通信專業(yè)教學(xué)虛擬儀器的作用

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所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟、硬件測(cè)試平臺(tái)。由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)；還可以自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件成為整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，使用者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增加儀器系統(tǒng)的參數(shù)和功能，所以有“軟件即儀器”之說[1]。結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究，國(guó)際上始于20世紀(jì)80年代末，現(xiàn)己取得了許多有代表性的成果，應(yīng)用于科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如美國(guó)斯坦福大學(xué)的遠(yuǎn)程光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以遠(yuǎn)程登錄該光學(xué)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。又如美國(guó)伊利諾伊((Illinois)大學(xué)的Nmrsope系統(tǒng)，通過Internet研究人員在任何地方都能使用伊利諾伊大學(xué)的儀器等等[2]。

目前國(guó)內(nèi)大學(xué)通信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如通信原理和數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)課等，都以虛擬儀器作為示例，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。但往往由于信號(hào)生成、顯示和分析儀器的成本比較高，尤其是帶有頻譜分析和測(cè)量功能的儀器價(jià)格尤為昂貴，使得這部分的實(shí)驗(yàn)無法普遍實(shí)施。PC機(jī)聲卡具有兩路AD和兩路DA，采樣率最高可達(dá)到44100Hz，采樣深度可達(dá)到16bit。由于其成本低廉且功能強(qiáng)大。由于PC機(jī)聲卡只適用于音頻領(lǐng)域，即輸入信號(hào)頻率必須處于20~20000Hz的音頻范圍內(nèi)，這個(gè)系統(tǒng)在處理速度和帶寬方面也具有一定的局限性。如果利用PC機(jī)聲卡作為音頻數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，使用適當(dāng)?shù)奶摂M儀器軟件編程技術(shù)就可以組成一個(gè)低成本高性能的信號(hào)采集與分析處理系統(tǒng)，方便學(xué)生理解理論內(nèi)容，簡(jiǎn)化了課程的實(shí)驗(yàn)，甚至能夠讓有興趣的學(xué)生對(duì)現(xiàn)有虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。這是我們研究該課題的意義之所在，希望通過我們的研究，能夠建立一個(gè)性價(jià)比較高的音頻信號(hào)分析系統(tǒng)，并將該結(jié)果應(yīng)用于大學(xué)通信專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而讓學(xué)生理解信號(hào)分析的概況。

1基于聲卡的音頻虛擬儀器系統(tǒng)

之所以對(duì)音頻信號(hào)感興趣，是因?yàn)槿粘Ｉ钪写嬖谥罅康囊纛l信號(hào)，比如：話音信號(hào)。另外，在通信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以音頻信號(hào)作為示例，足以讓學(xué)生理解信號(hào)分析的概況。本文介紹一套基于Labwindows/CVI的音頻處理系統(tǒng)，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向測(cè)控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺(tái)。它以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的控件和庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境[3]。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)的功能，在音頻范圍內(nèi)可完全替代成型的音頻信號(hào)分析儀器。這并不是仿真軟件，而是實(shí)用的工具，這些虛擬儀器可以很好的工作。使用起來也很方便，只需要一根音頻電纜，一頭接入聲卡LineIn口，一頭接入聲卡SpeakOut口。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1虛擬信號(hào)發(fā)生器虛擬音頻信號(hào)發(fā)生器利用PC機(jī)聲卡的耳機(jī)插孔發(fā)出信號(hào)，能夠產(chǎn)生兩路音頻信號(hào)。頻率范圍在20~9999Hz，電壓有效值為0~3V，信號(hào)類型有正弦波、方波、三角波、鋸齒波和用戶自定義5種波形。在“高級(jí)設(shè)置”中可對(duì)兩路信號(hào)的同步進(jìn)行調(diào)整，也就是設(shè)置兩路信號(hào)的初始相位差，調(diào)整范圍為0~2π。系統(tǒng)面板圖如圖2所示。一旦系統(tǒng)運(yùn)行，就有聲音信號(hào)生成并通過聲卡通道輸出，發(fā)生器1通過左聲道輸出，發(fā)生器2通過右聲道輸出，可以通過揚(yáng)聲器收聽輸出的音頻信號(hào)的聲音，也可以通過虛擬示波器或真實(shí)示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示。

1.2虛擬示波器示波器通過聲卡LineIn口輸入音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了雙通道示波器的所有功能，包括時(shí)基調(diào)整、幅度調(diào)整、偏移調(diào)整、雙通道組合顯示等，普通實(shí)驗(yàn)室中雙通道示波器具有的功能這個(gè)系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)。最后這個(gè)系統(tǒng)還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行2048點(diǎn)的頻譜分析，相當(dāng)于一臺(tái)簡(jiǎn)易頻譜分析儀。通過對(duì)音頻信號(hào)采集、分析信號(hào)可以顯示其時(shí)域波形和頻譜圖。程序面板圖如圖3所示。信號(hào)分析部分充分利用模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了信號(hào)的波形、頻譜分析。在這個(gè)基礎(chǔ)上，通過程序的擴(kuò)展，還可以開發(fā)諸如：FIR、IIR數(shù)字濾波器等其他的數(shù)字信號(hào)處理功能。總之，本虛擬信號(hào)采集與分析系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的探討，完成了信號(hào)分析和信號(hào)處理的基本功能。分析儀界面友好，使用方便。

2具體實(shí)例分析

信號(hào)譜分析是數(shù)字信號(hào)處理課程中學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，同時(shí)又是難點(diǎn)[4]。對(duì)于這些抽象的知識(shí)，老師在課堂上費(fèi)盡心力講解，學(xué)生依然很難理解。有些學(xué)生雖然學(xué)會(huì)信號(hào)頻譜的計(jì)算方法，但對(duì)計(jì)算出的譜線形狀只能憑空想象，缺少直觀認(rèn)識(shí)，久而久之，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性下降。通過此虛擬實(shí)驗(yàn)，可以解決這些問題，學(xué)生通過選擇需要的的信號(hào)類型，設(shè)定信號(hào)的頻率和幅值，就可觀察到信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，這樣學(xué)生不僅直觀的了解譜線形狀，而且對(duì)原信號(hào)頻率和相位對(duì)譜線的影響有更深刻的理解。如圖4所示產(chǎn)生一個(gè)頻率1000Hz，幅度0.15V的單音頻正弦波信號(hào)，并用示波器顯示波形、頻譜，測(cè)量電壓峰峰值和頻率值的過程。發(fā)生器1產(chǎn)生信號(hào)1000Hz，電壓0.15V的單音頻信號(hào)，通過左聲道輸出；示波器通道A測(cè)試左聲道的信號(hào)，測(cè)得信號(hào)頻率1000Hz，峰峰值電壓0.42652V(有效值為0.15079V)；并可以從揚(yáng)聲器中聽到1000Hz的單音頻信號(hào)的聲音。

3結(jié)語(yǔ)

基于本虛擬儀器系統(tǒng)，開發(fā)了一系列數(shù)字信號(hào)處理和通信原理的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。包括：雙通道信號(hào)發(fā)生器認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，雙通道示波器認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，信號(hào)相位同步實(shí)驗(yàn)——里撒如圖形，基本信號(hào)的產(chǎn)生和譜分析，DTMF信號(hào)的產(chǎn)生和譜分析，常見通信信號(hào)的產(chǎn)生和譜分析等。將這些實(shí)驗(yàn)用在了數(shù)字信號(hào)處理和通信原理的課程教學(xué)中，取得了很好的效果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方便學(xué)生理解理論內(nèi)容，簡(jiǎn)化了課程的實(shí)驗(yàn)，甚至能夠讓有興趣的學(xué)生對(duì)現(xiàn)有虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。虛擬儀器作為一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和全新的科學(xué)研究方法影響著各行各業(yè)，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上得到了有效的應(yīng)用，并以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向。我們將繼續(xù)完善并研發(fā)模擬調(diào)制信號(hào)、數(shù)字調(diào)制信號(hào)等的生成和處理的虛擬儀器，以及可以進(jìn)行眼圖和星座圖分析的虛擬設(shè)備(其中數(shù)字信號(hào)、模擬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)初步完成)，最終建立一個(gè)完整的通信專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室。