刘琳 陶坤

[摘要]随着计算机技术和测控技术的不断发展，虚拟仪器将成为未来教学科研的重要方法和手段。利用虚拟仪器技术，可方便快速开发出图文并茂的演示课件，将深奥的理论知识变得简单易懂，提高学生兴趣，进而提高数字信号处理课程的教学效果。本文将以FIR数字滤波器设计为例，阐述虚拟仪器在数字信号处理课程中的优势。

[关键词]虚拟仪器 数字信号处理 提高教学效率

一、引言

数字信号处理课程是电子信息、通信工程、计算机技术等专业的重要基础课程。随着现代计算机信息技术的不断发展，数字信号处理的重要性越来越明显[1]。但是，在传统教学中，由于数字信号处理这门课程是基于“高等数学”、“大学物理”等公式和推导较多的的学科，内容比较抽象，很不容易理解，仅仅依靠Powerpoint编制的课件并不足以让学生理解透彻，学生学习起来难度相当大。课程中存在的大计算量，只能够在计算机上实现，并不能让学生们亲手验证，得不到形象化的结果，使得教学效果大打折扣。数字信号处理的实验环节严重缺失也是不能提高教学效果的一个重要原因。然而，伴随着虚拟仪器技术在国内的普及，给数字信号处理课程的发展带来了新的思路和巨大的变化。

二、虚拟仪器的优势

虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是儀器”[2]。目前常用的虚拟仪器软件是NI提供的图形化编程软件LabVIEW。

虚拟仪器的教学演示界面设计简单，利用Labview的前后面板可以很容易地实现既美观又实用的程序；Labview的专业版可以将自行开发的软件打包后，脱离虚拟仪器环境使用[3]，而且打包后的可执行文件很小，为课堂演示提供了极大的方便；虚拟仪器的前面板提供的大量指示性控件多是三维立体的图形，易于提高学生的学习兴趣。

本文以FIR数字滤波器窗函数法设计为例，说明虚拟仪器在实际教学中的优势。

三、虚拟仪器在数字信号处理课程中的优势

数字滤波器是用来“滤波”的，它将信号的某些频率（频段）的信号加以放大，而将另一些频率（频段）的信号加以抑制。也就是通过某种运算（变换）得到或增强所需信号，滤掉不需要的信号或噪声、干扰。由于数字滤波器的作用，它在数字信号处理课程中非常重要。

FIR数字滤波器可以实现严格的线性相位[4]，这对图像处理、视频信号及数据信号的传输都是非常重要的。FIR滤波器具有任意的幅度特性，使得传递函数没有极点，这在很大程度上保证了设计的FIR数字滤波器是平稳的。

采用FIR数字滤波器可以有效地对数字信号进行各种期望的处理。例如，一个采集的实际信号，从中提出不同频率的信号分量；或者采集的实际信号含有噪声分量，需要滤掉噪声等。在数字信号处理课程中，为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数成为窗函数，简称为窗。窗函数法的优点是简单，有闭合形式的公式可循，因而很实用[5]。在教学演示子系统中，其前面板和程序框图分别如图1和图2所示。针对同一信号施加不同的窗函数，让学生观察频域波形的变化，从而体会窗函数的性质和特点。这样动态形象的演示让学生能感性地认识到窗函数之间的不同，加深对窗函数理解。

在前面板中，可随意改变窗函数的类型，窗函数的长度，滤波器的阶数，随着这些参数的改变，前面板上的波形显示也会随之改变，这样直观的感受能够让学生对课程的内容更加生动形象地了解，也能够使学生提高学习兴趣，对比只是课本和Powerpoint编制的课件的讲课，虚拟仪器的技术明显能够提高学生们的学习效率，增加学生的学习效率，提升老师们的教学质量，使课程的教学进度能够高质量、高速度地进行下去。

四、结论

虚拟仪器技术具有开放性和灵活性等特点，特别适合教学。通过LabVIEW软件利用窗函数法设计FIR数字滤波器，图形化的编程，动态的演示结果，使学生能直观地领会和理解数字信号处理结果，可以让学生更清晰透彻地明白教学内容，提高学生学习兴趣，增强教师教学效率，推进教学进度。纯软件的教学也降低了实验设备的投资，使得教学成本更加经济。在以后的教学中，数字信号处理课程与虚拟仪器相结合，能够克服越来越多的教学难关，使得教学任务能够更好地完成，教学效率能够得到更大地提高。

基金项目：重庆邮电大学教改项目（XJG1415）、重庆市高等学校教学改革研究项目（1203041）

[参考文献]

[1]汪西原.“数字信号处理”课程实践教学改革的探索[J].高等理科教育.2005（5）：99-102.

[2]侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]张刚毅.虚拟仪器技术介绍[J].国外电子测量技术，2006，25，（6）：1-6.

[4]程佩青.数字信号处理教程（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[5]王建行，姚齐国，刘玉良等.基于窗函数的FIR数字滤波器设计[J].吉首大学学报：自然科学版，2012，（1）.

（作者单位：重庆邮电大学 自动化学院 重庆）