基于Labview的信号处理虚拟实验平台

吴湖青,李秀梅,孙晨林

(杭州师范大学杭州国际服务工程学院,浙江 杭州 311121)

信号处理类课程包括信号与系统、数字信号处理、数字图像处理等，是电子信息工程专业的核心课程，在电子信息专业中占有重要的地位.其特点是理论性较强、概念较抽象、公式和理论推导较多.将抽象的概念、原理及分析方法设计成便于学生学习和理解的可视化演示系统，是信号处理类课程教学中值得探讨的重要课题[1-3].

Labview是由美国国家仪器公司研制开发的程序开发环境，是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,同时也是开发测量或控制系统的理想选择，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径.Labview开发环境使用图形化编辑语言编写程序，产生框图形式的程序，集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，使用Labview进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统，可以大大提高工作效率[4-6].

本文将在Labview 开发环境下，完成信号处理类课程的可视化虚拟实验系统(包括前面板和后程序框图)的设计，旨在通过该虚拟实验系统，将信号处理类课程的理论直观演示给学生，帮助学生更深入理解其中的抽象概念和定理.

1 信号处理虚拟实验系统的结构框架

本虚拟实验系统主要包括4部分,如图1所示.1)信号发生器：主要包括基本信号的产生及显示，以及添加白噪声后的波形显示，并通过改变输入信号的频率播放出相应频率的声音.2)信号分析处理模块：主要包括信号的基本运算、卷积求和、频域分析、信号处理中常用的各种滤波器等.其中信号的运算包括常见信号如正弦波、方波、锯齿波、三角波的延时、加权、相加等基本运算；卷积求和运算则将卷积的步骤细化，了解卷积的过程及每一步的结果；频域分析中，利用傅里叶变换分析上述4种常见信号的频谱，了解其频率组成成分及大小；信号的采样及恢复则是对4种常见波形的采样以及重建；在滤波器设计中，主要包括低通、高通、带通、带阻4种类型，并提供了高斯窗、矩形窗、Hanning窗、Hamming窗等窗函数，滤除输入信号中参杂的均匀白噪声.3)采样定理：讨论对信号的采样及恢复.4)信号处理的应用：包括声音采集及滤波和基于DCT的图像压缩.其中声音采集及滤波部分，利用PC机的录音系统进行录音，并转换至频域上对其滤波；基于DCT的图像压缩中，利用离散余弦变换DCT对图像进行处理，得到压缩的图像.利用Labview实现的信号处理虚拟实验平台的主界面如图2所示.

图1 系统框架图

图2 系统主界面图

2 模块的功能实现举例

该部分以信号的采样定理与DCT图像压缩为例，解释基于Labview的信号处理类虚拟实验系统的构建方法.

2.1 信号的采样定理

采样定理在模拟/数字信号转换过程中起着重要作用，当采样频率大于信号中最高频率的两倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息.即：频带为F的连续信号f(t)可用一系列离散的采样值f(t1),f(t1±Δt)，f(t1±2Δt)，…来表示，只要这些采样点的时间间隔Δt≤1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t).

基于Labview的采样定理设计思路如下：将产生的信号通过Resample Waveforms (single shot).vi，从而将连续信号离散化，然后将采样后的信号通过Butterworth Filter.vi，重建采样后的信号.当采样的频率大于信号频率的2倍时，可以重建成原信号.基于Labview的采样定理程序框图如图3所示.基于Labview的采样定理的前面板如图4所示.在前面板的右侧部位，用户可根据自己的需要选择相应的信号，调整相应的频率、幅度、输出采样率和初始相位，并选择Butterworth低通滤波器的采样频率及低截止频率.前面板的左侧，分别显示原始信号、采样后的信号、采样后信号频谱采样恢复后的信号、采样恢复后信号频谱、采样后信号功率谱.图4中，信号的频率为5 Hz，采样频率为100 Hz，满足采样定理的条件，信号可以得到正确恢复.通过参数调节，可以清楚地观察到原始信号、采样后的信号及其功率谱、频谱的变化，并通过将恢复后的信号以及其频谱与原信号进行比较, 更深入地理解采样定理.

图3 采样定理程序框图

图4 采样定理前面板

2.2 DCT图像压缩

图5 基于DCT的图像压缩程序框图

图6 基于DCT的图像压缩前面板

3 总 结

本文基于Labview设计了信号处理类虚拟实验平台，并以采样定理和DCT图像压缩为例，阐明了该实验平台的构建过程.本实验平台具有交互性好、易于操作等特点，能帮助学生直观理解信号处理类课程中的概念和分析方法，并具有较好的可扩展性.

[1] 火元莲，齐永峰，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)：114-117．

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[6] 岂兴明，田京京，夏宁．Labview入门与实战开发100例[M]．北京：电子工业出版社，2011：268-352．

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