魏曉娟

摘要：在我國(guó)高等教育工程認(rèn)證中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是認(rèn)證專家考量學(xué)生是否能夠達(dá)到畢業(yè)要求的重要依據(jù)?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)普遍反映較枯燥并難理解，且無法將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng);工程認(rèn)證;研究與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）38-0274-02

工程教育專業(yè)認(rèn)證（以下簡(jiǎn)稱“工程認(rèn)證”）是近年來國(guó)內(nèi)高等工程教育面臨的一項(xiàng)重要工作，其核心是確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生是否達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)高等工程教育以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向，要求專業(yè)課程體系設(shè)置與課程教學(xué)、師資隊(duì)伍配備、辦學(xué)條件配置等都圍繞學(xué)生畢業(yè)能力培養(yǎng)這一核心任務(wù)展開[1-2]。在這個(gè)背景下，面向工程認(rèn)證的要求，加強(qiáng)專業(yè)課程教育對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，成為高等工程教育中專業(yè)課程建設(shè)與教學(xué)的主要任務(wù)和目標(biāo)?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”是電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)必修課，理論性較強(qiáng)，學(xué)生普遍感覺公式多，難理解。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)尤為重要，是其理論教學(xué)的延伸。從實(shí)驗(yàn)條件來看，以本校信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為例，《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)室由于實(shí)驗(yàn)儀器使用年限較長(zhǎng)，部分芯片已經(jīng)老化，并且每學(xué)期至少有12個(gè)班級(jí)在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)常性損壞，而且長(zhǎng)期下來部分實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論誤差相差太大，準(zhǔn)確性不高。由于LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，利用LabVIEW軟件可以編寫出界面美觀、功能強(qiáng)大的程序，圖形化編程語言具有形象、生動(dòng)等特點(diǎn)，初學(xué)者很容易入門[3]。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)構(gòu)思

本文開發(fā)了一個(gè)基于LabVIEW的信號(hào)與系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，信號(hào)與系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含了五個(gè)功能模塊，分別是波形發(fā)生器、波形的分解與合成、時(shí)域分析、頻譜分析和數(shù)字濾波器，同時(shí)還有虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面設(shè)計(jì)。波形發(fā)生器模塊有方波、正弦波、混合單頻信號(hào)和公式輸入波等波形的產(chǎn)生，同時(shí)可以調(diào)節(jié)相關(guān)波形的幅度和頻率等。波形的合成與分解模塊，可以看到分解的各次諧波的頻率和幅度。信號(hào)的時(shí)域分析模塊，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可以顯示信號(hào)波形，同時(shí)可以顯示頻率、最大最小值、均方根等波形特征參數(shù)值。頻譜分析模塊，利用虛擬發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)加噪、濾波處理，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，經(jīng)過FFT變換得到相位譜、功率譜和幅度譜。數(shù)字濾波器模塊主要是對(duì)所分析與處理的信號(hào)進(jìn)行濾波，提供了Butterworth，Bessel等濾波器。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例

以波形的分解與合成實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以分解虛擬波形發(fā)生器中的所有波形。波形分解與合成的信號(hào)來源于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的波形發(fā)生器，波形發(fā)生器能夠產(chǎn)生輸入公式波、正弦波等基本波形，則波形的分解與合成模塊就能分解這些波形，還可以選擇是否添加白噪聲。

1.波形的分解與合成設(shè)計(jì)原理。任何信號(hào)波形都可以由各種不同頻率、初相和幅度的正弦波疊加而成。

奇次諧波周期方波對(duì)稱信號(hào)展開其傅里葉正弦級(jí)數(shù)為：

它只含有一、三、五等奇次諧波分量。合成的諧波次數(shù)越多越接近原始的周期信號(hào)，近似度越高，理論上是可以合成原信號(hào)的。用均方誤差來表示這種近似度，通常隨著諧波次數(shù)的增加，均方誤差越來越小，合成的周期信號(hào)越接近原信號(hào)。有限項(xiàng)級(jí)數(shù)接近f（t）引起的均方誤差，可以得到的均方誤差的式子形式為：

從公式（3）到（5）可以看出來，合成的波形隨著諧波的增加就越接近原信號(hào)。隨著諧波的階數(shù)增加波峰越靠近間斷點(diǎn)，但是不影響波峰的幅度。無論合成諧波的階數(shù)如何增加，都不能完全還原原信號(hào)，我們稱這種現(xiàn)象為吉布斯現(xiàn)象。

2.前面板和程序框圖設(shè)計(jì)。波形的分解與合成的前面板設(shè)計(jì)，在前面板中主要有波形顯示控件，通過波形顯示控件能夠觀察相關(guān)波形的分解與合成。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的波形分解與合成的信號(hào)來源于波形發(fā)生器，它可以分解波形發(fā)生器中的波形，即分解方波、鋸齒波等。設(shè)計(jì)采用多維數(shù)組數(shù)據(jù)運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算函數(shù)和正弦波VI，利用正弦波VI產(chǎn)生含有正弦波的波形，利用復(fù)合運(yùn)算函數(shù)能將6個(gè)波形進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生合成波形。信號(hào)通過虛擬信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過濾波獲得，設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行信號(hào)分析，對(duì)波形進(jìn)行分解后合成，最后在波形顯示控件上顯示。

三、實(shí)例測(cè)試

根據(jù)波形分解與合成的原理設(shè)計(jì)了波形分解與合成的演示實(shí)驗(yàn)。方波的分解與合成測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)參數(shù)為頻率10，幅度1，占空比50%，不添加噪聲，波形為方波。分解圖主要包含了基波、三次諧波、五次諧波和七次諧波等波形，合成圖參數(shù)：頻率10，幅度1，占空比50%。方波信號(hào)的分解與合成如圖1所示。

從圖1波形來分析，產(chǎn)生的分解波和合成波與信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，滿足方波的分解與合成實(shí)驗(yàn)需求。從以上非正弦信號(hào)諧波以及諧波的合成與原波形的比較可以得出：隨著傅里葉級(jí)數(shù)項(xiàng)增加，合成方波與原始方波的誤差越來越小，但在信號(hào)的跳變點(diǎn)附近，存在著過沖現(xiàn)象。

本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)以提高教學(xué)質(zhì)量為核心目標(biāo)，培養(yǎng)綜合型人才為目的，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系，注重實(shí)踐教學(xué)，著重提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求、教學(xué)知識(shí)點(diǎn)分布及學(xué)生操作體驗(yàn)出發(fā)，使該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交互式、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，最終提高學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡文龍.工程專業(yè)認(rèn)證背景下的高校教師教學(xué)發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015，（01）：73-78.

[2]顧曉薇，王青，邱景平，胥孝川，張春明.工程教育認(rèn)證“畢業(yè)要求”達(dá)成度的認(rèn)識(shí)與思考[J].教育教學(xué)論壇，2016，（14）：24-26.

[3]楊樂平，李海濤，趙勇.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Research on Virtual Experiment Teaching Platform of Signal and System under the Background of Engineering Education Certification

WEI Xiao-juan

（Electrical Engineering College，Northwest University for Nationalities，Lanzhou，Gansu 730124，China）

Abstract：In the certification of higher education engineering in our country，experimental teaching is an important basis for certified experts to consider whether students can meet the graduation requirements.The course of signal and system is more theoretical，students generally reflect the boring and difficult to understand，and can not transform the theoretical knowledge learned in the classroom into practical application.

Key words：signal and system;engineering certification;research and practice