基于 Labview 的信号时域与频域关系研究开题报告.docx

毕 业 设 计 开 题 报 告题目：基于 Labview 的信号时域与频域关系研究1.课题背景课题背景信号与系统理论是现代通信技术、电子信息技术以及自动控制技术的基础理论。其中，信号是被传递的消息的表现形式，电路或系统则是运载和传递信号的工具。离开了信号，任何电路和系统都失去了存在的意义。因此，对信号特征的理解和研究是信号与系统理论学习的重点。任意一种信号都具有两种不同的描述方式。一是可以在时间域用信号的波形来表示，二是在频率域用信号的频谱图来表示。信号的时域和频域之间存在着密不可分的关系，通常用数学公式及其平面图形来表示。往往，公式抽象且难以理解，而教科书上分散的平面图形也很难让人们对信号的时域与频域建立起一个形象直观的印象。本设计利用 Labview 虚拟仪器丰富的控件资源、生动的图像波形显示模块、灵活的属性节点，使信号与系统理论中时域与频域本抽象的关系更加形象得表现出来。2.开发设计的基本内容及预期设计效果开发设计的基本内容及预期设计效果为了更全面地反映信号时域特性与频域特性的关系，我们基于 Labview 开发和研究了“信号时域与频域曲线的关系”教学仿真软件。在信号与系统理论中我们已知，一个周期连续时间信号波形满足狄利赫莱条件，就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。以一个如图 1 所示的矩形脉冲信号f(t)为例，通过傅里叶级数计算其直流分量a0和各次正弦、余弦分量an,bn 后，经整理后可以得到式中， E 为矩形脉冲信号的幅度， 为脉冲宽度,T1 为矩形脉冲信号的周期,角频率 = 2/T1,sa 为抽样函数。当矩形脉冲信号的T1比值为12时，由上述公式代入 n =1,2,3,逐点计算，可以得到各次分量的大小与方向，描绘出幅度频谱和相位频谱以及同时反映幅度和相位的复数频谱。图 2为其幅度频谱曲线。如果从上述式 1、式 2 这两个公式理解一个信号时域和频域的关系，显然不直观，理解起来有一定的难度。为此，许多实验教材上都采用了类似图 3，以说明信号时域与频域曲线的关系。图 3（C）中取矩形脉冲信号的T1比值为1/2时，前 5 次谐波幅度频谱图；在图 3（a）中表现了信号前 5 次谐波在幅度时间频率三维坐标系统中的图形；图 3（b）则是信号前5 次谐波在幅度时间坐标系统中的图形，以及合成时域波形。图 3 在帮助理解和学习信号时域与频域的关系上，比直接从公式或图 1、图 2 大大前进了一步，但仍然具有局限性。一是仅限于研究一种特定的信号；二是仅限于固定的参数。还不能完全满足教学的要求。设计利用 Labview 虚拟仪器丰富的控件资源、生动的三维图像、灵活的属性节点，使信号与系统理论中时域与频域本抽象的关系更加形象得表现出来。通过观察生动形象的图像波形显示模块设计，色彩鲜艳，层次分明。动态地演示信号时域和频域特性曲线之间的关系，使得原先抽象的数学公式与形象的物理图形联系起来。有效地拓展了视觉空间，有利于增强理解记忆与融会贯通，也能达到了很好的教学效果。在信号时域和频域特性关系研究的过程中，不但学习了 Labview 的使用，初步掌握了一门先进的虚拟仪器开发技术。同时通过方框图的连接，器件的使用，逐步建立起“信号”与“系统”的概念，加深了对课堂上学习过的有关信号与系统主要理论的理解，激发创新思维，锻炼实际动手的能力。3.开发设计方案（拟采用的设计思想、设计方案及开发工具介绍）NI 公司开发的 Labview 软件具有强大的图形功能，与信号与系统课程相结合，可以把信号与系统课程中这些晦涩难懂的理论和公式借以图形立体直观的表示出来，有助于加深人们对知识的理解和应用。为此，我们选用 Labview 对信号时域与频域的关系进行研究，开发了反映信号的时域与频域及其之间的关系的仿真实验。首先要基于 Labview 开发和研究“信号时域与频域曲线的关系”教学仿真软件，要求效果是能够直观地同时显示出时域曲线中的原信号时域曲线、前 N 次谐波分量时域曲线和前 N 次谐波合成曲线；频域曲线中的原信号的幅度频谱曲线、信号的相位频谱曲线和前 N 次谐波的幅度频谱曲线；显示前 N 次谐波时域和频域的波形曲线。其中，原时域信号可以选择正弦波、矩形波、锯齿波、三角波，用控件调节和选择想要观察和显示的谐波参数 N。信号为矩形波时还可以对时间信号的占空比比值进行调节。利用软件，要达到以下几个研究目的：1） 同时观察信号的时域波形与频域波形，任意输入一个周期矩形信号，明确占空比，观察信号幅度频谱，验证周期信号幅度谱的离散性、谐波性和收敛性。2） 立体显示信号的时域与频域关系曲线，改变原始信号的占空比，观察频谱分布的变化情况，并从中反映其规律。通过控件选择想要观察的谐波曲线次数 N，频域波形仅显示选定N 次的谐波幅度谱，另外显示各次谐波的时域波形，即 N 个频率不同、幅度和相位各异的正弦波形。3） 观察分析N 次谐波合成波形及其吉布斯效应。由周期信号的傅里叶分析已知，当一个时域周期信号的基波频率一定，其频谱中出现谱线的位置一定是在基波分量的整倍数（即谐波分量）处。因此，要想得到前 N 次谐波的合成波形，必须先分解出前 N 次谐波分量，利用控件调节各谐波参数N，从频域曲线中可以获到各次谐波分量的幅度，将各次谐波分量的幅度与相应的正弦分量相乘，同时确定正确的初相位，即可得到各次谐波的时域波形，选取的谐波次数越多，合成波形越接近原时间信号波形。但由于是有限项，因此前 N 次谐波的合成波形在原波形不连续点总是存在着起伏振荡的现象，即吉布斯效应，通过此软件的动态演示，可以使学生更加清楚得明白吉布斯效应的成因。由于现阶段软件的设计还处于初步学习和摸索阶段，所以对于软件的功能和预期的效果现在还没法具体描述，也没有开发的图片可以附在此处。在实际的开发阶段，我会逐步发现问题，并努力想办法解决，并在软件的功能上给予补充完善，是使用者能够更加方便的进行时域和频域曲线关系的教学工作。4.设计进度安排设计进度安排4月1日-4月12日(两周) 针对设计目的进行资料搜集整理，结合现存的研究结果，理清设计思路。4月15日-4月19日（两周）学习Labview的操作使用，熟练掌握控件资源、属性节点的使用，掌握虚拟仪器的设计步骤。4月22日-5月17日（四周）利用Labview开发研究本设计中的核心软件：信号发生器、虚拟示波器、虚拟频谱仪，谐波发生器，谐波合成器，并进行调试，使其具备形成可供研究的图像波形。5月20日-5月31日（两周）分析并研究数据，验证波形的频谱特征和各次谐波的意义，做叠加实验，最后完成软件界面，生动得显示出信号时域与频域的关系。6月3日-6月7日（一周）针对设计的不足，对软件的功能进行改善和补充。6月10日-6月21日（两周）整理设计说明书，提交并进行答辩。5.参考文献参考文献1 刘芸，李宗伯，刘芳. 引导学生理解信号频谱的概念和意义J. 理工高教研究,2007,26(5):119-121.2李妍.数字滤波技术 A. 赤峰学院学报(自然科学版),2005,21(6):75-77.3 赵凯，杨淑英，王均华. 基于小波变换和傅立叶变换的间谐波分析与检测D.河北省保定市，华北电力大学电气工程学院.4 程雪敏，仲蓁蓁.基于Labview 的虚拟仪器实验教学系统的设计A.广西轻工业，2010 (10):90-915李方明，任百利，刘文伟.Labview环境下设计虚拟仪器应用程序的方法A.沈阳大学学报，2004,16（2）:11-13.6 陶沙，吴允平. 基于Labview 的数字滤波器的设计与仿真J.福建电脑，2012（12）：12-13.7 曹玉清，石辉，裴文斌，闫琪琳.基于Labview的数字滤波器设计J.信息系统工程，2012:41-42.8 蔡国英，张宏群.基于Labview的信号产生与分析系统A.理论与方法，2007（7）：12-14.9 屈尔庆.基于Labview的信号发生器的设计A.现代电子技术，2010（11）：106-107.10陈小林.基于Labview 的虚拟仪器的设计A.温州师范学院学报(自然科学版)，2004,25(2):72-76.11 王怀兴.基于Labview的周期信号分解与叠加实验研究A. 湖北第二师范学院学报,2010,27(8):52-53.12 刘舒帆，赵红，石琼. 基于 Labview 的信号时域与频域关系研究J.中国电子教育学会高教分会2012年论文集，2012:58-63.13 IEC 61000-2-2, Compatibility levels for low-frequency conductedDisturbances and signaling in public low-voltage power supply systems,2nd ed., 2000.14 B. R. Pelly, “Thruster Phase-Controlled Converters andCycloconverters”, John Wiley and Sons, New York, 1971.15 Erich W. Gunt