引言

“信號與系統”是電氣工程專業的專業基礎課，被廣泛應用于自動控制、信號處理、電路與系統等領域。由于該課程理論性強，內容抽象，學生普遍感到理解困難，學習吃力。

通常通過基于硬件或軟件的實驗加深學生對所學知識的理解。硬件實驗利用示波器、波形分析儀、選頻電平表等器件觀察、測試、分析信號的波形及各種特性，這種方式投資大，維護、更新難。軟件實驗是利用軟件編程對信號進行分析處理，常用軟件是Matlab，具有簡單易用，集成度高，處理能力強，仿真效果好等特點。但Matlab軟件直觀性差，無法快速、高效、實時地處理信號，不能完全滿足實驗教學的需要。

為了進一步提高教學質量，在“信號與系統”實驗教學中，需要使用更具優勢、更切合課程實際特點的軟件。LabVIEW是一款主要應用于計算機數據采集和數字信號處理的軟件，采用圖形化編程語言，具有形象、直觀、數據處理能力強等特點，符合實驗教學的要求。基于LabVI EW設計“信號與系統”教學軟件，對于提高該課程的教學效果具有重要的意義。

本文首先介紹LabVIEW的特點，針對課程的主要內容，特別是重點內容，分析構建實驗軟平臺的可行性，確定了貫穿整個教學計劃的典型實驗。另外，根據設計目標，規劃設計了軟件框架。最后，介紹了頻譜泄露、時域卷積運算、典型信號頻譜分析等具體知識點的LabVIEW實現。

1、LabVIEW的特點

LabVIEW具有圖形化的儀器編程環境，內置程序編譯器，擁有強大的資料分析軟件工具箱，能支持多種系統平臺，并提供了開放式的開發平臺。尤其是它脫離了具體的電路結構，能從外界采集信號并進行實時處理，運行效率高。另外，其圖形化的程序框圖和逼真的前面板設置，能激發學生的興趣，特別適合“信號與系統”實驗仿真。

LabVIEW軟件含有數量巨大，內容豐富的函數庫，特別是針對信號采集和分析，開發了整套的函數包，給信號與系統實驗軟平臺的構建提供了極大的便利。另外，運用LabVIEW軟件編程時，基本上不寫程序代碼，直接用數據流框圖表示，大大節約了時間，提高了效率，是其他軟件所不能比擬的。

因此，利用LabVIEW軟件構建“信號與系統”實驗軟平臺是合適可行的。

2、信號與系統中的難點分析

“信號與系統”公式眾多，內容抽象，難以理解。分析發現課程的難點如下：

（1）連續信號與離散信號的轉換。實際中經常遇到A／D，D／A轉換的情況，由于信號時域和頻域特性的差異，在轉換中需要應用信號采樣理論，以及連續時間信號數字化等內容。

（2）信號的卷積運算。在信號的時域分析中，對于線性時不變系統，系統零狀態響應Y（t）就是系統的激勵X（t）與系統的單位沖激響應H（t）的卷積，因此卷積運算在“信號與系統”理論中占有重要的地位。卷積運算量大，計算繁瑣，是學生學習中的難點。

（3）信號的頻域分析。信號的頻譜是分析信號的重要工具，通常會應用到數學中傅里葉級數與傅里葉變換的相關知識，其公式繁多，計算量大，并且不易畫出圖像，學生難掌握。

（4）離散傅里葉變換中遇到的問題。由于計算機只能處理數字化信號，在實際工程中，對連續信號進行頻譜分析時應利用離散傅里葉變換做近似處理。這種近似處理除了會使結果存在一定誤差外，還會帶來頻域混疊、信號截斷與頻譜泄漏、柵欄效應、頻率分辨率低等問題。這些內容比較抽象，難度較大。

3 、軟件的結構和規劃

3．1 軟件結構

LabVIEW軟件結構主要包括程序結構和文檔結構。

LabVIEW程序由各種不同的模塊組成，根據模塊執行方式的不同，程序結構分為三種：順序結構、并發結構、分布結構。其中，順序結構是最基本的，程序中的各種模塊按順序執行；并發結構的程序則由若干個可以同時執行的模塊組成；分布結構程序中的模塊可以彼此隔離，獨立運行。

LabVIEW文檔結構的基本組成就是VI型文件。其中，包括主VI和各級子VI，層次分明，一目了然，可以對整個文檔進行快速瀏覽和定位。

3．2 軟件規劃

“信號與系統”實驗軟平臺主要由虛擬信號發生器、各種實驗功能模塊、信號觀察與分析模塊、信號處理與保存模塊組成。

其中，虛擬儀器發生器主要根據實驗需要提供各種信號源。實驗功能模塊用于實現各種實驗內容，比如信號頻域分析、卷積運算等。信號觀察與分析模塊則主要通過示波器、頻譜分析儀等實現對信號的實時觀察、分析。信號處理和保存模塊用于對實驗數據進行保存、傳輸等操作。實驗軟平臺主界面如圖1所示。

另外，為順利達到實驗目標，對軟件應用做出如下要求：

（1）在實驗室中安裝最新版的LabVIEW軟件，為學生提供最新、最完備的軟件編程模塊和函數庫，以滿足實驗需要。

（2）選取“信號與系統”課程中的重難點作為實驗內容，鼓勵學生應用LabVIEW軟件編程實現，以強化對知識點的理解。

（3）定期由教師向學生介紹LabVIEW中常用的函數和模塊，使學生快速、熟練地掌握LabVIEW軟件，以提高效率，加快教學進度。

4、 典型知識點分析及LabVIEW實現

在“信號與系統”實驗教學中，教師可以通過LabVIEW的界面把數學函數和波形聯系起來，使教學直觀易懂。學生也可以通過LabVIEW更好地學習“信號與系統”這門課程。

4．1 離散傅里葉變換中的“頻譜泄漏”

為了能對無限長的離散化序列進行離散傅里葉變換處理，必須對序列進行加窗截短處理。由于窗口序列頻譜函數的旁瓣總是存在，導致截短后序列的頻譜產生失真，使信號的頻譜向兩旁擴展，即原信號的頻率成分從原有的頻率處“泄漏”到其他頻率處，產生了“頻率泄漏”。

“頻率泄漏”概念較為抽象，不直觀具體。為了能讓學生理解其產生的原理，在實驗教學中可使用具有很強可視化前面板的LabVIEW軟件對“頻譜泄漏”進行編程，其前面板和程序框圖如圖2和圖3所示。

圖2中可以任意設定信號的采樣點數、幅值、相位、周期，在示波器上顯示加窗前信號波形及其頻譜圖像，同時加窗截短后的信號波形和頻譜圖也可以直觀地看到。

4．2 時域卷積運算

對于連續信號，卷積運算定義為：

此卷積稱為卷積和。由以上公式可以看出卷積運算很繁瑣，通過LabVIEW軟件編程能夠更加形象地展示卷積運算，更易于學生掌握。基于LabVIEW卷積運算的前面板和程序框圖如圖4和圖5所示。

圖4中的信號類型有正弦、單位沖擊、單位階躍三種選擇，通過選擇按鈕確定X信號與Y信號的類型，便可在示波器中顯示出待卷積運算的兩種信號圖像，以及卷積運算后的最終結果。

4．3 典型信號的頻譜分析

頻譜的獲取需要借助數學上傅里葉級數及傅里葉變換，公式較多，計算繁瑣。應用LabVIEW軟件編程可以輕松解決這一難題，部分典型信號頻譜分析的前面板和程序框圖如圖6和圖7所示。

圖6中選擇了部分典型信號，包括正弦、三角、方波、階躍、沖擊五種類型，并在模擬示波器中顯示了信號的波形及其對應的頻譜圖，使得信號的頻域特性一目了然，加深了學生對典型信號頻譜的認識、理解。

5、 結論

“信號與系統”這門課程公式多，計算量大，概念抽象且不易理解，學生學習起來難度較大。通過將LabVIEW軟件引入到實驗教學環節，構建實驗軟平臺，可以將一些抽象概念轉變成形象、生動、直觀的圖形和實例，激發學生的學習興趣，從而加深對抽象概念的理解，提高其提出問題、分析問題、解決問題的能力。這是“信號與系統”實驗教學上的新嘗試，不僅能夠提升學生的程序設計水平，而且可以解決課程教學中的實際問題，提高教學質量。

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