虛擬儀器在數字信號處理課程中的優勢

劉琳 陶坤

[摘要]隨著計算機技術和測控技術的不斷發展，虛擬儀器將成為未來教學科研的重要方法和手段。利用虛擬儀器技術，可方便快速開發出圖文并茂的演示課件，將深奧的理論知識變得簡單易懂，提高學生興趣，進而提高數字信號處理課程的教學效果。本文將以FIR數字濾波器設計為例，闡述虛擬儀器在數字信號處理課程中的優勢。

[關鍵詞]虛擬儀器 數字信號處理 提高教學效率

一、引言

數字信號處理課程是電子信息、通信工程、計算機技術等專業的重要基礎課程。隨著現代計算機信息技術的不斷發展，數字信號處理的重要性越來越明顯[1]。但是，在傳統教學中，由于數字信號處理這門課程是基于“高等數學”、“大學物理”等公式和推導較多的的學科，內容比較抽象，很不容易理解，僅僅依靠Powerpoint編制的課件并不足以讓學生理解透徹，學生學習起來難度相當大。課程中存在的大計算量，只能夠在計算機上實現，并不能讓學生們親手驗證，得不到形象化的結果，使得教學效果大打折扣。數字信號處理的實驗環節嚴重缺失也是不能提高教學效果的一個重要原因。然而，伴隨著虛擬儀器技術在國內的普及，給數字信號處理課程的發展帶來了新的思路和巨大的變化。

二、虛擬儀器的優勢

虛擬儀器就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。其基本思想就是在測試系統或儀器設計中盡可能地用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”[2]。目前常用的虛擬儀器軟件是NI提供的圖形化編程軟件LabVIEW。

虛擬儀器的教學演示界面設計簡單，利用Labview的前后面板可以很容易地實現既美觀又實用的程序；Labview的專業版可以將自行開發的軟件打包后，脫離虛擬儀器環境使用[3]，而且打包后的可執行文件很小，為課堂演示提供了極大的方便；虛擬儀器的前面板提供的大量指示性控件多是三維立體的圖形，易于提高學生的學習興趣。

本文以FIR數字濾波器窗函數法設計為例，說明虛擬儀器在實際教學中的優勢。

三、虛擬儀器在數字信號處理課程中的優勢

數字濾波器是用來“濾波”的，它將信號的某些頻率（頻段）的信號加以放大，而將另一些頻率（頻段）的信號加以抑制。也就是通過某種運算（變換）得到或增強所需信號，濾掉不需要的信號或噪聲、干擾。由于數字濾波器的作用，它在數字信號處理課程中非常重要。

FIR數字濾波器可以實現嚴格的線性相位[4]，這對圖像處理、視頻信號及數據信號的傳輸都是非常重要的。FIR濾波器具有任意的幅度特性，使得傳遞函數沒有極點，這在很大程度上保證了設計的FIR數字濾波器是平穩的。

采用FIR數字濾波器可以有效地對數字信號進行各種期望的處理。例如，一個采集的實際信號，從中提出不同頻率的信號分量；或者采集的實際信號含有噪聲分量，需要濾掉噪聲等。在數字信號處理課程中，為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數對信號進行截斷，截斷函數成為窗函數，簡稱為窗。窗函數法的優點是簡單，有閉合形式的公式可循，因而很實用[5]。在教學演示子系統中，其前面板和程序框圖分別如圖1和圖2所示。針對同一信號施加不同的窗函數，讓學生觀察頻域波形的變化，從而體會窗函數的性質和特點。這樣動態形象的演示讓學生能感性地認識到窗函數之間的不同，加深對窗函數理解。

在前面板中，可隨意改變窗函數的類型，窗函數的長度，濾波器的階數，隨著這些參數的改變，前面板上的波形顯示也會隨之改變，這樣直觀的感受能夠讓學生對課程的內容更加生動形象地了解，也能夠使學生提高學習興趣，對比只是課本和Powerpoint編制的課件的講課，虛擬儀器的技術明顯能夠提高學生們的學習效率，增加學生的學習效率，提升老師們的教學質量，使課程的教學進度能夠高質量、高速度地進行下去。

四、結論

虛擬儀器技術具有開放性和靈活性等特點，特別適合教學。通過LabVIEW軟件利用窗函數法設計FIR數字濾波器，圖形化的編程，動態的演示結果，使學生能直觀地領會和理解數字信號處理結果，可以讓學生更清晰透徹地明白教學內容，提高學生學習興趣，增強教師教學效率，推進教學進度。純軟件的教學也降低了實驗設備的投資，使得教學成本更加經濟。在以后的教學中，數字信號處理課程與虛擬儀器相結合，能夠克服越來越多的教學難關，使得教學任務能夠更好地完成，教學效率能夠得到更大地提高。

基金項目：重慶郵電大學教改項目（XJG1415）、重慶市高等學校教學改革研究項目（1203041）

[參考文獻]

[1]汪西原.“數字信號處理”課程實踐教學改革的探索[J].高等理科教育.2005（5）：99-102.

[2]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]張剛毅.虛擬儀器技術介紹[J].國外電子測量技術，2006，25，（6）：1-6.

[4]程佩青.數字信號處理教程（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]王建行，姚齊國，劉玉良等.基于窗函數的FIR數字濾波器設計[J].吉首大學學報：自然科學版，2012，（1）.

（作者單位：重慶郵電大學 自動化學院 重慶）