基于LabVIEW的信號分析設計

于永芳　王毓順　許中運　劉曉峰

【摘 要】信號分析作為數字信號處理的主要組成內容，在各種領域得到了廣泛的應用。本文在對信號的時域分析和頻域分析方法進行研究的基礎上，設計了數據信號分析的軟件結構，并且采用LabVIEW 工具以圖形界面的方式實現了周期信號的仿真分析。仿真結果表明基于LabVIEW 的信號分析系統可以準確、高效地對信號進行多功能的分析，具有很好的應用前景。

【關鍵詞】LabVIEW；時域分析；頻域分析；仿真

【Abstract】Signal analysis works as the main part of digital signal processing which has been widely used in various fields.This paper has researched on the signal analysis methods of time domain analysis and frequency domain analysis.The software system structure of digital signal analysis is also designed in the paper.In addition，analysis and simulation of periodic signal have been finished by the way of graphic interface based on LabVIEW.Simulation results show this system based on LabVIEW can provide a precise and high efficiency way to implement multi-function signal analysis， which has good application foreground.

【Key words】LabVIEW； Time domain analysis； Frequency domain analysis； Simulation

0 引言

傳統的基于實時控制系統的硬件信號分析工具，雖然其精度高，但是硬件依賴性強、功能單一、價格昂貴、使用不靈活[1]，例如示波器、頻譜分析儀等。而實驗室虛擬儀器工程平臺LabVIEW作為虛擬儀器的核心部分，它基于圖形化的界面，從數字化的指標入手，融合多種信號分析方法，可以全面提高工程信號分析開發與應用的效率，易于操作[2]。本文從信號分析的主要方法出發，研究了信號的時域分析和頻域分析方法，利用LabVIEW 開發了相關信號分析方法的系統，并對周期信號進行了仿真。仿真結果表明本文所設計的信號分析系統能夠準確、高效工作，滿足了應用的需求。

1 LabVIEW簡介及系統總體設計

LabVIEW 作為虛擬儀器開發的核心部分，是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境[1]。它為用戶提供了簡單、直觀、易學的圖形編程方法，把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成了用菜單或圖標提示的方法進行選擇功能，再用線條把各種功能連接起來完成設計。LabVIEW 的應用程序，由前面板、流程圖以及圖標/連結器三部分構成[2]。LabVIEW 軟件平臺采用數據流模型，自動多線程運行程序，可充分利用處理器特別是多核處理器的處理能力，且內建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯[4]。因此，利用LabVIEW 可以便捷、高效地構建界面美觀、功能豐富的虛擬儀器，實現數據采集、信號分析等功能[6]。系統的總體設計如圖1所示。

如圖1 信號分析系統結構圖所示，本文主要從兩個方面對信號進行分析，包括時域分析和頻域分析。時域分析又分為參數測量、瞬態特性測量和諧波失真分析；頻域分析包括幅值譜分析、相位譜分析和功率譜分析。

2 時域分析

2.1 參數測量

參數測量主要完成對波形的平均值、均方根值、峰峰值、均值等的測量并且把它變成了數字指標，更便于觀察。本文采用了LabVIEW強大的自帶函數——幅值和電平測量VI，通過這個強大的內置函數分析就算出這些參數變量。

2.2 瞬態特性測量

瞬態特性測量用于測量信號的瞬態特性，包括持續期（上升或下降的時間）、邊緣斜率、前沖或過沖。

2.3 諧波失真分析

諧波失真分析用于分析信號的諧波，包括信號的基頻、各諧波的幅值及總的諧波失真在內的信號的各種諧波。

時域分析的程序框圖如圖2所示，其前面板如圖3所示。

3 頻域分析

雖然在實際測量時獲取的是時域波形，但僅通過時域上的簡單分析無法取得有規律或有價值的信息，無法徹底地反應出信號的全部特征[7]，這時需要把問題轉換到頻域來處理，對信號進行頻域分析。LabVIEW中主要是在對信號進行FFT（快速傅里葉變換）分析基礎上來實施頻域分析的[4]。信號的幅度相位譜用于對時域信號進行FFT變換，并求出變換的幅值譜和相位譜；信號的功率譜分析反映了信號在頻率上的能量分布，突出信號頻譜的主頻率[10]。本文的頻域信號分析的程序框圖如圖4所示，其前面板如圖5所示。

4 結束語

本文從時域和頻域的角度出發，利用LabVIEW 構建信號分析的軟件系統，對周期信號進行了參數測量、瞬態特性測量、諧波失真分析、幅值譜分析、相位譜分析和功率譜分析，并進行了相應的仿真。仿真結果驗證了LabVIEW 平臺開發信號分析系統的有效性和高效性。LabVIEW 作為目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，它為用戶提供了簡單、直觀、易學的圖形編程法，把復雜、煩瑣、的語言編程簡化成菜單或圖標提示的方法，具有巨大的應用前景，值得進一步地推廣應用到虛擬儀器教學、工程應用等領域。

【參考文獻】

[1]鄭對元，等.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]何曉青.基于LabVIEW的虛擬實驗儀器設計研究[J].現代計算機（專業版），2012（07）：69-73.

[3]梅加化.基于LabVlEW的虛擬實驗教學系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[4]劉福建.基于虛擬儀器的性能參數測試系統的研究[D].北京： 華北電力大學，2012.

[5]趙慧昌. 振動信號分析儀數據采集策略研究及實施[D]. 西安：西安工業大學， 2014.

[6]張小虹，信號與系統[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014：1-22.

[7]吳湖清，李秀梅，孫晨林.基于LabVIEW 的信號處理虛擬實驗平臺[J].杭州師范大學學報，2014，13（6）：669-672.

[8]周晶晶，吳文全，孫金明，章耀文.基于虛擬儀器系統的多功能信號發生器設計[J].現代電子技術，2014，37（17）：120-124.

[9]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.2程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007：180-183.

[10]劉明，徐洪波，寧國勤.數字信號處理：原理與算法實現[M].北京：清華大學出版社，2006：68-73.

[責任編輯：朱麗娜]