工程教育認證背景下的信號與系統虛擬實驗教學平臺的研究

魏曉娟

摘要：在我國高等教育工程認證中，實驗教學是認證專家考量學生是否能夠達到畢業要求的重要依據?！靶盘柵c系統”課程理論性較強，學生經過學習普遍反映較枯燥并難理解，且無法將課堂上所學的理論知識轉化為實際應用。

關鍵詞：信號與系統;工程認證;研究與實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0274-02

工程教育專業認證（以下簡稱“工程認證”）是近年來國內高等工程教育面臨的一項重要工作，其核心是確認工科專業畢業生是否達到行業認可的質量標準，強調高等工程教育以培養目標和畢業出口要求為導向，要求專業課程體系設置與課程教學、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生畢業能力培養這一核心任務展開[1-2]。在這個背景下，面向工程認證的要求，加強專業課程教育對學生能力的培養，成為高等工程教育中專業課程建設與教學的主要任務和目標?！靶盘柵c系統”是電子信息類專業的核心基礎必修課，理論性較強，學生普遍感覺公式多，難理解。所以實驗教學對信號與系統課程的教學尤為重要，是其理論教學的延伸。從實驗條件來看，以本校信號與系統實驗室為例，《信號與系統》實驗室由于實驗儀器使用年限較長，部分芯片已經老化，并且每學期至少有12個班級在同一個實驗室做實驗，導致部分實驗儀器經常性損壞，而且長期下來部分實驗儀器的實驗結果與理論誤差相差太大，準確性不高。由于LabVIEW是一種圖形化編程語言和開發環境，利用LabVIEW軟件可以編寫出界面美觀、功能強大的程序，圖形化編程語言具有形象、生動等特點，初學者很容易入門[3]。

一、虛擬實驗平臺的設計構思

本文開發了一個基于LabVIEW的信號與系統的虛擬實驗平臺，信號與系統的虛擬實驗平臺主要包含了五個功能模塊，分別是波形發生器、波形的分解與合成、時域分析、頻譜分析和數字濾波器，同時還有虛擬實驗平臺的主界面設計。波形發生器模塊有方波、正弦波、混合單頻信號和公式輸入波等波形的產生，同時可以調節相關波形的幅度和頻率等。波形的合成與分解模塊，可以看到分解的各次諧波的頻率和幅度。信號的時域分析模塊，在虛擬實驗平臺上可以顯示信號波形，同時可以顯示頻率、最大最小值、均方根等波形特征參數值。頻譜分析模塊，利用虛擬發生器產生信號加噪、濾波處理，再對信號進行加窗處理，最后對信號進行頻域分析，經過FFT變換得到相位譜、功率譜和幅度譜。數字濾波器模塊主要是對所分析與處理的信號進行濾波，提供了Butterworth，Bessel等濾波器。

二、虛擬實驗平臺的應用實例

以波形的分解與合成實驗為例，設計的虛擬實驗平臺可以分解虛擬波形發生器中的所有波形。波形分解與合成的信號來源于虛擬實驗平臺的波形發生器，波形發生器能夠產生輸入公式波、正弦波等基本波形，則波形的分解與合成模塊就能分解這些波形，還可以選擇是否添加白噪聲。

1.波形的分解與合成設計原理。任何信號波形都可以由各種不同頻率、初相和幅度的正弦波疊加而成。

奇次諧波周期方波對稱信號展開其傅里葉正弦級數為：

它只含有一、三、五等奇次諧波分量。合成的諧波次數越多越接近原始的周期信號，近似度越高，理論上是可以合成原信號的。用均方誤差來表示這種近似度，通常隨著諧波次數的增加，均方誤差越來越小，合成的周期信號越接近原信號。有限項級數接近f（t）引起的均方誤差，可以得到的均方誤差的式子形式為：

從公式（3）到（5）可以看出來，合成的波形隨著諧波的增加就越接近原信號。隨著諧波的階數增加波峰越靠近間斷點，但是不影響波峰的幅度。無論合成諧波的階數如何增加，都不能完全還原原信號，我們稱這種現象為吉布斯現象。

2.前面板和程序框圖設計。波形的分解與合成的前面板設計，在前面板中主要有波形顯示控件，通過波形顯示控件能夠觀察相關波形的分解與合成。虛擬實驗平臺的波形分解與合成的信號來源于波形發生器，它可以分解波形發生器中的波形，即分解方波、鋸齒波等。設計采用多維數組數據運算、復合運算函數和正弦波VI，利用正弦波VI產生含有正弦波的波形，利用復合運算函數能將6個波形進行復合，產生合成波形。信號通過虛擬信號發生器經過濾波獲得，設置參數，進行信號分析，對波形進行分解后合成，最后在波形顯示控件上顯示。

三、實例測試

根據波形分解與合成的原理設計了波形分解與合成的演示實驗。方波的分解與合成測試實驗，其信號發生器產生的信號參數為頻率10，幅度1，占空比50%，不添加噪聲，波形為方波。分解圖主要包含了基波、三次諧波、五次諧波和七次諧波等波形，合成圖參數：頻率10，幅度1，占空比50%。方波信號的分解與合成如圖1所示。

從圖1波形來分析，產生的分解波和合成波與信號與系統的實驗結果一致，滿足方波的分解與合成實驗需求。從以上非正弦信號諧波以及諧波的合成與原波形的比較可以得出：隨著傅里葉級數項增加，合成方波與原始方波的誤差越來越小，但在信號的跳變點附近，存在著過沖現象。

本虛擬實驗平臺建設以提高教學質量為核心目標，培養綜合型人才為目的，加強理論與實際的聯系，注重實踐教學，著重提高學生的綜合應用能力。從實驗教學需求、教學知識點分布及學生操作體驗出發，使該虛擬實驗平臺實現交互式、虛擬實驗教學系統，最終提高學生對該課程的學習興趣。

參考文獻：

[1]胡文龍.工程專業認證背景下的高校教師教學發展[J].高等工程教育研究，2015，（01）：73-78.

[2]顧曉薇，王青，邱景平，胥孝川，張春明.工程教育認證“畢業要求”達成度的認識與思考[J].教育教學論壇，2016，（14）：24-26.

[3]楊樂平，李海濤，趙勇.LabVIEW高級程序設計[M].北京：清華大學出版社，2003.

Research on Virtual Experiment Teaching Platform of Signal and System under the Background of Engineering Education Certification

WEI Xiao-juan

（Electrical Engineering College，Northwest University for Nationalities，Lanzhou，Gansu 730124，China）

Abstract：In the certification of higher education engineering in our country，experimental teaching is an important basis for certified experts to consider whether students can meet the graduation requirements.The course of signal and system is more theoretical，students generally reflect the boring and difficult to understand，and can not transform the theoretical knowledge learned in the classroom into practical application.

Key words：signal and system;engineering certification;research and practice