GHz高頻信號的LabVIEW和MATLAB混合處理新方法

周昀政，朱名日

（桂林電子科技大學 廣西 桂林 541004）

隨著技術(shù)力量的不斷提升，被處理的信號的頻率越來越高。例如，手機的信號便是上GHz的超高頻信號。在采集這類超高頻信號的過程中，系統(tǒng)很容易受到各種電磁波的干擾，從而使有用信號夾帶各式各樣的諧波成分，這就給后續(xù)的信號處理帶來了很大的麻煩，諸如數(shù)據(jù)量過大，計算復(fù)雜等。因此設(shè)計一套效率高，可用性強的系統(tǒng)來對高頻信號進行采集及處理顯得尤其重要。

1 設(shè)計思路

在這篇文章中，作者討論一種可行的方法，即是使用LabVIEW來進行數(shù)據(jù)采集，使用MATLAB作為數(shù)據(jù)處理的平臺。那么如何高效的將兩者結(jié)合將成為設(shè)計的關(guān)鍵。本文將對不同的結(jié)合方法進行實驗，具體執(zhí)行步驟如下：首先使用LabVIEW將高頻信號采集回來并暫時保存；鑒于MATLAB強大的計算能力，作者使用它來產(chǎn)生一個用于比較的高采樣率的波形，并將這個波形通過3種不同的技術(shù)引入LabVIEW；最后通過均方差與相關(guān)性，可行性與速度的對比，分析哪一種方法才是最好的。

2 文獻調(diào)查

在文獻[1]中，作者介紹了在 LabVIEW平臺如何運用DAQ工具進行基本采集的相關(guān)操作。文獻[2]中的作者介紹了在MATLAB上對信號進行各種處理的基本方法。在文獻[3]中，作者展示了在NI平臺上如何運用Math Script RT模塊來開發(fā)MATLAB代碼。文獻 [4-5]介紹了在LabVIEW中使用MATLAB script模塊進行接口設(shè)計。

3 軟件介紹說明

LabVIEW是一種基于數(shù)據(jù)流的編程語言，而MATLAB是第四代編程語言，用來執(zhí)行數(shù)字計算的任務(wù)。

LabVIEW的數(shù)據(jù)流編程是一種基于圖標的，因而常被人們稱為G語言。用這些圖標連成的程序叫做VIs（虛擬儀器）。程序的接口是基于前面板的，它能夠接收輸入和提供輸出，在前面板中各部分模塊以圖標連線的方式組成一個結(jié)構(gòu)框架。前面板中的另外一個重要的特性是連線板，它的作用是在一個VI中以圖標的方式使用另一個VI。

人們最初使用LabVIEW只是用來測量，自動化控制，但是隨著LabVIEW集成了越來越多的特性，它逐漸轉(zhuǎn)變成了一種完善的開發(fā)環(huán)境。G語言最大的優(yōu)勢就在于他并行執(zhí)行的能力。

MATLAB常被人們稱為第四代語言。它具有嚴謹?shù)臄?shù)字化矩陣操作，如果用一些簡單的語言，如：C，C++，來執(zhí)行這些操作的話，那不論對編程者還是計算機來說都將是非常困難的。MATLAB起初是用來計算復(fù)雜的矩陣的。它也集成了不同的特性來滿足各種各樣的要求。例如，添加的Simulink就是MATLAB朝圖形模塊化發(fā)展的重要的一步。

使用LabVIEW還是MATLAB來完成特定的功能，取決于編程者的個人愛好。但是由于某些原因，作者需要將一種編程環(huán)境的特性使用在另一種環(huán)境中，比如：將一個使用MATLAB寫的代碼使用在并行執(zhí)行的環(huán)境中。本文主要研究了LabVIEW與MATLAB相結(jié)合的3種解決方法，并通過一個用來標度的信號發(fā)生器來分析使用3種不同方法的優(yōu)劣。

4 系 統(tǒng)

所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

4.1 產(chǎn)生信號

當要對一個高頻信號（比如高達2 GHz的信號）進行采集和處理的時候，通常會設(shè)計一個高速或者超高速硬件采集電路，包括放大部分、濾波部分；A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分等，這對電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時，目前市場上的高頻信號發(fā)生器價格普遍昂貴。因此作者使用LabVIEW的DAQmx工具包，產(chǎn)生虛擬高頻信號。

DAQmx產(chǎn)生的虛擬高頻信號可調(diào)參數(shù)多，且能夠產(chǎn)生諸如正弦波，方波，鋸齒波等波形。作者使用不同參數(shù)的信號，以使得結(jié)果更具有說服力。例如：頻率范圍：500 M~10 GHz，分辨率為 10 Hz。

4.2 LabVIEW進行采集及顯示

先在DAQmx定時VI中設(shè)定好采樣模式及采樣率，這里作者設(shè)定的是連續(xù)采樣模式和1 000的采樣率；接著在DAQmx讀取VI中，作者設(shè)定為模擬多通道多采樣2D DBL，超時設(shè)為2；最后將DAQmx開始任務(wù)VI、DAQmx停止任務(wù)VI、DAQmx清除任務(wù)VI與前面兩個VI連接，這樣就完成了基本的采集設(shè)計。將產(chǎn)生的模擬信號直接連接到波形圖表VI可以很直觀的看到波形。

前面板設(shè)計如圖2所示。

其主要部分是顯示采集波形的圖表，和內(nèi)部產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的圖表。表盤和其左方的波形圖是均方差的相關(guān)表述，數(shù)字控件描述的是均方差和相關(guān)系數(shù)的值。

圖2 前面板Fig.2 Front panel

相比起其他的信號比較法，如：基線信號比較法、信噪比和有效數(shù)據(jù)位比較法等，采用均方差來比較波形顯得更加的簡便，可靠。而相關(guān)性揭示了2個波形的相似度，即是2個數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系。

采集的數(shù)據(jù)在LabVIEW中被保存為一個txt文檔，這只需要將數(shù)據(jù)連線到寫入文本文件VI即可。保存的數(shù)據(jù)可以被用來進行處理、分析或者是其它用途，同時這也提供了備份以防止不可遇見的事故發(fā)生。

4.3 MATLAB進行處理

MATLAB被用來執(zhí)行數(shù)據(jù)計算來比較2個波形。

4.3.1 均方差

均方差的代碼實現(xiàn)了將2個波形數(shù)據(jù)按照矩陣的形式代入方程中，然后將所得結(jié)果返回給LabVIEW并顯示出來。均方差的公式由下式給出

4.3.2 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)可以用以下命令實現(xiàn)

這條命令將2個矩陣（一個是采集得到的，一個是內(nèi)部生成的）建立相關(guān)性，并輸出計算得到的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)的公式如下

4.3.3 參考信號

參考信號用來與采集得到的信號數(shù)據(jù)進行均方差與相關(guān)性的對比。它由MATLAB產(chǎn)生，因為MATLAB擁有豐富的數(shù)學函數(shù)庫及強大的各種工具箱（ToolBox），這就使得作者可以很方便靈活的產(chǎn)生各種參數(shù)的不同信號，而且使用MATLAB能得到較高的采樣率，并且對信號的處理也比較簡單，同時也避免了將參考信號引入MATLAB script模塊的麻煩。

5 3種方法

5.1 第一種

為了實現(xiàn)第一種方法，作者運用LabVIEW的DAQ工具包，設(shè)定好產(chǎn)生虛擬信號的參數(shù)，再將信號采集回來，并將數(shù)據(jù)保存為一個txt文件。將這個txt文件引入MATLAB，并與MATLAB內(nèi)部產(chǎn)生的信號進行對比，通過計算得到均方差和相關(guān)系數(shù)。

5.2 第二種方法

第二種方法只使用LabVIEW一個軟件，首先采集信號數(shù)據(jù)并保存，接著使用LabVIEW的MATLAB script模塊產(chǎn)生內(nèi)部信號，最后將倆信號對比并計算均方差和相關(guān)系數(shù)，如圖3所示。

圖3 MATLAB scriptFig.3 MATLAB script

5.3 第三種方法

第三種方法借助LabVIEW內(nèi)部的Math Script RT來完成，具體步驟和第二種方法類似，如圖4所示。

圖4 Math script RTFig.4 Math script RT

6 結(jié)果分析

實驗環(huán)境為 CPU：Intel Pentium D 2.8 GHz， 內(nèi)存：1G，顯卡：GT220，系統(tǒng)：Windows XP。

產(chǎn)生高頻信號為1 GHz，深度為1 024 M，重復(fù)實驗10次。

對于一些小誤差，如校準誤差，幾乎可以忽略不計，因為都是在同一個環(huán)境下試驗完成的。因此作者集中分析方法的可行性，然后對比3種方法，最后得出結(jié)論哪一種是最好的。

6.1 引入txt文件

這種方法非常耗時。首先，使用LabVIEW采集得到數(shù)據(jù)并將之保存為一個txt文件，然后再將這個文件引入MATLAB。即是用戶需要在打開一個軟件后再打開另外一個軟件來完成操作，這是很繁瑣的。

從開發(fā)者的角度來說，這種方法也許很簡單或者說是不那么復(fù)雜。但是，這種方法可行性最低。因為除了耗時，它還需要對這兩種軟件有一定的認識，因此花在查找文獻上的時間也相應(yīng)的增多了。

另外，這種方法增加了電腦的負擔，畢竟是開了兩個程序。如果你使用的是一臺老電腦的話，那么這可能會降低你的工作效率。

綜上，作者不建議使用這種方法。

6.2 使用MATLAB script

這種方法經(jīng)過驗證比上一種要好。因為用戶不必打開兩個應(yīng)用程序來執(zhí)行程序，所以相對的比較可行。

但是，這種方法也需要安裝MATLAB軟件，才能在LabVIEW中調(diào)用MATLAB script模塊。這樣就導(dǎo)致了程序執(zhí)行的緩慢，因為用戶必須等待一段時間讓計算機進行切換計算。

除了操作性的難題，這種方法最主要的問題還是不能夠?qū)崟r計算。采集的數(shù)據(jù)必須先保存為矩陣的形式，然后再調(diào)用MATLAB script模塊進行處理。這樣就不僅浪費了時間，而且還需要另外的算法來臨時保存數(shù)據(jù)。

6.3 使用Math Script RT

這種方法使用了內(nèi)嵌的Math Script模塊，它集合了LabVIEW和MATLAB的優(yōu)點，而且還不需要安裝另外的軟件。Math Script模塊沒有必要調(diào)用MATLAB軟件，因為它本身就能夠識別800多條命令，也就是說使用Math Script模塊的話就不需要再安裝MATLAB軟件了。

相比上一種方法，最主要的優(yōu)勢除了運行快還有就是能夠進行實時處理。因為其不需要對數(shù)據(jù)進行臨時的數(shù)據(jù)存儲，也沒有丟失實時的信息，這就使得它的運行速度是最快的。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種方法對比結(jié)果Fig.5 Result of three methods

7 結(jié) 論

為了最優(yōu)化系統(tǒng)的性能，本文提倡對不同目的使用不同的軟件。使用LabVIEW進行數(shù)據(jù)采集，運用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理，這是很多項目的需要，也是很多程序員的需要。文中使用3種方法將LabVIEW與MATLAB的特性相結(jié)合：引入txt文件到MATLAB，使用MATLAB script模塊，使用Math Script RT。通過分析得到的結(jié)果，證實了使用Math Script RT無論在速度和可行性方面都是最好的。

[1]龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學出版社，2008.

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