一種基于LabVIEW的虛擬信號檢測儀的設(shè)計

劉蘇英 許玉枚

摘 要：本文用LabVIEW軟件設(shè)計了一款虛擬信號檢測儀，可以從強噪聲背景下檢測出微弱信號，對于頻率較低的信號，系統(tǒng)直接產(chǎn)生隨機共振，對于頻率較高的信號，使用移頻隨機共振系統(tǒng)，檢測效果良好。相對傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器在測量上、應(yīng)用上和二次開發(fā)上都體現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。因此，本虛擬信號檢測儀在信號檢測中具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：LabVIEW軟件；虛擬信號檢測儀；隨機共振；移頻隨機共振

1 引言

強噪聲背景下的微弱信號檢測，一直是人們關(guān)注的課題，起初人們采用線性放大和線性濾波，但當(dāng)噪聲很強時，微弱信號幾乎被“淹沒”，采用一般的線性系統(tǒng)技術(shù)已無能為力。后來人們采用非線性處理技術(shù)，在線性濾波中加入非線性放大環(huán)節(jié)。由于它沒有從根本上擺脫濾波抑噪的限制，因此在背景噪聲較強的場合仍不能發(fā)揮有效作用。再后來，人們利用隨機共振，把部分噪聲轉(zhuǎn)換為有用信號，實現(xiàn)強噪聲背景下微弱信號的檢測。對這種方法，很多學(xué)者已做了大量的研究，也做了大量仿真和實驗，但大都還局限在對已知信號中加入已知噪聲的研究，通過這樣的研究來確定系統(tǒng)參數(shù)，但這樣的系統(tǒng)對完成含有未知噪聲的實際信號處理還有些力不從心。本文利用LabVIEW強大的信號處理能力和便捷的操作，設(shè)計了一款基于隨機共振原理的信號檢測儀。既能對含有預(yù)知噪聲的預(yù)知信號進行檢測，又能對含有未知噪聲的實際信號進行檢測，既能對低頻信號進行檢測，又能對高頻信號進行檢測。在進行信號檢測中，能夠隨著檢測信號的不同，便捷地從前面板上調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，以使系統(tǒng)發(fā)生隨機共振，達到最好的檢測效果。

2 系統(tǒng)原理

隨機共振機理表明，對于幅度、頻率和噪聲強度均小于1的小參數(shù)信號，根據(jù)絕熱近似或線性響應(yīng)理論，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的輸出在時域和頻域中有著明顯的隨機共振表現(xiàn)形式。合適的噪聲強度可以使得弱周期信號驅(qū)動下的非線性系統(tǒng)的輸出信噪比達到某一最佳值。在一定噪聲強度范圍內(nèi)，輸出信噪比隨噪聲強度的增強而增大。其本質(zhì)是部分噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號能量的結(jié)果，是輸入信號與噪聲的協(xié)作效應(yīng)。

在高頻段，沒有足夠的噪聲能量使布朗粒子越過勢壘以在雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的兩勢阱之間以信號頻率躍遷，很難觀察到隨機共振現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，本文采用頻移隨機共振，即利用傅立葉變換的頻移特性，先將信號的頻率搬移到一個較小的值，再利用隨機共振系統(tǒng)中噪聲和信號的協(xié)同作用，實現(xiàn)強噪聲背景下大頻率周期信號的檢測。

隨機共振系統(tǒng)特點是隨著輸入噪聲信號幅值的增加，輸出信號的信噪比也會增加。能夠描述隨機共振現(xiàn)象的最簡單模型是郎之萬（Langevin）方程。本文采用LabVIEW中一些數(shù)學(xué)函數(shù)和信號檢測與處理子VI實現(xiàn)郎之萬方程，其中，