基于LabVIEW和Maltab 的虚拟实验平台构建

　　摘要：线性调频信号作为一种常用的雷达信号，可以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离，其应用十分的广泛.为了进一步增强学生的学习兴趣.改善学生的学习环境，在此利用LabVIEW 和Matlab的混合编程技术设计了用于分析线性调频信号的虚拟实验平台，主要包括线性调频信号分析平台和脉冲压缩仿真平台.操作方便，有利于学生更直观地了解信号的时.频域特征.更深刻地理解脉冲压缩的过程和意义.提出了该实验平台在教学中的应用方法.

　　0 引言

　　随着集成电路.嵌入式技术的迅速发展，市场上的电子仪器不断的更新，使得传统仪器的缺陷日益凸显，这对学校实验室的建设提出了更高的要求.但市场上的新仪器价格较高，受到经费的限制，学校更新电子测量设备的能力有限，不利于提高教学质量和学习效率.

　　随着计算机技术的发展，电子测量设备正朝着虚拟化发展.构建虚拟仿真教学平台，则可以提高实验效率.降低实验成本，还可增强学生学习的积极性，并利用多媒体校园网等计算机技术，实现教学手段的现代化.

　　目前的流行的Matlab软件具有强大的运算分析能力，LabVIEW 软件具有优越的界面设计能力，这些软件的发展为虚拟实验平台的构建奠定了基础.

　　本文以信号处理实验为例，构建了用于分析线性调频信号的虚拟实验平台.本文在分析线性调频信号.脉冲压缩等基本原理的基础上，利用LabVIEW 和Matlab的混合编程技术构建了虚拟实验平台.该平台主要包括线性调频信号分析平台和脉冲压缩平台2部分.

　　1 线性调频信号分析平台

　　线性调频信号作为一种常用的雷达信号，可以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离，其应用十分广泛.需要学生在学习时掌握其时频域特性，信号分析平台会使得学生更直观地观察线性调频信号的特征.

　　线性调频脉冲压缩作为宽脉冲发射信号，其频谱在脉冲宽度内按线性规律变化，即通过对载频进行调制来展宽发射信号的频谱，线性调频脉冲信号的复数表达式可写成：

　　式中：K 是调频斜率，K= B /T,B 和T 分别是信号带宽和时宽；fc 是信号载频；rect（）表示矩形脉冲信号.根据LFM 信号的数学表达式编写Matlab 程序，用LabVIEW实现LFM 的仿真平台的操作界面，混合编程设计了仿真平台.当T=100 s,B=30 MHz 时仿真结果如图1 所示.

　　调节信号时宽和带宽可以获取不同的线性调频信号波形.当脉宽T=10 μ s,带宽B=30 MHz时，仿真结果如图2所示.图2（a），（b）分别是波形的参数控制界面和波形的时域波形图.图2（c），（d）分别是匹配滤波后的波形和及其幅频特性，可以较好地分析线性调频信号的频域特征.

　　2 脉冲压缩仿真平台

　　在普通脉冲雷达中，雷达的时宽-带宽积为一常量，因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标.

　　采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率保证足够大的作用距离，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离和分辨力之间的矛盾.线性调频脉冲信号的脉冲压缩可提供良好的距离分辨力和径向速度分辨力.

　　根据雷达脉冲压缩原理编写了Matlab程序，并利用混合编程设计了线性调频（ LFM）脉冲压缩雷达仿真平台，平台涉及的雷达及目标相关参数如表1所示，可以自由的改变参数的大小.

　　图3 为本文实现的仿真平台的操作界面.脉冲压缩平台的主体框架由参数输入控制.结果显示控制2个部分构成.

　　其中参数输入控制和结果显示控制均为人机交互部分.参数输入控制部分包括线性调频信号的持续脉宽.线性调频信号的调频带宽.每个目标相对雷达的距离等，如图3（a）所示.

　　结果显示控制部分包括线性调频信号（如图3（b）所示）.脉冲压缩后的雷达回波信号（如图3（c）所示）.脉冲压缩前的雷达回波信号（如图3（d）所示）.雷达系统参数如表1所示.

　　图3表明，仿真平台参数控制和结果显示控制方面要比直接运行Matlab程序时要更加便捷，脉冲压缩后可以很方便地将目标回波区分出来，可以更直观地了解脉冲压缩的原理.

　　3 虚拟实验平台的应用

　　本文开发的虚拟实验平台，可以通过计算机网络的共享.多媒体课件的设计应用到教学中，进一步提高教学质量和学习效率.

　　（1）计算机网络的共享

　　教学实践中，可以通过建立教学网站.或者FTP实现虚拟仪器软件的共享.学生可以随时软件，随时随地进行运行.测试，以进一步巩固所学的理论知识，不受实验室工作时间的影响，可以进一步提高学习效率.

　　（2）多媒体课件的设计

　　将开发出的常用仪器软件嵌入PowerPoint课件中，在课堂上讲解理论知识时，利用虚拟仪器可以进行课堂演示，实现理论和实践的结合.

　　4 结语

　　为进一步提高学生的积极性，本文利用LabVIEW和Matlab软件构建了虚拟实验平台，有利于提高实验效率和实验效果.改善理论教学效果.提高学生的学习积极性，解决了学生在学习抽象理论知识时无从下手的困惑.此外，虚拟实验平台功能的进一步扩展也是课题的下一步的研究方向.