朱琳琳，黃翼天，丁格曼

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院 物理學(xué)科基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,廣東 廣州 510006)

平均技術(shù)是微弱信號(hào)檢測(cè)的常見(jiàn)手段之一[1]。按照信號(hào)處理方式的不同，平均技術(shù)可以分為采用模擬電路的取樣積分和采用計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)平均兩種方式[2]。目前數(shù)字信號(hào)平均技術(shù)在許多專有的設(shè)備(例如脈沖式核磁共振譜儀)中應(yīng)用廣泛，但相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)仍較少，實(shí)驗(yàn)波形較難獲得。本文借助LabVIEW程序再現(xiàn)數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并借助TCP網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)雙機(jī)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)效果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便靈活，可操作性強(qiáng)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)原理

噪聲是限制信號(hào)檢測(cè)的因素，通常指的是干擾測(cè)量信號(hào)的各種電擾動(dòng)。噪聲通常都是隨機(jī)的，而信號(hào)卻是有規(guī)律的，能夠重復(fù)的[2]。當(dāng)噪聲與信號(hào)疊加在一起，會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾，使信號(hào)失真。而信號(hào)取樣平均技術(shù)[1]能夠抑制噪聲的干擾，取樣在疊加中有用的信號(hào)，在多次取樣積累后，能夠有效進(jìn)行降噪操作。信噪比(SNR)能夠反映噪聲對(duì)信號(hào)的影響程度，其一般定義為信號(hào)與噪聲的平均功率之比[3]，即幅度的平方比。經(jīng)過(guò)處理后的信噪比改善值可用SNIR表示[3]。設(shè)置信號(hào)為周期信號(hào)S(t)，噪聲為N(t)，兩者疊加后的結(jié)果為被測(cè)信號(hào)f(t)，則：

f(t)=S(t)+N(t)

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于被測(cè)信號(hào)f(t)采用多點(diǎn)平均方法，每隔時(shí)間T取樣一次，經(jīng)過(guò)m次的重復(fù)后，第k點(diǎn)信號(hào)的積累值為：

1.2 TCP通信

TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)是一個(gè)面向連接的協(xié)議[4]。它采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端和客戶端的方式(即 C/S 模式)進(jìn)行通信。其通信流程如圖1所示[5]，首先，服務(wù)器通過(guò)主機(jī)名或IP地址、端口號(hào)建立偵聽(tīng)，等待客戶連接；隨后，客戶端根據(jù)主機(jī)的IP地址和端口號(hào)發(fā)出連接請(qǐng)求，創(chuàng)建好服務(wù)器與客戶端的鏈接；待連接后，通過(guò)讀寫函數(shù)(只接收/發(fā)送字符串類型數(shù)據(jù))即可進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通信；通信完畢后，兩端通過(guò)“關(guān)閉TCP連接”函數(shù)來(lái)斷開(kāi)連接[6]。

圖1 基于C/S模式的TCP連接

2 遠(yuǎn)程仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 裝置面板設(shè)計(jì)

如圖2所示，學(xué)生端面板4個(gè)波形圖分別可顯示信號(hào)波形、噪聲波形，信號(hào)與噪聲疊加的初始波形以及疊加平均后的實(shí)驗(yàn)波形。程序運(yùn)行后，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)顯示/靜止”開(kāi)關(guān)使綠燈亮起，即可開(kāi)始實(shí)時(shí)顯示疊加平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖像，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中該開(kāi)關(guān)可以控制圖像的實(shí)時(shí)顯示與靜止，方便實(shí)驗(yàn)者觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果與截圖保存。參數(shù)設(shè)置面板中可以調(diào)節(jié)眾多信號(hào)與噪聲初始參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)條件，以進(jìn)行不同目的的數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)。如信號(hào)類型可選擇“正弦波”“方波”等，噪聲類型可選擇“均勻白噪聲”“高斯白噪聲等，當(dāng)噪聲類型為“均勻白噪聲”時(shí)，可以調(diào)節(jié)初始信噪比(一般小于1，表明待提取的信號(hào)較為微弱)。

圖2 學(xué)生端面板設(shè)計(jì)

2.2 程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由學(xué)生端和實(shí)驗(yàn)端兩部分組成。學(xué)生端即為TCP通信中的客戶端，用戶可以在學(xué)生端輸入實(shí)驗(yàn)的參數(shù)和條件，如信號(hào)與噪聲的類型、累加次數(shù)等，即可觀察實(shí)驗(yàn)波形；實(shí)驗(yàn)端即為TCP通信中的服務(wù)器，與學(xué)生端連接后，便根據(jù)用戶在學(xué)生端輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果回傳至學(xué)生端，此時(shí)學(xué)生端便可以接收到經(jīng)過(guò)累加平均后得到的波形。由于服務(wù)器可以一對(duì)多地傳輸數(shù)據(jù)，故實(shí)驗(yàn)端可以連接多個(gè)學(xué)生端，使多個(gè)用戶可以同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的靈活性。

學(xué)生端和實(shí)驗(yàn)端程序設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。由程序設(shè)計(jì)可知，在學(xué)生端中將所有參數(shù)設(shè)置的輸入控件組成簇，將其通過(guò)“平化至JSON”函數(shù)控件轉(zhuǎn)化為字符串[7]寫入TCP，再在實(shí)驗(yàn)端中通過(guò)讀取這些輸入數(shù)據(jù)形成波形，進(jìn)行累加平均的實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)端中提取累加平均后的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符串寫入TCP，再在學(xué)生端中讀取波形數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像同步回到學(xué)生端供用戶觀察。另外，程序中也靈活運(yùn)用了條件循環(huán)，用以生成不同種類的信號(hào)與噪聲波形，以及控制學(xué)生端中結(jié)果圖像的實(shí)時(shí)顯示和靜止。

圖3 學(xué)生端程序設(shè)計(jì)

圖4 實(shí)驗(yàn)端程序設(shè)計(jì)

3 仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

在數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過(guò)訪問(wèn)基于LabVIEW搭建的程序系統(tǒng)，完成三個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的觀察：觀察信號(hào)與噪聲的波形、累加次數(shù)對(duì)降噪效果的影響、初始信噪比對(duì)降噪效果影響。

3.1 觀察信號(hào)與噪聲的波形

①首先打開(kāi)vi文件，輸入地址(在本機(jī)內(nèi)運(yùn)行的地址可輸入localhost)和端口名稱(一般大于1 024)，分別點(diǎn)擊學(xué)生端、實(shí)驗(yàn)端頁(yè)面的運(yùn)行程序指令。

②設(shè)置參數(shù)如表1。設(shè)置信號(hào)初始幅度大于0，例如0.4 V時(shí)，占信號(hào)波形顯示的2/3，頻率為整數(shù)，例如5 Hz；相位任意；累加次數(shù)為1 024，初始信噪比為0.01，按下實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖的“實(shí)時(shí)顯示/靜止”按鈕，即可得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)一基本參數(shù)

③觀察不同信號(hào)與噪聲的波形。保持其他基本參數(shù)不變，在信號(hào)類型中，自由選擇“正弦波、方波、三角波、鋸齒波”選項(xiàng)，在噪聲類型中，自由選擇“均勻白噪聲、高斯白噪聲、伽馬噪聲、泊松噪聲”選項(xiàng)。

④點(diǎn)擊程序運(yùn)行指令，即可觀察信號(hào)波形、噪聲波形、信號(hào)+噪聲波形，以及通過(guò)數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。現(xiàn)以“方波+均勻白噪聲”為例，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5。

圖5 “方波+均勻白噪聲”的信號(hào)、噪聲以及疊加波形圖

3.2 累加次數(shù)對(duì)降噪效果的影響。

在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，如表2分別選取合適的參數(shù)，再改變累加次數(shù)，如圖6所示，累加次數(shù)1次、4次、64次、1 024次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出：在累加次數(shù)比較小時(shí)，比如1～64次之間，降噪效果好，而在累加次數(shù)比較大時(shí)，降噪效果不明顯。當(dāng)累加次數(shù)達(dá)到1 024次時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的波形已經(jīng)較為光滑，達(dá)到降噪的基本要求。

表2 實(shí)驗(yàn)二基本參數(shù)示例

圖6 改變累加次數(shù)“鋸齒波”+“高斯白噪聲”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 初始信噪比對(duì)降噪效果影響

在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，如表3所示分別選取合適的參數(shù)，設(shè)置初始信噪比分別為0.001、0.01、0.1、1，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以信號(hào)類型“正弦波”，噪聲類型“均勻白噪聲”為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。當(dāng)初始信噪比在0-1之間，隨著初始信噪比的增大，降噪效果越來(lái)越明顯，但是在初始信噪比大于10后，此時(shí)信號(hào)大于噪聲，不符合微弱信號(hào)的要求，不宜采用數(shù)字信號(hào)平均技術(shù)進(jìn)行降噪。

表3 實(shí)驗(yàn)三基本參數(shù)示例

圖7 “正弦波”+“均勻白噪聲”在不同信噪比下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文章利用LabVIEW程序與TCP網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)數(shù)字信號(hào)平均實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面做出探索，可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，并且得到清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)累加次數(shù)及初始信噪比的調(diào)節(jié)，有助于學(xué)生對(duì)信號(hào)與噪聲的關(guān)系及對(duì)累加平均降噪這一方法的理解。整體上虛擬實(shí)驗(yàn)效果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，可以輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)等；同時(shí)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)可以突破時(shí)空的限制，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)更為高效。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性、真實(shí)性、拓展性等仍需進(jìn)一步研究和突破。