LabVIEW在数字信号处理实践教学中的应用

1、第27卷 第6期 高 师 理 科 学 刊 Vol. 27 No.6 2007年 11月 Journal of Science of TeachersCollege and University Nov. 2007文章编号:1007-9831(200706-0090-03LabVIEW 在数字信号处理实践教学中的应用陈兴文,李敏,刘燕(大连民族学院 机电信息工程学院,辽宁 大连 116600摘要:针对数字信号处理实践教学要求和LabVIEW软件的功能,提出了将LabVIEW应用于数字信号处理实践教学中.介绍了数字信号处理教学的特点和LabVIEW软件,指出了将LabVIEW应用于数字信号处理教学

2、的优点,给出了LabVIEW在数字信号处理教学中的应用实例.实践表明,将LabVIEW应用于数字信号处理教学中,提高了学生的学习兴趣,达到了提高教学质量的目的.关键词:LabVIEW;数字信号处理;频域分析中图分类号:TN911.72 文献标识码:A0 引言数字信号处理是以算法为核心的理论性很强的课程.目前关于数字信号处理的有关书籍大都是只讲解算法、推导和证明算法,而与实际联系很少或基本没有.这样就使得数字信号处理的有关概念显得非常抽象,学生很难把书中所讲的数学函数与实际的波形联系起来,给学习带来了很大的困难,降低了学生的学习积极性,从而在很大程度上影响了课程的教学效果.LabVIEW是美国国

3、家仪器公司(National Instruments,NI推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境,是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言.使用LabVIEW可以让编程者享受到强大的图形化编程语言所带来的灵活性,而无需忍受传统开发环境的复杂编程工作,这种直观的图形化环境实现了开发工作的高效率1.LabVIEW图形化语言的直觉特性使学生们可以将注意力集中在被教授的理论知识上,而不是基于文本的工程软件应用开发的编程细节上.这样学生在很短的时间内就可以开发出复杂的应用程序,可以把书本上理论性较强的知识转换成直观性很强的图形,从而可以加深对理论知识的理解,提高他们的学习兴趣.基于 LABVIEW

4、 的良好特性,开发了一套信号分析系统,其总体结构如图1所示.从图1中可以看出,信号分析系统的功能包括数据采集、信号发生、时域分析、频 域分析、平滑滤波以及文件管理六大模块,每个模块又包含多种子模块的功能.这些子模块涵盖了数字信号处理中的各种信号分析方法.信号采集模块是实现信号分析的基础,信号分析模块是系统的核心.本文着重讨论这 2个模块的设计原理和实现.收稿日期:2007-09-10作者简介:陈兴文(1969-,男,辽宁锦州人,副教授,从事计算机信息处理技术研究.E-mail:mycxw第6期 陈兴文,等:LabVIEW 在数字信号处理实践教学中的应用 91 1 信号采集模块设计与实现数据采集

5、系统如图2所示,由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数3部分组成2. 图2 基于LabVIEW 数据采集系统框图 数据采集的具体流程如图3所示.通过对信号的数据采集,就可以直接对信号进行时域分析,可以求取信号在时域中的特征参数,例如:峰值、均值、方差、有效值等,以及信号波形在不同时刻的相似性和关联性,例如:自相关函数、互相关函数.实验结果见图4. 图3 数据采集软件流程图 图4 信号采集实验结果2 信号分析模块设计与实现在动态测试技术中往往需要将时域信号变换到频域加以分析,对信号的频谱进行分析,可以获得信号中的各个频率成分和频率范围,还有各个频率成分的幅值分布和能量分布,从而可以得到主要幅

6、度和能量分布的频率值.常用的频谱分析方法包括:幅值谱、功率谱、倒谱等.连续傅立叶变换不能直接用计算机进行处理,在实际中通常采用快速傅立叶变换(FFT的方法,常用的采样点数为1024,2048等.本设计采用4096点的采样数据进行频谱分析3.在设计中,为了实现功率谱设计,采用信号的时域数字序列(n x 的傅立叶变换(n X 进行计算,即2|(|1(k X Nf S x = (1(k X k F Nf S xy = 通过信号的功率谱分析,可以得到信号的功率谱密度函数.功率谱密度函数反映了信号在频率上的能量分布,突出信号频谱图中的主频率4.倒频谱分析是近年发展起来的一种信号分析方法,广泛应用于故障诊

7、断、语音分析和去除回波等.功率倒频谱在实际工程上常用的表达式为(log (f G FFT q C q C x p a =92 高 师 理 科 学 刊 第27卷 式中:(q C a 被称为幅值倒频谱,或简称倒频谱.本系统主要实现幅值倒频谱,其表达式为N kn j N k x k G n C 2-10e (=即将对数谱傅立叶变换之后再取模.基于上述设计思想,完成信号分析模块设计,其实现框图见图5.采集信号的FFT 幅值谱和倒谱实验结果见图6. 图5 信号频域分析框图 图6 采集信号的FFT 幅值谱和倒谱分析3 结束语通过讨论,可以看出LabVIEW 图形化语言在处理较复杂的数字信号处理算法方面具有

8、明显的优势,这样不仅可以帮助学生理解抽象的理论知识,更可以提高学习兴趣.实践表明,在数字信号处理实践教学中使用LabVIEW 取得了很好的教学效果.参考文献:1 林君,谢宣松.虚拟仪器原理及应用M.北京:科学出版社,2006:1-5.2 程学庆.LabVIEW 图形化编程与实例应用M.北京:中国铁道出版社,2005:80-85.3 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,2001:93-95.4 吴湘淇.信号、系统与信号处理的软硬件实现M.北京:电子工业出版社,2002:134-138.LabVIEW application of practice teaching in

9、 digital signal processingCHEN Xing-wen,LI Min,LIU Yan(School of Electromechanical and Information Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian 116600,ChinaAbstract:In view of the digital signal processing practice teaching requirement and the LabVIEW software function,proposes application of

10、LabVIEW in the digital signal processing practice teaching. Introduces the digital signal processing teaching characteristic and the LabVIEW software,points out the advantage of LabVIEW application in the digital signal processing teaching,then produces LabVIEW application example in the digital signal processing teaching. The practice proves that the application of LabVIEW in the digital sig