通信專業教學虛擬儀器的作用

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所謂虛擬儀器是基于計算機的軟、硬件測試平臺。由計算機、應用軟件和儀器硬件組成，它可代替傳統的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業控制系統；還可以自由構建成專有儀器系統。在虛擬儀器系統中，軟件成為整個儀器系統的關鍵，使用者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增加儀器系統的參數和功能，所以有“軟件即儀器”之說[1]。結合虛擬儀器技術和網絡技術的虛擬實驗室研究，國際上始于20世紀80年代末，現己取得了許多有代表性的成果，應用于科學研究與實驗教學。如美國斯坦福大學的遠程光學實驗室，學生可以遠程登錄該光學實驗室做實驗。又如美國伊利諾伊((Illinois)大學的Nmrsope系統，通過Internet研究人員在任何地方都能使用伊利諾伊大學的儀器等等[2]。

目前國內大學通信專業的實驗教學中，如通信原理和數字信號處理的實驗課等，都以虛擬儀器作為示例，對信號進行分析。但往往由于信號生成、顯示和分析儀器的成本比較高，尤其是帶有頻譜分析和測量功能的儀器價格尤為昂貴，使得這部分的實驗無法普遍實施。PC機聲卡具有兩路AD和兩路DA，采樣率最高可達到44100Hz，采樣深度可達到16bit。由于其成本低廉且功能強大。由于PC機聲卡只適用于音頻領域，即輸入信號頻率必須處于20~20000Hz的音頻范圍內，這個系統在處理速度和帶寬方面也具有一定的局限性。如果利用PC機聲卡作為音頻數據采集處理設備，使用適當的虛擬儀器軟件編程技術就可以組成一個低成本高性能的信號采集與分析處理系統，方便學生理解理論內容，簡化了課程的實驗，甚至能夠讓有興趣的學生對現有虛擬儀器系統進行升級改造。這是我們研究該課題的意義之所在，希望通過我們的研究，能夠建立一個性價比較高的音頻信號分析系統，并將該結果應用于大學通信專業及相關專業的實驗教學中，從而讓學生理解信號分析的概況。

1基于聲卡的音頻虛擬儀器系統

之所以對音頻信號感興趣，是因為日常生活中存在著大量的音頻信號，比如：話音信號。另外，在通信專業的實驗教學中，以音頻信號作為示例，足以讓學生理解信號分析的概況。本文介紹一套基于Labwindows/CVI的音頻處理系統，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向測控領域的軟件開發平臺。它以ANSIC為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與數據采集、分析和表達的測控專業工具有機地結合起來。它的集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的控件和庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發人員建立檢測系統、自動測量環境、數據采集系統和過程監控系統等提供了一個理想的軟件開發環境[3]。本系統實現了示波器、信號發生器、頻率計的功能，在音頻范圍內可完全替代成型的音頻信號分析儀器。這并不是仿真軟件，而是實用的工具，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。系統框圖如圖1所示。

1.1虛擬信號發生器虛擬音頻信號發生器利用PC機聲卡的耳機插孔發出信號，能夠產生兩路音頻信號。頻率范圍在20~9999Hz，電壓有效值為0~3V，信號類型有正弦波、方波、三角波、鋸齒波和用戶自定義5種波形。在“高級設置”中可對兩路信號的同步進行調整，也就是設置兩路信號的初始相位差，調整范圍為0~2π。系統面板圖如圖2所示。一旦系統運行，就有聲音信號生成并通過聲卡通道輸出，發生器1通過左聲道輸出，發生器2通過右聲道輸出，可以通過揚聲器收聽輸出的音頻信號的聲音，也可以通過虛擬示波器或真實示波器對信號進行顯示。

1.2虛擬示波器示波器通過聲卡LineIn口輸入音頻信號，實現了雙通道示波器的所有功能，包括時基調整、幅度調整、偏移調整、雙通道組合顯示等，普通實驗室中雙通道示波器具有的功能這個系統都能實現。最后這個系統還能對信號進行2048點的頻譜分析，相當于一臺簡易頻譜分析儀。通過對音頻信號采集、分析信號可以顯示其時域波形和頻譜圖。程序面板圖如圖3所示。信號分析部分充分利用模塊化軟件設計方法，開發了信號的波形、頻譜分析。在這個基礎上，通過程序的擴展，還可以開發諸如：FIR、IIR數字濾波器等其他的數字信號處理功能?？傊咎摂M信號采集與分析系統對信號采集與分析系統的各個環節進行了深入的探討，完成了信號分析和信號處理的基本功能。分析儀界面友好，使用方便。

2具體實例分析

信號譜分析是數字信號處理課程中學生學習的重點，同時又是難點[4]。對于這些抽象的知識，老師在課堂上費盡心力講解，學生依然很難理解。有些學生雖然學會信號頻譜的計算方法，但對計算出的譜線形狀只能憑空想象，缺少直觀認識，久而久之，學生學習的積極性下降。通過此虛擬實驗，可以解決這些問題，學生通過選擇需要的的信號類型，設定信號的頻率和幅值，就可觀察到信號的時域波形和頻譜圖，這樣學生不僅直觀的了解譜線形狀，而且對原信號頻率和相位對譜線的影響有更深刻的理解。如圖4所示產生一個頻率1000Hz，幅度0.15V的單音頻正弦波信號，并用示波器顯示波形、頻譜，測量電壓峰峰值和頻率值的過程。發生器1產生信號1000Hz，電壓0.15V的單音頻信號，通過左聲道輸出；示波器通道A測試左聲道的信號，測得信號頻率1000Hz，峰峰值電壓0.42652V(有效值為0.15079V)；并可以從揚聲器中聽到1000Hz的單音頻信號的聲音。

3結語

基于本虛擬儀器系統，開發了一系列數字信號處理和通信原理的課內實驗。包括：雙通道信號發生器認知實驗，雙通道示波器認知實驗，信號相位同步實驗——里撒如圖形，基本信號的產生和譜分析，DTMF信號的產生和譜分析，常見通信信號的產生和譜分析等。將這些實驗用在了數字信號處理和通信原理的課程教學中，取得了很好的效果。這個實驗系統方便學生理解理論內容，簡化了課程的實驗，甚至能夠讓有興趣的學生對現有虛擬儀器系統進行升級改造。虛擬儀器作為一種先進的實驗儀器和全新的科學研究方法影響著各行各業，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虛擬儀器在實驗教學上得到了有效的應用，并以其獨特的優勢成為今后實驗教學改革的重要方向。我們將繼續完善并研發模擬調制信號、數字調制信號等的生成和處理的虛擬儀器，以及可以進行眼圖和星座圖分析的虛擬設備(其中數字信號、模擬調制信號發生器已經初步完成)，最終建立一個完整的通信專業虛擬實驗室。