吳湖青,李秀梅,孫晨林

(杭州師范大學(xué)杭州國(guó)際服務(wù)工程學(xué)院,浙江 杭州 311121)

信號(hào)處理類(lèi)課程包括信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理等，是電子信息工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，在電子信息專(zhuān)業(yè)中占有重要的地位.其特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)、概念較抽象、公式和理論推導(dǎo)較多.將抽象的概念、原理及分析方法設(shè)計(jì)成便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解的可視化演示系統(tǒng)，是信號(hào)處理類(lèi)課程教學(xué)中值得探討的重要課題[1-3].

Labview是由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言,同時(shí)也是開(kāi)發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑.Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境使用圖形化編輯語(yǔ)言編寫(xiě)程序，產(chǎn)生框圖形式的程序，集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，使用Labview進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可以大大提高工作效率[4-6].

本文將在Labview 開(kāi)發(fā)環(huán)境下，完成信號(hào)處理類(lèi)課程的可視化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(包括前面板和后程序框圖)的設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將信號(hào)處理類(lèi)課程的理論直觀演示給學(xué)生，幫助學(xué)生更深入理解其中的抽象概念和定理.

1 信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括4部分,如圖1所示.1)信號(hào)發(fā)生器：主要包括基本信號(hào)的產(chǎn)生及顯示，以及添加白噪聲后的波形顯示，并通過(guò)改變輸入信號(hào)的頻率播放出相應(yīng)頻率的聲音.2)信號(hào)分析處理模塊：主要包括信號(hào)的基本運(yùn)算、卷積求和、頻域分析、信號(hào)處理中常用的各種濾波器等.其中信號(hào)的運(yùn)算包括常見(jiàn)信號(hào)如正弦波、方波、鋸齒波、三角波的延時(shí)、加權(quán)、相加等基本運(yùn)算；卷積求和運(yùn)算則將卷積的步驟細(xì)化，了解卷積的過(guò)程及每一步的結(jié)果；頻域分析中，利用傅里葉變換分析上述4種常見(jiàn)信號(hào)的頻譜，了解其頻率組成成分及大??；信號(hào)的采樣及恢復(fù)則是對(duì)4種常見(jiàn)波形的采樣以及重建；在濾波器設(shè)計(jì)中，主要包括低通、高通、帶通、帶阻4種類(lèi)型，并提供了高斯窗、矩形窗、Hanning窗、Hamming窗等窗函數(shù)，濾除輸入信號(hào)中參雜的均勻白噪聲.3)采樣定理：討論對(duì)信號(hào)的采樣及恢復(fù).4)信號(hào)處理的應(yīng)用：包括聲音采集及濾波和基于DCT的圖像壓縮.其中聲音采集及濾波部分，利用PC機(jī)的錄音系統(tǒng)進(jìn)行錄音，并轉(zhuǎn)換至頻域上對(duì)其濾波；基于DCT的圖像壓縮中，利用離散余弦變換DCT對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到壓縮的圖像.利用Labview實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 系統(tǒng)主界面圖

2 模塊的功能實(shí)現(xiàn)舉例

該部分以信號(hào)的采樣定理與DCT圖像壓縮為例，解釋基于Labview的信號(hào)處理類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建方法.

2.1 信號(hào)的采樣定理

采樣定理在模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著重要作用，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息.即：頻帶為F的連續(xù)信號(hào)f(t)可用一系列離散的采樣值f(t1),f(t1±Δt)，f(t1±2Δt)，…來(lái)表示，只要這些采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔Δt≤1/2F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)f(t).

基于Labview的采樣定理設(shè)計(jì)思路如下：將產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)Resample Waveforms (single shot).vi，從而將連續(xù)信號(hào)離散化，然后將采樣后的信號(hào)通過(guò)Butterworth Filter.vi，重建采樣后的信號(hào).當(dāng)采樣的頻率大于信號(hào)頻率的2倍時(shí)，可以重建成原信號(hào).基于Labview的采樣定理程序框圖如圖3所示.基于Labview的采樣定理的前面板如圖4所示.在前面板的右側(cè)部位，用戶(hù)可根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的信號(hào)，調(diào)整相應(yīng)的頻率、幅度、輸出采樣率和初始相位，并選擇Butterworth低通濾波器的采樣頻率及低截止頻率.前面板的左側(cè)，分別顯示原始信號(hào)、采樣后的信號(hào)、采樣后信號(hào)頻譜采樣恢復(fù)后的信號(hào)、采樣恢復(fù)后信號(hào)頻譜、采樣后信號(hào)功率譜.圖4中，信號(hào)的頻率為5 Hz，采樣頻率為100 Hz，滿(mǎn)足采樣定理的條件，信號(hào)可以得到正確恢復(fù).通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)，可以清楚地觀察到原始信號(hào)、采樣后的信號(hào)及其功率譜、頻譜的變化，并通過(guò)將恢復(fù)后的信號(hào)以及其頻譜與原信號(hào)進(jìn)行比較, 更深入地理解采樣定理.

圖3 采樣定理程序框圖

圖4 采樣定理前面板

2.2 DCT圖像壓縮

圖5 基于DCT的圖像壓縮程序框圖

圖6 基于DCT的圖像壓縮前面板

3 總 結(jié)

本文基于Labview設(shè)計(jì)了信號(hào)處理類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并以采樣定理和DCT圖像壓縮為例，闡明了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程.本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有交互性好、易于操作等特點(diǎn)，能幫助學(xué)生直觀理解信號(hào)處理類(lèi)課程中的概念和分析方法，并具有較好的可擴(kuò)展性.

[1] 火元蓮，齊永峰，張萬(wàn)鵬，等.基于Labview的數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，44(4)：114-117．

[2] 劉霞，劉均，殷海雙，等．基于Labview的信號(hào)處理演示及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(20)：4-6．

[3] 全曉莉，周南權(quán)，李雙，等．基于Labview的數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(10)：82-84．

[4] 楊樂(lè)平，李海濤，趙勇，等．Labview高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003：286-312．

[5] 陳樹(shù)學(xué)，劉萱．Labview寶典[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011：328-435．

[6] 豈興明，田京京，夏寧．Labview入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)開(kāi)發(fā)100例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011：268-352．

[7] 章毓晉．圖像處理和分析基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2002：85-115．