基于LabVIEW的虛擬信號分析儀的設(shè)計與研究

賈 鋒

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽合肥 230037）

0 引言

隨著無線通信和自動識別技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來得到廣泛應(yīng)用。實際中在部署應(yīng)用系統(tǒng)時會存在許多問題，需要對系統(tǒng)間各個終端設(shè)備進行協(xié)調(diào)和測試，因此對信號分析測量的要求越來越高。對信號進行時域測量和頻譜分析是信號測量中非常重要的分析手段，通常主要依靠傳統(tǒng)的信號分析儀來完成，但這種信號分析儀價格昂貴且移動性差。采用先進的虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的虛擬信號分析儀徹底改變了傳統(tǒng)信號分析儀的不足，用軟件來代替硬件，用戶可以根據(jù)具體情況通過修改軟件來增加儀器的功能，使儀器功能更加強大，設(shè)計更加靈活，有更好的擴充性，節(jié)省了開發(fā)時間[1]。

本文以LabVIEW8.6為開發(fā)平臺，設(shè)計實現(xiàn)了一個虛擬信號分析儀，該系統(tǒng)可以根據(jù)需要產(chǎn)生多種不同的信號，完成了信號分析儀的時域波形測量功能、頻譜分析及功率譜測量功能，操作簡單，使用方便。

1 虛擬儀器

虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。與傳統(tǒng)意義上功能固定的儀器不同，用戶可以根據(jù)自身需求，靈活地對虛擬儀器進行設(shè)計、維護和測試系統(tǒng)的升級。而且，運用LabVIEW可以設(shè)計出形象逼真的用戶 界面，充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器” 的虛擬儀器概念[3]。

2 信號分析的方法

信號處理技術(shù)包括時域分析和頻域分析兩部分。時域分析是指研究信號的波形隨時間變化的規(guī)律；頻域分析是指在頻域上對信號進行處理、分析和顯示。早期的頻譜分析儀是將被測信號經(jīng)過低通濾波器后，有多路分配器分送至并聯(lián)的一組調(diào)諧到不同中心頻率上的帶通濾波器，濾波器的輸出與檢波器相連，顯示器輪換顯示各濾波器的輸出。隨著電子電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以傅里葉變換為基礎(chǔ)的現(xiàn)代頻譜分析儀，這類分析儀以電子電路來實現(xiàn)傅里葉變換，信號在時域進行數(shù)字化之后，利用DFT/FFT算法求出其頻譜，從而實現(xiàn)頻譜分析。但是，這類信號分析儀仍然是以硬件電路來實現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀，他們有著自身無法克服的缺點：復(fù)雜性、封閉性和昂貴性等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到信號分析儀中，克服了傳統(tǒng)硬件化頻譜分析儀自身無法克服的缺點[4]。本文設(shè)計的虛擬信號分析儀是利用計算機軟件來完成信號的傅里葉變換，進而分析信號的頻譜特征。

3 虛擬信號分析儀的設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的信號分析儀主要由信號配置模塊、時域測量模塊、頻譜測量模塊和功率譜測量模塊組成。測量模塊所需信號由信號配置模塊采用LabVIEW中提供的信號控件來模擬產(chǎn)生，然后進行時域和頻域的分析，得到波形的時域測量圖和頻域的幅頻圖和相頻圖。設(shè)計框圖如圖1所示。

根據(jù)上述流程圖設(shè)計的虛擬信號分析儀，完成了上述信號的不同測試功能。圖2是完成設(shè)計的虛擬信號分析儀的主界面。

圖1 虛擬信號分析儀流程圖

圖2 虛擬信號分析儀界面

3.2 模塊設(shè)計及功能實現(xiàn)

3.2.1 信號配置模塊設(shè)計

信號配置模塊用于產(chǎn)生系統(tǒng)測試所需的各種信號波形，本系統(tǒng)中設(shè)計的該模塊提供兩種方式生成信號：一種是直接產(chǎn)生簡單的基本波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形；另一種方式是采用輸入公式的方式生成所需波形。兩種方式生成信號波形的幅度、頻率、相位可以根據(jù)需要很方便地進行調(diào)節(jié)。根據(jù)需要還可以在信號上疊加各種噪聲，如高斯白噪聲、均勻白噪聲、二項分布噪聲、泊松噪聲、Gamma噪聲等，噪聲的幅值等參數(shù)也可以進行設(shè)定。信號配置模塊的前面板如圖3所示，圖中生成信號為疊加了高斯白噪聲的方波信號。

圖3 信號配置模塊界面

3.2.2 信號測量模塊設(shè)計

信號測量模塊包括時域測量模塊、頻譜測量模塊和功率譜測量模塊。

時域測量模塊主要完成信號時域信息的測量，包括信號的均值、峰峰值、均方根、周期平均、周期均方根等的測量。

功率譜分析模塊主要是對信號的功率譜信息的測量，完成對信號的功率譜分析。

頻域測量模塊主要頻是對信號配置模塊產(chǎn)生的波形經(jīng)FFT變換后進行頻譜分析，得到信號的幅頻圖和相頻圖。利用計算機來對信號做FFT時，只能對有限點進行計算。所以在實際應(yīng)用中，往往要對信號作截短處理，這將引起窗口效應(yīng)。一方面會形成頻譜泄露，另一方面主譜線兩邊會形成很多旁瓣，引起不同頻率分量間的干擾。為了盡量減少泄露，就需要具有旁瓣小、主瓣窄的窗函數(shù)[5-6]。

在設(shè)計中，為系統(tǒng)的頻譜測量模塊和功率譜測量模塊提供對信號添加窗函數(shù)的處理功能，根據(jù)實際需要可以選擇如Hanning窗、矩形窗、Hamming窗、三角窗等19種窗函數(shù)，以減少窗口效應(yīng)帶來的柵欄效應(yīng)和泄漏問題[7]。頻譜測量模塊和功率譜測量模塊還支持將多次計算的結(jié)果進行平均處理。用戶可以自己設(shè)定平均模式、加權(quán)模式以及平均次數(shù)等參數(shù)。在進行測量結(jié)果顯示時，可以選擇線性或者dB模式顯示測量結(jié)果。頻譜測量模塊還可以對相位進行展開和轉(zhuǎn)換為度的處理。圖5所示為加入高斯白噪聲的方波經(jīng)Hanning窗函數(shù)，通過FFT變換后由頻譜測量模塊處理得到的幅頻圖和相頻圖。圖6是以dB模式顯示的該信號的功率譜測量情況界面。

圖4 頻譜測量界面

圖5 功率譜模塊測量界面

4 結(jié)束語

本文采用LabVIEW設(shè)計的虛擬信號分析儀，利用計算機平臺強大的運算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示等方面的限制，具有很強的擴展性和簡單友好的操作交互界面，測試結(jié)果與理論計算結(jié)果相符合。基于圖形化編程語言的LabVIEW軟件以其簡單、直觀、高效率的特點，為用戶提供了一個實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。事實證明，應(yīng)用此技術(shù)使我們能夠在計算機上按自己需求設(shè)計儀器，方便靈活且開發(fā)周期短，對于自動測試系統(tǒng)的開發(fā)具有普遍借鑒意義。

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[2]雷振山.LabVIEW 7 Express 實用技術(shù)教程[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

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