虛擬頻譜分析儀研究

魏 塬，徐武彬

WEI Yuan XU Wu-bin

（廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，柳州 545006）

0 引言

信號分析與處理是測試技術(shù)工作的重要組成部分。幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域都涉及到信號處理，頻譜分析研究信號的頻率結(jié)構(gòu)，是信號處理過程中非常重要的分析手段。一般的頻譜分析都需要頻譜分析儀完成。目前普遍使用的國內(nèi)產(chǎn)品存在的主要問題是價(jià)格昂貴，加工工藝復(fù)雜，體積龐大，且生產(chǎn)技術(shù)要求較高。近年來，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，新的測試?yán)碚摗y試方法、測試領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生[1]。虛擬儀器就是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)并配以相應(yīng)測試功能的硬件作為信號輸入輸出接口，進(jìn)行信號的采集、分析、處理及表達(dá)，從而完成各種測量功能的一種計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。

LabVIEW是美國NI推出的功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺，采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，由于其靈活而直觀的編程效果，操作方便的開發(fā)模式，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高工作效率。較之傳統(tǒng)儀器更加易于維護(hù)，并且成本大大降低。本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于LabVIEW的頻譜分析儀，它改變了傳統(tǒng)頻譜分析儀的整體設(shè)計(jì)思路，用軟件代替了硬件，測試結(jié)果可靠，現(xiàn)場使用方便。

1 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，信號處理技術(shù)通常包括時(shí)域分析和頻域分析[2]。其中時(shí)域分析主要是相關(guān)性分析，頻域分析包括傅立葉變換、功率譜分析和小波分析等。本文介紹的頻譜分析儀通過將連續(xù)信號采樣變?yōu)殡x散時(shí)間信號，再利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFT運(yùn)算處理，進(jìn)而得到信號的幅度譜、相位譜和自功率譜等，并按要求對測試結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲，其流程如圖1所示。

圖1 頻譜分析儀流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

使用LabVIEW開發(fā)的測試系統(tǒng)通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)顯示、存儲、打印等。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果表達(dá)三大功能，前面板設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 頻譜分析模塊前面板

2.1 數(shù)字濾波

在對信號進(jìn)行分析和處理時(shí)，往往存在有用信號疊加或干擾，濾波器的原理是根據(jù)有用信號與噪聲信號的不同特性，消除或減弱干擾信號，提取有用信號。濾波器是一種選頻部件，可以使信號中特定的頻率成分通過，起著對某段頻率成分進(jìn)行篩選的作用。數(shù)字濾波器是是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性，借助數(shù)字器件對輸入信號進(jìn)行處理，改變輸入信號的波形或頻譜，同時(shí)保留信號中有用成分、去除信號中無用成分。與模擬濾波器相比較，兩者作用相同，實(shí)現(xiàn)方法不同，數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成、節(jié)約硬件成本等優(yōu)點(diǎn)。而巴特沃斯、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器是測試工程中應(yīng)用最廣泛也是最經(jīng)典的三種濾波器[3]。本文采用具有單獨(dú)帶通和阻帶的巴特沃斯濾波器。

2.2 加窗處理

窗函數(shù)的作用包括截?cái)嘈盘枴p少譜泄露和分離頻率相近的大幅值與小幅值信號。在實(shí)際測量中，采樣長度是有限的，而信號可以無限長，且周期與周期之間信號是不連續(xù)的，這將造成譜泄漏現(xiàn)象。譜泄漏的能量大小取決于周期延拓時(shí)突變的幅度，幅值越大，譜泄漏越多。加窗是指將被計(jì)算的振動信號序列跟長度相同的窗函數(shù)序列逐點(diǎn)相乘，然后再對相乘后的序列進(jìn)行FFT變化，進(jìn)而解決有限時(shí)間長度數(shù)據(jù)分析帶來的泄漏問題。

加窗函數(shù)類型包括Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、三角窗、高斯窗、指數(shù)窗、FlapTop窗、Force窗、Welch窗等。它們的適用條件各不相同，可根據(jù)使用需要及輸入波形的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)拇啊Ｔ诖诉x擇用來分析持續(xù)時(shí)間比較長的信號，且邊緣不趨近于零的Hamming窗，其調(diào)用路徑為Function→Signal Processing→Windows→Hamming Windows. vi。

2.3 FFT與DFT

頻譜分析模塊主要是對信號發(fā)生器產(chǎn)生的測試信號進(jìn)行分析與處理。信號的頻譜分析包含信號本身的頻率特性分析，采集的信號經(jīng)濾波、加窗處理后，對幅度譜、相位譜、功率譜等進(jìn)行測量，同時(shí)可以進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，包括采樣設(shè)置、濾波器類型選擇、窗函數(shù)類型選擇等，從而獲得信號在不同頻率上的幅度、相位、頻率等信息。

為了使計(jì)算機(jī)完成信號處理工作，需將連續(xù)信號進(jìn)行采樣得到離散數(shù)據(jù)，通過矩形窗將無限離散數(shù)據(jù)變?yōu)橛邢薜碾x散數(shù)據(jù)[4]。離散傅立葉變換（DFT）的定義為：

可以實(shí)現(xiàn)快速傅立葉變換（FFT），它僅是離散傅立葉變換的快速算法，可以直接用來處理離散信號的數(shù)據(jù)，也可以用于連續(xù)信號的逼近。FFT使傅立葉變換的數(shù)字實(shí)現(xiàn)速度大大提高。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

前面板程序是用于提供用戶與任意波形發(fā)生器的接口，在用于顯示和處理結(jié)果的同時(shí)，用戶也可以通過控制面板上的開關(guān)和按鈕，模擬傳統(tǒng)儀器操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對任意波形發(fā)生器的控制。該虛擬信號分析儀主要包括信號發(fā)生器、頻譜分析和數(shù)據(jù)存儲三個(gè)主要模塊。

3.1 信號發(fā)生器

本文實(shí)驗(yàn)中采用NI cDAQ9172機(jī)箱、NI 9203模擬電流輸入模塊、NI 9211熱電偶輸入模塊和PC機(jī)，通過LabVIEW的DAQ助手進(jìn)行信號采集，采樣率和采樣數(shù)可以根據(jù)需要來設(shè)置。由圖3可知，含有干擾信號的正弦波信號經(jīng)過濾波和加窗處理后與沒有噪聲的正弦波信號幾乎相同，消除了很多低頻及高頻的干擾信號。該分析儀通過點(diǎn)擊動態(tài)波形鍵能暫停波形的瞬時(shí)變化，并利用函數(shù)選板上的工具進(jìn)行特定部分波形的分析[5]。

圖3 處理前后信號的比較

3.2 頻譜分析

對信號的分析可以分為時(shí)域分析和頻域分析，僅僅對信號進(jìn)行時(shí)域分析處理不能夠反映信號的全部特征和揭示其全部信息，這時(shí)需要對信號進(jìn)行頻域分析[6]。通常將時(shí)間域的信號經(jīng)傅立葉變換轉(zhuǎn)化到頻域進(jìn)行分析，就能得到在時(shí)域信號中得不到的信息。

信號的頻域分析方法是指根據(jù)信號的頻域描述來估計(jì)和分析信號的組成和特征量。信號的頻譜分析包括對信號本身的頻率特性分析，如對幅度—相位譜、自功率譜等。經(jīng)過濾波、加窗處理后的信號，用FFT Spectrum. vi 進(jìn)行快速傅立葉變換，并計(jì)算其幅值譜和相位譜[7,8]。

自相關(guān)函數(shù)滿足傅立葉變換條件，如隨機(jī)信號x(t)的自相關(guān)函數(shù)為Rx(τ)，Rx(τ)的傅立葉變換為。則定義Px(f)為x(t)的自功率譜密度。由于Px(f)和Rx(τ)之間是傅立葉變換對的關(guān)系，兩者是唯一對應(yīng)的，由信號的自功率譜密度分析可以得到信號的頻率成分。本文使用FFT Power Spectrum.vi 計(jì)算信號的功率譜，如圖4所示。

圖4 頻譜圖

3.3 數(shù)據(jù)存儲

對于一個(gè)完整的測試系統(tǒng)，需要將采集到的數(shù)據(jù)以一定格式寫入存儲在文件中進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)讀取存儲的功能是利用文件操作函數(shù)庫，采用數(shù)據(jù)表文件的形式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。采集到的信號既能存儲為數(shù)據(jù)型的歷史文件，或存于ACCESS等數(shù)據(jù)庫，供以后分析研究；也可以通過外接打印機(jī)直接輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的顯示與保存可以直接利用‘寫入測量文件.vi’進(jìn)行。此頻譜分析儀可以通過用Web服務(wù)器，用戶可以不需要任何編·程就能在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)頁或LabVIEW連接到該頻譜分析儀的程序面板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。虛擬信號頻譜分析儀的程序圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

4 結(jié)論

基于LabVIEW圖形化編程的虛擬頻譜分析儀，主要實(shí)現(xiàn)了對信號本身的頻率特性分析，包括幅值—相位譜、FFT、自功率譜分析等，在本設(shè)計(jì)中沒有提到的頻譜分析，只需從函數(shù)選板中加入相應(yīng)的子VI即可。這也是虛擬頻譜分析儀相對于傳統(tǒng)儀器的一個(gè)巨大的優(yōu)勢。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，同一臺虛擬頻譜分析儀可以應(yīng)用到更多場合，比如電量測量，以及在振動和圖像等非電量測量中應(yīng)用，甚至應(yīng)用到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)測控中。通過頻譜分析，能夠找到系統(tǒng)的振動噪聲源，進(jìn)行故障診斷。因此，頻域分析具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程充分運(yùn)用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，不僅實(shí)現(xiàn)了一般的頻譜分析儀具有的功能，還增強(qiáng)了分析處理的能力。它的圖形界面友好，人機(jī)交互性強(qiáng)，具有可擴(kuò)展性，操作簡單，效率高，大大降低了成本，測試結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

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