胡衛(wèi)軍等

摘要：針對“信號與系統(tǒng)”課程教學中概念抽象、公式繁多、學生理解困難的特點，通過具體實例研究了LabVIEW在任意信號產生、頻譜分析和幅度調制解調等方面的應用。從而達到加深學生對所學知識點的理解，降低學生學習難度的目的。

關鍵詞：信號與系統(tǒng)；教學；LabVIEW；應用

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）16-3837-03

Abstract： Aimed at the characteristic of teaching in ‘Signals and Systems， such as abstract concept， complicated formulas and students unclearness， the application of LabVIEW is discussed through examples. The examples include arbitrary signals generating， frequency spectrum analyzing and amplitude modulating and de-modulating. In this way， the students comprehending of knowledge in this course can be promoted and their studying difficulty can be reduced.

Key words： signals and system； teaching； LabVIEW； application

1 概述

目前，新一代互聯(lián)網、物聯(lián)網、云計算為代表的新信息技術正如火如荼地迅猛發(fā)展，日益受到全球矚目。而信息技術及其相關領域和學科的發(fā)展，無不滲透著信號與系統(tǒng)的概念和分析方法。作為研究信號與系統(tǒng)分析的基本理論和方法的一門基礎課程，其重要性也日益凸顯[1]?！靶盘柵c系統(tǒng)”作為高等院校測控、通信、計算機等電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程[2]。該課程的主要目的是使學生掌握信號與系統(tǒng)的基本概念和基本分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學習和今后從事相關的科學技術工作打下牢固的基礎 [3]。該課程理論性強，涉及微積分、工程數學等較復雜的數學推理和計算；實踐性強，需要通過實驗培養(yǎng)學生處理工程應用中信號處理問題的綜合能力；系統(tǒng)性強，其核心概念、原理和應用設計的教學大多都要以系統(tǒng)模型出發(fā)點[4]。LabVIEW 是美國國家儀器公司（NI）近20幾年開發(fā)出的一種圖形化的編程語言，這種語言采用流程圖方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼編程。LabVIEW 提供了大量函數，且這些函數可以被層次化無限調用。LabVIEW中運用的術語、圖標和概念，幾乎都是技術人員、科學家、工程師所熟悉的，因此，它是一個面向最終用戶的開發(fā)工具，不僅能夠使用戶構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力增強，而且還為實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)提供了便捷地途徑[5]。正是基于在教學中碰到的困難和問題和LabVIEW的以上優(yōu)點，在此利用其通過一些實例來說明其在“信號與系統(tǒng)”教學上的應用。

2 虛擬任意信號發(fā)生器

“信號與系統(tǒng)”課程主要內容及時是從時域和頻域兩個方面對信號的定義和特征進行分析，從而形成對由信號單元組成的系統(tǒng)進行分析。信號與系統(tǒng)的定義及其特征分析過程均涉及較為復雜的公式及其推導。各種具體或一般化的信號與系統(tǒng)一般可以用數學函數，微分方程、差分方程、波形圖、系統(tǒng)框圖等來表征。通過LabVIEW編程，可以比較方便快捷地得到各種類型的信號。虛擬任意信號發(fā)生器主要就是實現這樣一個功能。LabVIEW可以通過對公式的描述來控制信號的輸出圖形。

例如：如果要得到[f（t）=5cos（5.1πt+2）+2sin（2.1πt+3）]信號的時域波形，只需在LabVIEW建立如圖1.a所示程序框圖，就可在前面板波形圖中得到該信號的波形，如圖1.b所示。如果需要產生其他的信號，只需要修改程序框圖中的公式節(jié)點內的公式即可。

可以看到，由于是模塊化的程序框圖編程，編程是很簡單的。

3 信號頻譜分析

頻譜分析是信號與系統(tǒng)中對信號進行頻域分析的重要手段，能夠獲得信號的頻率成分。在信號處理中占有重要的地位。在LabVIEW中，可以利用 “函數-信號處理-變換”子模板或者“函數-信號處理-譜分析子模板”來實現信號的傅立葉變換和信號的頻率分析。傅立葉變換是“信號與系統(tǒng)”課程中的一個重要變換，也是學生普遍反映學習難點之一。通過傅立葉變化可以很方便的觀察信號的頻域特征，進行信號的頻譜計算，直觀地區(qū)分信號的頻率成分。例如對信號[f（t）=5sin（10.2πt+2）+2sin（4.2πt+3）]進行頻譜分析，只需基于波形生成模塊和FFT模塊通過一個While循環(huán)就可以得到圖2所示該信號的頻譜。

可以明顯的看到該信號的頻率主要分布在在2.1Hz和5.1Hz。

4 幅度調制解調器

在通信系統(tǒng)中，幅度調制和解調是高頻信道傳輸低頻信號的一種常用方法。調幅（AM）利用低頻調制信號去控制高頻載波信號的振幅，從而導致高頻載波信號的幅值隨調制信號的變化而變化，從而將低頻調制信號調制成高頻信號在高頻信道中傳輸。幅度調制中最通常的形式是正弦幅度調制。假設低頻調制信號為[ft] ，載波信號為：

[ct=Accosωct+θc] （1）

則已調信號可以寫為：

[?AMt=Acftcosωct+θc] （2）

在信號接收端對應的解調方式可以采用同步解調方式。只需將已調信號再次乘以[ct]，得到：

[?ADMt=12Acft+12Acftcos2ωct+2θc] （3）endprint

將式（3）所表示的解調波通過截止頻率為[ωc]，幅度為2/[Ac]的理想低通濾波器就可以得到信號發(fā)送端的低頻信號[ft]。

為了方便討論和LabVIEW的具體實現，采樣點數設置為20000點，載波信號和調制信號均假設為正弦波，其頻率分別設置為500Hz和5Hz， 幅值分別設置為1V和5V，初始相位均設置為0。采樣頻率設為20000Hz。低通濾波器采用1階巴特沃斯低通濾波器，將其低截止頻率設置為5Hz。這樣就可以采用LabVIEW的控件進行程序框圖和前面板的制作，如圖3所示。

在圖3（a）中，可以看到，調制解調器的實現實際上是一個小型的系統(tǒng)，包括了信號的產生、信號的簡單運算、信號的濾波以及信號的顯示。 從圖3（b）可以直觀地看出低頻調制信號被高頻載波調制結果，以及解調信號與原低頻調制信號的差異很小。通過虛擬調制解調器的設計，可以很清楚地了解信號的調制解調過程。學生可以在此程序框圖的基礎上修改信號的波形類型及其參數，以及濾波器的類型。從而舉一反三，加深對幅度調制以及信號濾波原理和具體實現的理解。

5 結論

本文基于實例，重點研究了LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”課程中的虛擬任意信號發(fā)生器、信號頻譜分析和虛擬幅度調制解調器等三方面的應用。學生可以通過對這些實例的學習加深所學知識點的理解，減輕學生的畏難情緒，提高學生的學習興趣，使整個教學過程更順利。此外，由于LabVIEW是程序框圖式的編程方式，學生可以在學習過程中舉一反三，自己動手編程對其他信號和系統(tǒng)進行分析。

參考文獻：

[1] 劉百芬，張利華.信號與系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2012：1-2.

[2] 沈君鳳.“信號與系統(tǒng)”課程教學方法探索與實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2012，2：178-180.

[3] 丹梅，陶華敏，劉 忠，馮德軍，周金波.信號與系統(tǒng)課程多媒體輔助教學的實踐與思考[J].高等教育研究學報，2009，32（1）：71-73.

[4] 劉世金，許高骕，張敬泉.信號與系統(tǒng)課程的可視化仿真教學研究[J].計算機時代，2012（3）：45-47.

[5] 周雅，王紅艷，焦曉波.LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”教學中的應用研究[J].中國電力教育，2010（25）：61-63.endprint

將式（3）所表示的解調波通過截止頻率為[ωc]，幅度為2/[Ac]的理想低通濾波器就可以得到信號發(fā)送端的低頻信號[ft]。

為了方便討論和LabVIEW的具體實現，采樣點數設置為20000點，載波信號和調制信號均假設為正弦波，其頻率分別設置為500Hz和5Hz， 幅值分別設置為1V和5V，初始相位均設置為0。采樣頻率設為20000Hz。低通濾波器采用1階巴特沃斯低通濾波器，將其低截止頻率設置為5Hz。這樣就可以采用LabVIEW的控件進行程序框圖和前面板的制作，如圖3所示。

在圖3（a）中，可以看到，調制解調器的實現實際上是一個小型的系統(tǒng)，包括了信號的產生、信號的簡單運算、信號的濾波以及信號的顯示。 從圖3（b）可以直觀地看出低頻調制信號被高頻載波調制結果，以及解調信號與原低頻調制信號的差異很小。通過虛擬調制解調器的設計，可以很清楚地了解信號的調制解調過程。學生可以在此程序框圖的基礎上修改信號的波形類型及其參數，以及濾波器的類型。從而舉一反三，加深對幅度調制以及信號濾波原理和具體實現的理解。

5 結論

本文基于實例，重點研究了LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”課程中的虛擬任意信號發(fā)生器、信號頻譜分析和虛擬幅度調制解調器等三方面的應用。學生可以通過對這些實例的學習加深所學知識點的理解，減輕學生的畏難情緒，提高學生的學習興趣，使整個教學過程更順利。此外，由于LabVIEW是程序框圖式的編程方式，學生可以在學習過程中舉一反三，自己動手編程對其他信號和系統(tǒng)進行分析。

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[5] 周雅，王紅艷，焦曉波.LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”教學中的應用研究[J].中國電力教育，2010（25）：61-63.endprint

將式（3）所表示的解調波通過截止頻率為[ωc]，幅度為2/[Ac]的理想低通濾波器就可以得到信號發(fā)送端的低頻信號[ft]。

為了方便討論和LabVIEW的具體實現，采樣點數設置為20000點，載波信號和調制信號均假設為正弦波，其頻率分別設置為500Hz和5Hz， 幅值分別設置為1V和5V，初始相位均設置為0。采樣頻率設為20000Hz。低通濾波器采用1階巴特沃斯低通濾波器，將其低截止頻率設置為5Hz。這樣就可以采用LabVIEW的控件進行程序框圖和前面板的制作，如圖3所示。

在圖3（a）中，可以看到，調制解調器的實現實際上是一個小型的系統(tǒng)，包括了信號的產生、信號的簡單運算、信號的濾波以及信號的顯示。 從圖3（b）可以直觀地看出低頻調制信號被高頻載波調制結果，以及解調信號與原低頻調制信號的差異很小。通過虛擬調制解調器的設計，可以很清楚地了解信號的調制解調過程。學生可以在此程序框圖的基礎上修改信號的波形類型及其參數，以及濾波器的類型。從而舉一反三，加深對幅度調制以及信號濾波原理和具體實現的理解。

5 結論

本文基于實例，重點研究了LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”課程中的虛擬任意信號發(fā)生器、信號頻譜分析和虛擬幅度調制解調器等三方面的應用。學生可以通過對這些實例的學習加深所學知識點的理解，減輕學生的畏難情緒，提高學生的學習興趣，使整個教學過程更順利。此外，由于LabVIEW是程序框圖式的編程方式，學生可以在學習過程中舉一反三，自己動手編程對其他信號和系統(tǒng)進行分析。

參考文獻：

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[4] 劉世金，許高骕，張敬泉.信號與系統(tǒng)課程的可視化仿真教學研究[J].計算機時代，2012（3）：45-47.

[5] 周雅，王紅艷，焦曉波.LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”教學中的應用研究[J].中國電力教育，2010（25）：61-63.endprint