李玉平 陳勉舟

(1湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003;2湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北黃石435003)

“數(shù)字信號處理”是電子信息工程專業(yè)的核心課程，該課程概念抽象，理論性強(qiáng)，算法的推導(dǎo)和證明比較繁瑣［1］。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理課程教學(xué)中理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)部分分開進(jìn)行。教師在教室內(nèi)講授抽象的理論知識，學(xué)生很難對相關(guān)知識點(diǎn)留下深刻的印象，更談不上達(dá)到學(xué)以致用的能力。因此，迫切需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式。

湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院對電子信息工程專業(yè)的部分理論性強(qiáng)和實(shí)踐應(yīng)用要求高的專業(yè)課已打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用“理論課進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)手段，即在實(shí)驗(yàn)室講授理論課程，先用黑板或多媒體技術(shù)講授理論知識，然后教師通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者仿真軟件對該知識點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，并且盡可能給學(xué)生提供實(shí)際動(dòng)手操作的條件。這樣通過教師理論講授與實(shí)驗(yàn)演示，并結(jié)合學(xué)生自己動(dòng)手操作，可使本來抽象難懂的知識簡單化，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。但是傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般比較昂貴，實(shí)驗(yàn)室購置的臺(tái)套數(shù)往往不能滿足大量學(xué)生同時(shí)使用的要求，而由美國國家儀器公司推出的LabVIEW 軟件功能強(qiáng)大，因此，可以通過該軟件模擬硬件功能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。本文對LabVIEW 在數(shù)字信號處理中輔助教學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)簡介

傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備有2 種:第1 種是專用的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，該實(shí)驗(yàn)?zāi)K由硬件和固化的軟件組成，儀器功能由生產(chǎn)廠家來定義并制造，因此傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜、靈活性差，儀器成本高。第2 種是采用數(shù)字信號處理器為核心器件，并通過外圍電路擴(kuò)展和特定軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，但是因?yàn)閿?shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掌握比較困難。為了克服傳統(tǒng)儀器的缺點(diǎn)，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到了越來越廣泛的應(yīng)用，虛擬儀器在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理。

常見的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境為NI 公司研制開發(fā)的LabVIEW，它類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言G 編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式［2］。因此，LabVIEW 具有簡單易學(xué)的特點(diǎn)，它已廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號采集處理和儀器控制軟件。在高校教學(xué)中，使用LabVIEW進(jìn)行軟件仿真，就可以達(dá)到與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器相同的教學(xué)效果，使學(xué)生不會(huì)因?yàn)槿鄙賹?shí)驗(yàn)設(shè)備而失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)［3－4］。

2 LabVIEW 的數(shù)字信號處理仿真實(shí)例

“數(shù)字濾波”是“數(shù)字信號處理”課程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)內(nèi)容。因此，本文以FIR 數(shù)字濾波的工作原理和設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例，說明Lab-VIEW 實(shí)驗(yàn)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 FIR 的工作原理

數(shù)字濾波是將輸入的信號序列，按規(guī)定的算法進(jìn)行處理，從而得到所期望的輸出序列。一個(gè)線性位移不變系統(tǒng)(FIR)的輸出序列y(n)和輸入序列x(n)之間的關(guān)系，滿足常系數(shù)線性差分方程如式(1)所示。FIR 濾波器具有線性相位特性，是一種無條件穩(wěn)定系統(tǒng)［5］。

由式(1)可知濾波器設(shè)計(jì)的核心就是確定濾波器的系數(shù)，確定系數(shù)最常用的方法就是采用有限項(xiàng)傅氏級數(shù)來逼近所要求的濾波器響應(yīng)的方法設(shè)計(jì)FIR 濾波器，表達(dá)式如式(2)所示。

(θ = f/fs為歸一化頻率，fs為采樣頻率，ωT =2πf/fs=2θπ)

系數(shù)Cn的選擇可在最小均方誤差的條件下，使傳遞函數(shù)H(z)逼近Hd(θ)來決定，表達(dá)式如式(3)所示。

設(shè)Hd(θ)為偶函數(shù)，表達(dá)式如式(4)所示。

且C－n=Cn

理想的傳遞函數(shù)Hd(θ)有無限多個(gè)系數(shù)Cn，而實(shí)際的濾波器的系數(shù)只能有有限多個(gè)。因此，可以將式(2)中的無限項(xiàng)級數(shù)進(jìn)行截取，得到近似的傳遞函數(shù)如式(5)所示。

近似傳遞函數(shù)的沖激響應(yīng)是由一系列的系數(shù)來決定:C－Q、C－Q+1、…、C－1、C0、…、CQ－1、CQ，其中bi與Cn之間有如下關(guān)系:

b0=CQ、b1=CQ－1、b2=CQ－2、…、

bQ=C0、bQ+1=C1、…、

b2Q－1=C－Q+1、b2Q= C－Q。

2.2 FIR 在LabVIEW 中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FIR 濾波器設(shè)計(jì)就是根據(jù)實(shí)際信號的采樣頻率、截止頻率和頻譜分析得到的信號特點(diǎn)，選擇窗函數(shù)和濾波器的系數(shù)。LabVIEW 的編程環(huán)境包括前面板和后面板。在本例中采用的是頻率為500 Hz，幅值為100 且加入了高斯噪聲的正弦波信號作為原始信號，根據(jù)采樣定理，當(dāng)時(shí)間信號函數(shù)f(t)的最高頻率分量為fM時(shí)，f(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于1/2fM的采樣值來確定，即采樣點(diǎn)的重復(fù)頻率f ≥2fM。而本例中fM= 500 Hz，因此，結(jié)合實(shí)際信號的特點(diǎn)，選擇FIR 濾波器的采樣頻率為2 kHz，截止頻率為100 Hz。FIR 在LabVIEW中的濾波結(jié)果見前面板圖1，程序見后面板圖2。在前、后面板上修改采樣頻率和截止頻率可改變?yōu)V波器的性能，也可選擇不同的信號觀察濾波效果。

圖1 前面板FIR 濾波結(jié)果

圖2 后面板程序

從圖1 中可以看出原始信號中的高撕噪聲被濾除，保留了正弦信號，達(dá)到了良好的濾波效果。通過以上方法，根據(jù)采樣定理和原始信號的特點(diǎn)，選擇合適的采樣頻率和截止頻率，可以濾除原始信號中的噪聲。

3 LabVIEW 仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用

3.1 LabVIEW 仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式

以上只是“數(shù)字信號處理”課程中FIR 在LabVIEW 中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一個(gè)實(shí)例，電子信息工程專業(yè)的專業(yè)課程基本上都可以通過LabVIEW 仿真，課堂教學(xué)可以根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)、學(xué)生的基礎(chǔ)及教學(xué)體系的結(jié)構(gòu)安排采用以下3 種教學(xué)方式:

1)首先由教師通過黑板或者多媒體技術(shù)講授理論知識，然后由教師演示已構(gòu)建好的該知識點(diǎn)的仿真系統(tǒng)，通過修改參數(shù)，觀察結(jié)果的變化，啟發(fā)學(xué)生思考。這種方式在多媒體教室就可完成，并且適合理論知識不是很抽象，學(xué)時(shí)分配較少的課程。

2)采用“理論課進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)方式，即在實(shí)驗(yàn)室里講授理論課程，先用黑板或多媒體技術(shù)講授理論知識，然后教師通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者仿真軟件對該知識點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，并且盡可能給學(xué)生提供現(xiàn)場實(shí)際動(dòng)手操作的條件。這樣通過教師理論講授和實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生自己動(dòng)手操作，使原本抽象難懂的知識簡單化了，達(dá)到了學(xué)以致用的效果。這種方式在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，至少要保證1～2 名同學(xué)有虛擬儀器。適合實(shí)踐性要求高，學(xué)時(shí)分配較多的課程。

3)可通過課程設(shè)計(jì)或者畢業(yè)設(shè)計(jì)的方式，教師提供給學(xué)生設(shè)計(jì)要求和相關(guān)資料，由學(xué)生對所學(xué)的理論知識在LabVIEW 中仿真，遇到問題由教師講解，并且結(jié)合課程內(nèi)容，給出設(shè)計(jì)報(bào)告。這種方式適合教學(xué)安排比較集中的實(shí)踐課程。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于沒有使用LabVIEW仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，教師通過黑板進(jìn)行講解很辛苦，學(xué)生學(xué)的也很吃力。甚至部分學(xué)生學(xué)完了該門課程仍然沒有理解重點(diǎn)和難點(diǎn)，更別說學(xué)以致用了。把LabVIEW 引入教學(xué)后，理論與實(shí)踐結(jié)合到了一起，取得了良好的教學(xué)效果，具體體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面:

1)在“教”方面，通過LabVIEW 的輔助教學(xué)，給教師提供了豐富多樣的教學(xué)手段，也加強(qiáng)了師生的互動(dòng)，讓教師能及時(shí)了解學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況，可以及時(shí)調(diào)整教學(xué)手段和學(xué)時(shí)分配。

2)在“學(xué)”方面，通過LabVIEW 的輔助教學(xué)，豐富并完善了課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，降低了對實(shí)驗(yàn)儀器的需求，提高了學(xué)生的綜合應(yīng)用與實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合電子信息工程專業(yè)的教學(xué)實(shí)際，采用“理論課進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)手段和LabVIEW的輔助教學(xué)方式，深受師生喜歡。在筆者采用該方式為期1年的教學(xué)中，深深感受到了和傳統(tǒng)教學(xué)模式相比學(xué)生應(yīng)用能力的提高。這樣的教學(xué)模式增強(qiáng)了學(xué)生對基本知識和基本理論的理解和掌握，同時(shí)調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更提高了學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。

［1］劉婷，孫云山，張立毅.數(shù)字信號處理課程的教學(xué)初探［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(12):88－94

［2］黃松齡，吳靜.虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:65－69

［3］楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001:1－4

［4］連海洲，趙英俊.基于LabVIEW 技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化博覽，2001，18(3):21－23

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