把需要调用的功能、所需要的参数传递给服务器，服务器对其进行处理后把运行功能得到的结果再返回给客户机。其中程序以超文本传输控制协议（HTTP）为基础，其为单进程协议，因此，访问时需避免访问冲突。

图1 软件框图

2 虚拟实验平台界面主程序设计

此网络虚拟实验平台设计的目的是验证及辅助学习实验，结合数字信号处理课程特点，将课程划分为频谱分析和滤波器设计两个模块，共设计九个实验模块：波形频谱实验（包括典型信号频谱实验和声音信号的频谱实验）、混叠实验、时移实验、加窗的频域分析实验、IIR 滤波器设计实验、FIR 滤波器设计实验、低通滤波器实验、滤波器响应时间实验、中值滤波器实验。系统平台主界面见图 2。

图2 实验平台总界面

3 虚拟实验子项目设计

3.1 声音信号的频谱分析实验设计

频域分析将时间变量变换成频率变量，是数字信号处理的重要概念之一[6-7]。除了对典型信号的频谱分析外，学生掌握生活中信号的频谱分析也很有必要，因此设计声音信号的频谱分析实验，该系统由数据采集模块、数据处理模块和波形显示模块三部分组成： 数据采集模块可实现调节采样频率、通道数、每通道采样比率进行声音信号的采集并存储；数据处理模块，将声音信号通过窗函数进行简单的滤波处理，同时分析处理声音信号相位谱、幅度谱、功率谱；波形显示模块，直接将声音信号处理的波形图像显示出来。实验流程图见图3。

图3 声音信号频谱分析实验流程

在实际实验操作中，数据采集过程如下：在前面板的“数据采集模块”，选择了“存储数据”，选定了采样声音信号参数，包括：通道数数值选择1，每通道采样数数值定为8000，每比特采样数值为16，采样频率数值定为44 100，录取的声音为歌曲《爱的海洋》，点击开始采集，即开始采集信息，同时在“原始波形信号”面板显示波形信号。在声音信息采集完之后，弹出文件保存对话框，两种选择保存类型供选择：WAV 格式或者表格形式，本设计选择的是WAV 格式，数据采集环节完成。数据处理过程如下：设定好选择处理的窗型，当时“相频-幅频”与“功率谱分析窗”选定的是“Hanning”，分析信号的声音格式设定为：通道数数值选择1，每通道采样数数值定为8000，每比特采样数值为16，采样频率数值定为44 100，都设定好后，单击“分析数据”，此时弹出选择文件窗口，选择要处理的文件（本次实验就选择刚采集的声音文件），并设定要处理文件的时间，进行数据处理。实验结果呈现在前面板的下部分——波形显示模块，直接显示这段时间内的原始信号波形、相位谱、幅度谱和功率谱的波形。实验平台前面板如图4 所示。

图4 声音信号处理实验前面板

整个系统按照模块化的思想划分，模块内部功能明确，模块之间相互独立，体现出高内聚，低耦合的良好特性。同时该系统充分利用LabVIEW 软件中事件结构的整合功能以及多线程（Multithreading）技术，为系统的数据采集、存储、分析处理等多个操作自动分配优先级，保证了独立运行，避免系统中的各个独立操作时的调用阻塞，同时提高了CPU 工作效率，节省时间，保证了系统的可靠性，声音信号频谱分析采集程序见图5。

图5 声音信号频谱分析采集程序

3.2 频谱混叠实验设计

频谱混叠是由于对连续时间信号采样，所得到的时域采样信号频谱是原连续时间信号频谱以采样频率为周期的周期延拓，当采样频率不合适时导致原连续信号高、 低频率成分发生混叠的一种现象[8]。因正弦波信号频谱的单一性，实验平台设计仿真信号为一个频率可调的正弦波进行采样，正弦波由LabVIEW 提供的仿真信号Express VI 生成，信号的采样利用波形重采样VI 根据采样频率，采样频率可调，设置采样后，对信号的频谱波形进行观测，可观测到当采样频率小于原始信号的频率的两倍时，两个频谱发生混叠。频谱混叠实验平台如图6 所示，程序后面板如图7 所示。

图6 频谱混叠实验前面板

图7 频谱混叠实验程序

3.3 FIR滤波器实验

数字滤波器通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，滤除信号中无用频率成分。它在许多需要进行数字信号处理的系统中起着非常重要的作用，是数字信号处理中最为重要和关键的概念之一[9-10]。实验平台分别对FIR 滤波器和IIR 滤波器两者进行设计，本文重点对FIR 滤波器设计过程进行说明。

FIR 滤波器设计实验共提供了Hanning、Hamming、Triangular、Blackman、Exact Blackman、Blackman-Harris、Kaiser-Bessel、Flat Top 等 8 种窗函数，滤波器类型设置了低通、高通、带通、带阻四种类型，低通截至频率和高通截至频率分别可调，波形显示设置了幅度谱和相位谱，且可以在线性显示和对数显示之间进行切换。其中滤波器由数字FIR 滤波器VI 进行生成，学生通过实验可观察到不同的窗函数和不同的滤波器类型所对应的幅度谱和相位谱。FIR 滤波器设计实验前面板如图8 所示，程序后面板如图9 所示。

4 结论

以LabVIEW 为工具设计的数字信号处理实验平台，包含了数字信号处理课程中的常见实验，如频谱分析、IIR 滤波器设计、FIR 滤波器设计等，本实验平台多为验证性、学习性实验，操作简单直观，将繁琐的公式图形化、趣味化，通过实验，学生可以直观地了解课程中的核心知识点。且实验平台通过WEB 进行网络发布，为学生提供开放式的实验环境，实现教学资源的共享，使学生在常规课程之余，通过网络随时随地进行实验，使网络虚拟实验能够真正打破时间和空间的限制，更好地为教学和研究服务。

图8 FIR 滤波器设计实验前面板

图9 FIR 滤波器设计实验程序