何伶俐

（川北醫(yī)學院 影像學系，四川 南充 637000）

《信號與系統(tǒng)》虛擬實驗研究*

何伶俐

（川北醫(yī)學院 影像學系，四川 南充 637000）

針對傳統(tǒng)以實物為主的《信號與系統(tǒng)》實驗中存在的各種弊端，以LabVIEW、MatLab和Multisim相結合構建了虛擬實驗平臺，并通過幾個實例展示了其具體應用。經教學實踐證明，《信號與系統(tǒng)》虛擬實驗具有直觀、形象、便于學生理解等優(yōu)點，有效解決了傳統(tǒng)實驗中存在的問題，對調動學生的學習積極性和激發(fā)實驗興趣，提高實驗教學質量起到了積極的作用。

信號與系統(tǒng)；虛擬實驗；LabVIEW；MatLab；Multisim

《信號與系統(tǒng)》是生物醫(yī)學工程專業(yè)和其他電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎課，課程理論性強，內容較為抽象。為了讓學生能更好地理解教材的內容和概念，實驗教學尤為重要。傳統(tǒng)的實驗教學一般采用以實驗箱為主的硬件實驗，學生按照實驗要求連接電路，通過示波器或頻譜儀觀察實驗結果。這種教學方式存在一定的局限性：①有些實驗如傅里葉變換、卷積等無法通過硬件電路實現(xiàn)；②學生只是通過簡單的連接電路就能得出實驗結果，對實驗原理理解不夠深刻；③實驗箱老化和部分元件損壞等因素導致實驗成功率低，嚴重挫傷學生的實驗積極性和影響教學效果[1]。隨著計算機技術及仿真工具軟件的發(fā)展，虛擬實驗已經成為實驗教學的重要模式，它補充和完善了傳統(tǒng)的實驗教學方式，有效地解決了傳統(tǒng)實驗存在的問題[2-4]。針對《信號與系統(tǒng)》實驗的特點，本文采用LabVIEW、Matlab和Multisim三種軟件相結合，構建虛擬實驗平臺。

一、基于LabVIEW的虛擬實驗

LabVIEW是美國國家儀器公司 (National Instruments，NI)推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境,使用這種語言編程時,基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或程序框圖，將繁瑣復雜的語言編程簡化，省時方便，而且LabVIEW的高級分析庫還提供了豐富的信號分析處理相關模塊，利用它們能非常方便的構建所需要的實驗平臺。下面以卷積實驗為例，說明LabVIEW的應用。

卷積是線性系統(tǒng)時域分析方法中的一種，卷積運算在測試信號處理中占用非常重要的地位，利用它可以求線性系統(tǒng)對任何激勵信號的零狀態(tài)響應，是聯(lián)系信號時域-頻域的一個橋梁，卷積的定義為：

從式（1）可以看出系統(tǒng)的輸出y(t)是任意輸入x(t)與系統(tǒng)沖擊響應函數(shù)h(t)的卷積，因此利用卷積可以描述線性時不變系統(tǒng)的輸入與輸出關系[5]。

LabVIEW信號源庫提供了豐富的信號源，除常見的正弦信號、方波信號、三角波信號、階躍信號和沖擊信號之外，用戶還可以根據(jù)需要構建一些特殊信號。本實驗提供了正弦、方波、三角波在前面板上供選擇，這里選擇x(t)為正弦信號。LabVIEW函數(shù)庫里還提供了專門的卷積函數(shù)，將正弦信號和沖擊信號送入卷積函數(shù)，在前面板上能直接看到卷積結果。通過卷積滑動桿，還可以控制整個卷積過程[6]（見圖1）。采用基于LabVIEW軟件的虛擬實驗，能把硬件電路無法完成的卷積實驗以非常直觀形象的方式展示出來。

二、LabVIEW和MatLab聯(lián)合仿真實驗

除LabVIEW外，Matlab也是信號與系統(tǒng)實驗常用的軟件。Matlab提供的豐富的信號處理函數(shù)為信號與系統(tǒng)分析提供了有效手段，但是它在界面開發(fā)、儀器連接控制等方面遠不如LabVIEW，因此如果將兩者混合使用，則可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，解決實驗過程中界面開發(fā)和數(shù)值分析計算等問題[7]。LabVIEW提供了Matlab Script節(jié)點，允許按照Matlab的語法編寫并執(zhí)行腳本，因此，LabVIEW和Matlab混合編程為學生提供了靈活的實驗環(huán)境和有效的實驗手段，有助于他們提高分析和解決問題的能力，更好的理解和掌握信號與系統(tǒng)課程的理論知識。這里以幅度調制解調實驗為例說明Lab-VIEW和Matlab混合編程的方法。

圖1 卷積實驗

在通信系統(tǒng)中，為了充分利用帶寬，常常需要將頻率為fi的信號x(t)“搬移”到另一頻率fo處，采用的方法是用頻率為fo的正弦信號c(t)作為載波信號去乘x(t)，這個過程稱為“調制”；當信號傳輸完成后，需要從已調制信號中恢復出x(t)，這時用載波信號c(t)再次去乘以調制后的信號，然后用低通濾波器濾除高頻部分，就能得到x(t)，這個過程稱為“解調”[8]。從圖2可以非常清楚的觀察到整個調制與解調過程：原始信號和載波信號均為正弦信號，信號頻率可通過前面板設置，原始信號和載波信號相乘后得到調制信號DSB，采用LabVIEW提供的FFT函數(shù)對DSB做傅里葉變換后得到其頻譜圖，從頻譜圖看出，調制后信號DSB的頻率被“搬移”到了載波信號的頻率10kHz處，達到了調制的目的。信號傳輸結束后，為了恢復出原始信號，用調制后的信號DSB再次乘以載波信號c(t)得到解調信號y1，為了恢復出原始信號，對y1進行低通濾波后即可。通過這種直觀的實驗方式，學生更容易理解調制與解調原理。

三、LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真實驗

Multisim是NI公司推出的專門用于電路仿真和設計的電子設計自動化軟件，能實現(xiàn)電路設計與仿真、性能分析、時序測試等功能。傳統(tǒng)的以實驗箱為主的硬件實驗完全可以用Multisim虛擬實驗來替代，這樣學生可以從實驗電路圖更深刻的理解實驗原理。如果涉及到相關參數(shù)計算和判別，采用LabVIEW和Multisim的聯(lián)合仿真來完成，既可充分利用Multisim在電路仿真中的優(yōu)勢，又可利用LabVIEW在參數(shù)計算中的優(yōu)勢，能達到最佳的實驗效果[9]。以二階系統(tǒng)的時域響應為例，說明LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真的應用。

圖2 調制解調實驗

首先，在Multisim 13中搭建實驗電路，在電路中放置LabVIEW交互接口以實現(xiàn)與LabVIEW之間的數(shù)據(jù)傳遞，參數(shù)調整端K采用了壓控電阻，通過LabVIEW輸入控件可以改變電阻的阻值，如圖3所示。根據(jù)電路知識[10]，很容易求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

其中：T1=200kΩ×1μF=0.2s，T2=500kΩ×1μF=0.5s，K是可調的比例系數(shù)。

二階系統(tǒng)標準傳遞函數(shù)：

比較式（2）、式（3）可得：

顯然，只要改變K值，就能同時改變ωn和ξ，從而得到欠阻尼(0<ξ<1)、臨界阻尼（ξ=1）和過阻尼（ξ>1)三種狀態(tài)下的響應曲線，通過LabVIEW程序判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)并在前面板上顯示出來。

四、結論

教學實踐證明，由LabVIEW、Matlab和Multisim構建的虛擬實驗有效解決了傳統(tǒng)實物實驗教學中存在的各種問題，將一些抽象難懂的概念轉變成形象直觀的圖形和實例，可以加深學生對理論知識的理解，對調動學生的學習積極性和激發(fā)實驗興趣，提高實驗教學質量起到了積極的作用。

圖3 二階系統(tǒng)時域響應實驗

[1]何伶俐,王宇峰,祝元仲.《電子技術基礎實驗》教學改革與探索[J].實驗科學與技術,2014,12(4):112-113.

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[6]周鵬,許剛,馬曉瑜等.精通 LabVIEW 信號處理[M].北京:清華大學出版社,2013.

[7]范哲意,何冰松,劉志文等.基于LabVIEW和MATLAB混合編程的信號與系統(tǒng)實驗教學[J].實驗室科學,2012,15(5):93-95.

[8]鄭君里,應啟珩,楊為理.信號與系統(tǒng):上冊(第2版)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[9]周艷,陳永建.基于LabVIEW和Multisim的虛擬電子實驗系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用,2013,22(11):70-73.

[10]李瀚蓀.簡明電路分析基礎[M].北京:高等教育出版社,2002.

（編輯：魯利瑞）

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1673-8454（2017）14-0094-03

四川省教育廳項目“醫(yī)學院校中生物醫(yī)學工程專業(yè)改革與課程體系優(yōu)化”（項目編號：14-156-350）。