【摘 要】本文通過(guò)創(chuàng)設(shè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建設(shè)了信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出科學(xué)合理的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方案。首先介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)及功能，其次給出了利用MATLAB軟件創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，構(gòu)建信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法，最后說(shuō)明了虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)室課程建設(shè)的重要性，達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)效果，值得進(jìn)一步的研究。

【關(guān)鍵詞】MATLAB 信號(hào)處理 虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI將C語(yǔ)言平臺(tái)數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來(lái)。它的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的的功能面板和庫(kù)函數(shù)，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。MATLAB是一種面向科學(xué)和工程的高度集成化的高級(jí)語(yǔ)言。使用MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的表達(dá)方式和思路完全一致，也能使學(xué)員把重點(diǎn)放在對(duì)概念和方法的理解上，而不是算法的編程上，從而大大提高實(shí)驗(yàn)效率。

我們采用LabWindows/CVI和MATLAB語(yǔ)言混合編程，通過(guò)創(chuàng)設(shè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建設(shè)了信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室。

1 軟件設(shè)計(jì)思路

1.1信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

與傳統(tǒng)硬件信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)比較，虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：虛擬環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的引導(dǎo)性；實(shí)驗(yàn)成本低且實(shí)驗(yàn)器材的選擇余地大，易于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間較少，實(shí)驗(yàn)效率高，不必?fù)?dān)心損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能輕松的進(jìn)行邊緣情況的實(shí)驗(yàn)；便于記錄和分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，該軟件調(diào)用MATLAB的各信號(hào)處理函數(shù)、MATLAB自帶的專門完成信號(hào)處理任務(wù)的SPTooL、FDATooL工具箱，同時(shí)利用MATLAB和CVI語(yǔ)言的混合編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的所有功能。

1.2軟件結(jié)構(gòu)及模塊功能

軟件的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。各模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。識(shí)別學(xué)員所需要的實(shí)驗(yàn)，不僅包括通用教材上的，也包括和日常生活聯(lián)系較為密切的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?。?duì)學(xué)員選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟮囊?guī)定，要盡可能降低操作者實(shí)驗(yàn)的盲目性。

實(shí)驗(yàn)方法和注意事項(xiàng)。該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所選實(shí)驗(yàn)的方法的列舉和論述；并在其中選擇最適合學(xué)員的一種作為最后的方法。同時(shí)，在敘述過(guò)程中，會(huì)認(rèn)真的提醒操作者所需要注意的事項(xiàng)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程指導(dǎo)。該模塊是整個(gè)軟件的核心和關(guān)鍵，它不僅要完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程指導(dǎo)，而且要對(duì)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行描述和分析，在此模塊中，還包括參數(shù)處理、信號(hào)分析、信號(hào)抽樣仿真、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)特性仿真五大模塊。各個(gè)模塊的主要功能如下：

參數(shù)處理。完成學(xué)員對(duì)自己要做實(shí)驗(yàn)參數(shù)的自行設(shè)定，即使學(xué)員不設(shè)定，每一個(gè)參數(shù)都能有默認(rèn)的參數(shù)。

信號(hào)分析。由于數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)主要是完成對(duì)輸入信號(hào)的濾波等操作，所以對(duì)學(xué)員所輸入信號(hào)特性的分析是不可少的，如信號(hào)的頻譜、功率譜等。

信號(hào)抽樣仿真。數(shù)字信號(hào)的處理方式要求將連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散化。

圖1信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)

濾波器設(shè)計(jì)及系統(tǒng)分析。包括模擬濾波器設(shè)計(jì)和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。對(duì)于某個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分析也是不可少的，這是一般科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，如系統(tǒng)的線性、穩(wěn)定性以及圖形的繪制。

系統(tǒng)特性仿真。主要是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成各種特性的可視化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。主要是在圖形上對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，明確該系統(tǒng)的功能。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告輸出。該模塊是整個(gè)軟件的智能核心，它是模擬正常實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程作記錄，并完成最后的匯總輸出。

2 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由CVI設(shè)計(jì)出友好的界面，創(chuàng)設(shè)出虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，具有引導(dǎo)和交互功能，并能根據(jù)要求調(diào)用MATLAB。用戶可以很方便地在適當(dāng)?shù)拇翱谶x取和修改數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)的選取對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步加深對(duì)信號(hào)處理原理的理解和各知識(shí)點(diǎn)的對(duì)比。除了要完成使用的各個(gè)部分的功能外，還可以調(diào)用SPTooL和FDATooL兩個(gè)工具箱作為對(duì)某一特定的信號(hào)和濾波器分析和設(shè)計(jì)，更好的發(fā)揮作用。

SPTooL是MATLAB的信號(hào)處理工具箱中一個(gè)具有交互式圖形用戶界面的信號(hào)處理工具，專門用于完成常用的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。這個(gè)工具包含了工具箱中許多重要函數(shù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、濾波器與功率譜的分析、處理和操作。它由信號(hào)瀏覽器、濾波器設(shè)計(jì)程序、濾波器查看程序和功率譜查看程序四個(gè)模塊組成。FDATooL是MATLAB的另一個(gè)專門用于濾波器的設(shè)計(jì)和分析的工具，它專屬于MATLAB的FDATooL中，它可以較好的實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)及對(duì)濾波器的幅頻、相頻、零極點(diǎn)分析及其階躍響應(yīng)等。

3 系統(tǒng)使用效果

理解原理更加形象準(zhǔn)確。由于信號(hào)處理算法中采用了大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)員對(duì)算法的理解大多局限在數(shù)學(xué)層面上，比較抽象。而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，處理前后的信號(hào)或系統(tǒng)都是以圖形的形狀出現(xiàn)的，這就加深了學(xué)員對(duì)信號(hào)處理算法和原理的理解。

利于調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室課的內(nèi)容大多是驗(yàn)證和理解課堂教學(xué)內(nèi)容，但是，如此單一層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)對(duì)能接觸到大量現(xiàn)代化信息和媒體的學(xué)員來(lái)說(shuō)已經(jīng)不能滿足其學(xué)習(xí)的需要，然而虛擬實(shí)驗(yàn)正好可以彌補(bǔ)到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的不足，可以較好的調(diào)動(dòng)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性。

使用方便、價(jià)格低廉。學(xué)員拷貝該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，就不需要和教員預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，很方便地在自己的計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)。另外，硬件實(shí)驗(yàn)需要儀器表價(jià)格比較昂貴，計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)則具有投資小，且達(dá)到相同甚至更好實(shí)驗(yàn)效果的優(yōu)越性。

4 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵在于它突破了原先的只用計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)的一部分，而不能處理實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程的不足，可全程跟蹤實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其中的每一個(gè)步驟進(jìn)行引導(dǎo)和提醒，直至將實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整生成。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)員提供了大量的實(shí)例，為學(xué)員留下動(dòng)手實(shí)踐的空間，同時(shí)學(xué)員也可以從中學(xué)習(xí)到數(shù)字信號(hào)處理的一些基本原理。

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作者簡(jiǎn)介：霍連利（1958-），男，實(shí)驗(yàn)教學(xué)副教授，主要研究方向：實(shí)驗(yàn)教學(xué)與技術(shù)。