文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

应用天地

2008年4月

第27卷 第4期

中国科技核心期刊

基于LabVIEW 的数字信号处理虚拟实验室构建

陈媛媛

(中北大学信息与通信工程学院 太原 030051)

摘 要:本文首先简要介绍了当前数字信号处理教学的现状,并针对目前实验室的具体情况,分析了研究虚拟实验室的必要性及意义。并在此基础上使用L abVIEW 构建了数字信号处理虚拟实验室。该系统界面友好,维护简单等优点。此外,用户可以根据需要对典型的数字信号处理实验参数进行设置。实验证明该系统具有很好的教学实验效果。关键词:数字信号处理;虚拟实验室;L abVI EW 中图分类号:T P273 文献标识码:A

Virtual laboratory building of digital signal processing

based on virtual instruments

Chen Yuanyuan

(School of Inform ation and Communication Engineering,North University of China,T aiyuan 030051)

Abstract:Actuality of teaching of t he digit al signal processing is introduced.And then the necessit y and significance ac cording to the circum stances of lab are present ed.Based on this,LabVIEW is used to develop the virtual digital signal processing laborat ory.T he system has better interface w h ich can be m aintained easily.T he character of the digit al signal processing experim ent can also been modified for the need of t he user.It has been indicated in t he application t hat the syst em has great sense in teac h ing and experim ent.

K eywords:digital signal processing;virt ual laborat ory;LabV IEW

作者简介:陈媛媛(1980 ),女,山西交城县人,硕士研究生,主要研究方向为虚拟仪器技术、无线传感器网络。

0 引 言

数字信号处理是生物医学工程、信息与通信工程等专业的主干课程,它是利用计算机或专用处理设备,以数值计算的方法对信号进行采集变换、综合、估值和识别等加工处理,借以达到提取信息和便于应用的目的。近年来随着现代通信技术、计算机技术等的快速发展,数字信号处理几乎已经涉及了所有的工程技术领域。但是由于数字信号处理在理论上所涉及的范围极其广泛,数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、复变函数等都是它的基本工具。由于这些内容含有大量的公式,内容比较抽象,所以学生在数字信号处理的学习过程中很难将这些理论和数字信号处理的实际应用联系起来。虽然学生可以通过本课程的实验加深对这些内容的理解,但是近年来学生人数成倍的增加,造成实验室设备和规模难以满足需要。而且实验室原有硬件设备有的已经老化,有的在技术上已经落后,在实验经费紧缺的情况下,学校财力难以承受大量购

置常规仪器仪表的沉重负担。

计算机仿真技术飞速发展为上述问题的解决提供了一条新的思路。当前流行的VB 、VC 等主流的计算机语言均可以用于进行本课程的实验仿真,但是这些语言要求设计人员对算法和程序设计语言非常熟悉。NI 公司推出了LabVIEW 语言,该语言使用独特的图形化编程技术,包含了大量的数字信号处理函数,非常适合数字信号处理实验系统的开发。

1 登陆模块实现

为了方便管理学生实验情况,系统启动时要求输入完整的个人信息,如班级、学号、姓名等信息,只有输入完整的信息才可以进入选择具体的实验模块,系统会自动将学生录入的信息保存在数据库中,便于教师进行管理。本系统设计的数字信号处理课程典型的几个实验,包括采样定理验证、序列的卷积、FIR 滤波器设计和IIR 滤波器设计等实验,学生可以根据课程的学习情况选择合适的实验模

68

2008年4月

第27卷 第4期

应用天地

基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

中国科技核心期刊

块进行实验。管理人员也可以对每个模块进行优化、改

进、扩展。图1为该系统的实验内容选择窗口。

图1 实验内容选择

2 信号卷积分析模块

卷积实验是数字信号处理中的一个比较重要的实验。

在系统单位冲激响应已知的情况下,系统的响应往往可以

用激励和单位冲激响应的卷积来求得。

本模块程序采用w hile和case结构构建。图2为本

模块的主界面。实验时学生可以通过对通道1和通道2

的参数进行设置,就可以在右下方的示波器中看通道1和

通道2卷积后的图形。图2中通道1产生一个10H z,幅

度为1的正弦信号,通道2为频率10H z,占空比50%,幅

度为1的方波信号,图2右下方的示波器为两者的卷积

结果。

图2 信号卷积分析模块

3 互相关函数实验

在信号处理、信号检测与估计等领域中,很多时候需

要了解信号在不同时刻状态的联系,尤其在离散随机信号

处理中,很多随机信号不能进行傅里叶变换,这些时候往

往需要研究信号的相关函数,所以本系统设计了相关函数

模块,图3为该模块主界面。由于自相关函数可以看作2

个相同激励的互相关函数,所以本模块仅仅设计了互相关

函数实验。实验时本模块可以产生2路频率、相位可调的

正弦信号,学生可以对2通道的频率和相位设置,并可以

在图中观察到设置后的互相关函数的波形。

图3 互相关函数实验

4 频域分析模块

信号频域分析模块可以进行各种常见信号的频域分

析,如正弦波、三角波、方波、斜波、统一白噪声、高斯白噪

声等,本模块前面板如图4所示。本模块最多可以对2路

信号进行分析。只要对时域信号的基本参数进行设置,就

可以在右侧的示波器中观察到信号的时域和频域的各项

参数。由于本模块可以对2路信号进行分析,所以可以在

前面板的滑动条选择不同的通道进行观察。此外本模块

还可以进行功率谱、希尔伯特、幅频、相频等分析和实时

显示。

图4 频域分析模块

5 数字滤波器设计

滤波是常用的信号处理技术,通过对信号的滤波可以

滤除或衰减信号频谱中不希望的频率分量和随机噪声。

根据实现的方式,滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。

在数字信号处理中主要研究数字滤波器。根据单位冲激

响应的不同,数字滤波器主要分为FIR滤波器和IIR滤波

器,FIR滤波器的单位冲激响应是有限长的,因此滤波器

一定是稳定的,而且可以做成严格的线性相位,但是要获

得很好的带外衰减特性,FIR滤波器的阶次要比IIR滤波

器高。此外由于一些典型的滤波器类型如巴特沃斯滤波

器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等都具有一些归一化的

模型和大量的图表可以查,所以IIR滤波器的设计较FIR

更为简单。(下转第80页)

69

企业巡礼

2008年4月

第27卷 第4期

基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室构建

中国科技核心期刊

计算机电缆互联组件;销售防水透气织物;推出GORE TEX 外支撑环人工血管;微波同轴电缆组件(GM CAs)开始进入空间、军事和测试市场,等等。所有的案例表明戈尔领导的应用创新不胜枚举,其渗透的领域之多,跨度之广,使戈尔卓越的产品得以在众多领域大展身手,将先进技术的成果发挥到极致。

我们鼓励勇于开拓、辛勤开发的创造者,更欣赏那些能够将创新与应用完美结合的实干家。不能应用,一切发明创造只是空谈。戈尔在研发中的付出为应用奠定基础,在应用中的创新则实实在在的为人类带来福祉。Worth Dixon 先生表示,戈尔一直在不断探索。他的同事们仍在研发、生产与应用中寻求创新与突破。

迷人的企业文化促进创新理念与品质保证

翻阅历史,可以发现戈尔常常被冠以全美、全英100家最适合工作的企业;全德50家最适合工作的企业。W orth Dixon 先生说,事实上戈尔常常跻身前十位。

戈尔创始人 Bill Gore 先生推崇一种扁平网格状的组织结构,不分等级制度。在戈尔公司内部,没有雇员只有同事的关系;没有老板只有建议者的概念。在开放宽松的气氛下,在沟通顺畅的组织里,在既独立又协作的环境中,卓越的品质得到保障,创新思路在此萌发,戈尔产品在多个领域得以广泛应用。

Worth Dixon 先生还谈到,这样迷人的企业文化和工作氛围吸引了很多优秀员工来戈尔工作。

戈尔的卓越品质可以归结于其核心技术、创新理念与企业文化。戈尔产品的广泛应用,使得众多行业从中收益。在中国,戈尔已经成立了位于深圳生产纺织产品和部分电子产品的工厂;位于上海的从事过滤品生产的合资公司、戈尔工业品贸易有限公司和一个代表处。在电子产品方面,Worth Dixon 先生说中国的市场需求增长很快,戈尔会致力于提升在电子产品领域的品牌认知度,将在中国市场更多的投入,并期待持续的业务增长!

(上接第69页)

本模块可以完成FIR 和IIR 滤波器设计。其中IIR 滤波器设计主要是采用了一些典型的滤波器原型的特性,如巴特沃斯滤波器是一种所谓最平通带特性逼近理想特性的滤波器,其频率特性曲线无论在通带和阻带都是频率的单调函数;切比雪夫滤波器的频响特点是将误差均衡分散到通带或阻带中,以实现通、阻带之间的快速过渡等特性。本模块的FIR 滤波器主要设计了线性相位的FIR 滤波器,在设计时使用了窗函数设计法和加权切比雪夫等波纹逼近准则,提供了海明窗、汉宁窗等典型的窗函数。

此模块既可以实现各种单独信号的数字滤波,也可以实现现实采集信号和各种调制信号的滤波,此外学生还可以选择信号和噪声的频率,通过在面板上输入滤波器的类型、阶数等参数,就可以直观地观察到各类滤波器的低通、高通、带通等幅频特性和相位特性。图5为前面板。

图5 数字滤波器设计模块

6 结束语

通过使用L abVIEW 在较短的时间完成了数字信号

处理虚拟实验室的构建。它采用自上而下的模块化的设

计思想和图形化编程方式,直观的将公式表达、算法、仿真结果等表示出来。本系统界面友好,操作简单,而且扩展容易。目前已经在数字信号处理的教学和实验中应用,取得了良好的教学效果。

参考文献

[1]程佩青.数字信号处理教程[M ].北京:清华大学出版社,2001.

[2]郑南宁,程洪.数字信号处理[M ].北京:清华大学出版社,2007.

[3]PROAKTS J G.现代通信系统[M ].MATLAB 版.刘树棠,译.北京:电子工业出版社,2005.

[4]蔡辉,王志贤,张合新.信号处理在虚拟仪器测试系统中的应用[J].国外电子测量技术,2003(4):28 31.

[5]赵胜会,刘平,施保华,等.基于虚拟仪器的计算机控制实验系统[J].微计算机信息,2006,22(7 1):78 80.

[6]焦瑞莉,王久和,周金和.用LabVIEW 实现通信虚拟实验系统[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(5):734 736.[7]陈晴,陈林,张志.基于虚拟仪器的开放式虚拟实验室系统的研究和实现[J].电子测量技术,2007,30(4):109 112.[8]尹仁平,刘刚,汪立新,等.LabVIENW 中的数据库访问[J].电子测量技术,2006,29(3):51 53.

[9]张伟东,袁昊,周荫清,等.基于虚拟仪器的电子测量系统[J].电子测量技术,2006,29(4):44 46.

[10]王永晔,张颖,程璇,等.基于LabVIEW 的电滞回线测试系统的开发[J].仪器仪表学报,2006,27(5):501 504.

80