基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验平台实现

参 考 文 献 （Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）
［１］丁玉美，高西全．数字信号处 理 ［Ｍ］．西 安：西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ，２００１．
［２］杨述斌．数字信 号 处 理 实 践 教 学 的 层 次 设 计 ［Ｊ］．实 验 室 研 究 与 探 索 ，２００９，２８（２）：５８－６０．
［３］沈捷，王莉．数字信号处理教学实验软件包的 ＧＵＩ设计与 实 现［Ｊ］． 实 验 技 术 与 管 理 ，２００８，２５（２）：８８－９１．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ，ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ｉｓ ｒｅｎｄｅｒｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｍｅａｎｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｔｕｄｙ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔ ａｓ ｗｅｌｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ＬａｂＶＩＥＷ
图６ ＦＩＲ 滤波器前面板图 图７ ＦＩＲ 滤波器程序框图
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实 验 技 术 与 管 理
３ 结 束 语
本实验系统应用 于 数 字 信 号 处 理 教 学，具 有 以 下 优点：（１）图形 化 的 用 户 界 面，点 击 鼠 标、输 入 数 据 即 能完成实验，使学生 能 直 观 地 领 会 和 理 解 数 字 信 号 处 理 课 程 的 分 析 方 法 和 处 理 结 果 ；（２）采 用 模 块 化 设 计 思 想，学生可以根据自 己 的 兴 趣 爱 好，进 行 功 能 扩 展，从 而 更 有 效 地 激 发 学 生 的 兴 趣 和 创 新 意 识 ；（３）突 破 传 统 实验模式受时间、地 点 限 制，在 实 验 之 前，学 生 可 以 利 用 仿 真 平 台 完 成 预 习 ，减 少 实 验 盲 目 性 。
图 ３ 程 序 框 图
２．２ ＩＩＲ 滤波器设计 数字滤波器设计与应用是数字信号处理教学的重
点 知 识 ，同 时 也 是 教 学 中 的 难 点 。 通 过 本 软 件 实 现ＩＩＲ 滤波器仿真，可以非常直观形象地显示滤波器结果。ＩＩＲ 数字滤波器的前面板和程序框图分别见图４和图５。在 前面板中，通过对比右边的滤波器幅频、相频特性曲线， 实时调整 参 数 和 滤 波 器 类 型，以 便 得 到 最 佳 效 果。其 中：带通波纹是 Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ和 Ｅｌｌｉｐｓｅ滤波器的参数；阻 带衰减是 Ｅｌｌｉｐｓｅ滤波器的参数；右 边 是 幅 频 特 性曲线 和相 频 特 性 曲 线。 模 拟 滤 波 器 有 巴 特 沃 斯 （Ｂｕｔｔｅｒ－ ｗｏｒｔｈ）滤波器、切比 雪 夫（Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）滤 波 器、椭 圆（Ｅｌ－
数字信号处理是 一 门 应 用 广 泛 的 理 论 课 程，许 多 理论都基于比较 抽 象 和 繁 琐 的 推 论 和 推 导［１］，学 生 对 上课内容的理解往往跟不上教师授课进度。为了提高 教学效果，本 文 开 发 了 基 于 ＬａｂＶＩＥＷ 软 件 的 数 字 信 号处理虚拟实验平台。 该平台利用 ＶＩ的图形用户界 面（ＧＵＩ）设计 工 具［２－３］，与 课 堂 教 学 相 结 合，将 实 验 内 容 融 入 教 学 过 程 中 ，可 用 于 课 程 的 实 验 辅 助 教 学 、课 堂 教学演示，也可作 为 学 生 课 后 自 学 的 辅 助 工 具。 实 践 证 明 ，虚 拟 实 验 平 台 对 于 促 进 学 生 感 性 认 识 、巩 固 数 字 信号处理理论知识等 方 面 起 到 积 极 作 用，并 丰 富 了 教 学 手 段 ，提 高 了 教 学 效 率 。
［７］李强，明艳，陈前斌，等．基于 Ｍａｔｌａｂ的数字信号处理实验仿真系 统 的 实 现 ［Ｊ］．实 验 技 术 与 管 理 ，２００８，２５（５）：８１－８３．
［８］李莉，杨文静，曾志．基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的虚拟网络化信号发生器设计 ［Ｊ］．中 国 教 育 技 术 装 备 ，２０１０（２４）：９２－９３
１ ＬａｂＶＩＥＷ 工具简介
本文以 ＬａｂＶＩＥＷ８．２ 中 文 版 作 为 开 发 平 台 进 行 虚 拟 仪 器 设 计［４－５］，该 语 言 是 美 国 国 家 仪 器 （ＮＩ）公 司 研 制 开 发 的 ，是 通 用 的 编 程 系 统 ，有 一 个 完 成 任 何 编 程 任务的庞大函数 库。ＬａｂＶＩＥＷ 的 函 数 库 包 括 数 据 采 集、ＧＰＩＢ、串 口 控 制、数 据 分 析、数 据 显 示 及 数 据 存 储 等。ＬａｂＶＩＥＷ 也有 传 统 的 程 序 调 试 工 具，如 设 置 断
采样定理是数字信号处理中的一个重要的基本定 理 。 连 续 时 间 信 号 变 为 离 散 时 间 信 号 是 由 “采 样 ”过 程
岳洪伟：基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的数字信号处理虚拟实验平台实现
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ｌｉｐｓｅ）滤 波 器 、贝 塞 尔（Ｂｅｓｓｅ１）滤 波 器 等 供 选 择 。 滤 波 器 类型分为低通、高通、带通和带阻滤波器４种。
［９］火元莲，齐永锋，张万鹏，等．基 于 ＬＡＢＶＩＥＷ 的 数 字 信 号 处 理 虚 拟 实验系 统 ［Ｊ］．西 北 师 范 大 学 学 报：自 然 科 学 版，２００８，４４（４）： １１４－１１６．
［１０］王莉，杨鹏．基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的虚拟示波器 的 设 计 与 实 现 ［Ｊ］．实 验 室 研 究 与 探 索 ，２０１０，２９（１）：６２－６４．
ＩＳＣＳＮＮ１ １１０－０２２０－３４４／９Ｔ５６
Ｅｘｐｅ实ｒｉｍ ｅｎ验ｔａｌ Ｔ技ｅｃｈ ｎｏ术ｌｏｇ ｙ 与ａｎｄ Ｍ管ａｎ ａｇ理ｅｍｅｎｔ
第 ２８ 卷 第 ８ 期 ２０１１ 年 ８ 月 Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１１
基于ＬａｂＶＩＥＷ 的数字信号处理虚拟实验平台实现
图４ ＩＩＲ 滤波器前面板图 图５ ＩＩＲ 滤波器程序框图
图 ２ 前 面 板 图
２．３ ＦＩＲ 滤波器设计 ＦＩＲ 滤波器的设计任务是选择有限长度的 传 输 函
数ｈ（ｎ），使传输函数满足技 术 要 求。主 要 设 计 方 法 有 窗 函 数 法 、频 率 采 样 法 和 切 比 雪 夫 等 波 纹 逼 近 法 。 本 实 验主要用窗函数法设计 ＦＩＲ 数字滤波器，使学生了解不 同窗函数对滤波器性能的影响。对应的前面板和程序 框图分别见图６和图７ 。 ［９－１０］ 根据幅频特性曲线和相频 特性曲线可以对参数进行调整，对滤波器、窗函数、截止 频率、窗函 数 长 度 也 可 进 行 调 整。本 实 验 参 数 选 择 如 下：带通滤波器通带的上、下限截止频率分别为１５０ Ｈｚ 和３５０Ｈｚ，窗函数是 Ｈａｎｎｉｎｇ，窗函数长度３３。
Байду номын сангаас
图 １ 虚 拟 实 验 平 台 界 面 图
完成的，采 样 是 将 模 拟 信 号 数 字 化 的 第 一 个 环 节 。 ［８］ 本实验的前面板和程序框图如图２和图３ 所示。前面 板 可 以 对 信 号 频 率 、采 样 频 率 等 参 数 进 行 设 置 ，观 察 不 满足采样定理时检 测 频 率 的 变 化。 需 要 注 意 的 是，在 对信号进行采样时，满 足 了 采 样 定 理 只 能 保 证 不 发 生 频 率 混 叠 ，对 信 号 的 频 谱 作 逆 傅 里 叶 变 换 时 ，可 以 完 全 变换为原时域采样信 号，但 不 能 保 证 此 时 的 采 样 信 号 能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于 信号中最高频率成分的３到５倍。
收 稿 日 期 ：２０１０－１０－３１ 修 改 日 期 ：２０１０－１２－２８ 作者简介：岳洪伟（１９７９—），男，安 徽 亳 州，博 士，讲 师，研 究 方 向：智 能
仪器与自动化． Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｅｈｏｎｇｗｅｉ４２０＠１６３．ｃｏｍ
点、以动画方式 显 示 数 据 及 其 子 程 序 （子 ＶＩ）的 结 果、 单步执行等，便于程序的调试。类似于 Ｃ 和 ＢＡＳＩＣ 开 发环境，但是 ＬａｂＶＩＥＷ 与 其 他 计 算 机 语 言 的 显 著 区 别是：其他计算机语 言 都 是 采 用 基 于 文 本 的 语 言 产 生 代码，而 ＬａｂＶＩＥＷ 使用的 是 图 形 化 编 辑 语 言 Ｇ 编 写 程序，产生的程序是 框 图 的 形 式。 其 程 序 由 ３ 部 分 组 成：前 面 板、程 序 面 板、图 标 和 连 接 器。ＬａｂＶＩＥＷ 主 要用于虚拟仪器的开 发，因 此 它 有 许 多 和 传 统 仪 器 面 板在外观和功能上 相 似 的 控 件，如 各 种 旋 钮、按 钮、开 关、波形显示屏、数字 显 示 器 等，可 很 方 便 地 放 在 前 面 板 上 ，其 颜 色 、大 小 、风 格 可 任 意 调 整 。
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＳＰ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ
Ｙｕｅ Ｈｏｎｇｗｅｉ １，２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｚｈｏｎｇｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０２２５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１００９０，Ｃｈｉｎａ）
２ 系 统 结 构 设 计
ＬａｂＶＩＥＷ 作 为 柔 性 测 量 专 业 软 件，其 内 部 集 成 ６００多个分析 函 数，用 于 信 号 生 成、频 率 分 析、数 学 运 算、数字信号处 理 等 的 分 析 应 用。本 文 充 分 利 用 它 的 内 部 函 数，按 照 教 学 大 纲 设 计 出 的 相 应 虚 拟 实 验 平 台［６－７］如 图 １ 所 示。 系 统 主 界 面 由 ８ 个 主 要 子 窗 体 模 块构成，通 过 单 击 主 界 面 按 钮 即 可 启 动 相 应 子 窗 体。 由于篇幅有限，本文重点 介 绍 采 样 定 理 验 证、ＩＩＲ 滤 波 器设计和 ＦＩＲ 滤波器设计的具体实例。 ２．１ 采 样 定 理 验 证