基于LabVIEW 的干涉儀測向實驗教學系統設計

陳良兵，鄧貞宙，王玉皞，周輝林

（南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031）

由信號與系統、數字信號處理等課程構成的信號處理課程群是信息工程大類本科的核心專業課程群[1-3]，其基礎理論與算法在遙感、雷達、通信等領域有非常廣泛的應用，也是人工智能、5G 通信及無人駕駛等當前熱點技術發展的基石。但是由于該課程群偏重理論基礎、概念抽象、數學公式較多，本科學生在課堂上難以透徹理解相關知識點。因此，迫切需要配套實驗課程為本科生提供好的工程實踐環境，以便于他們將物理概念與工程實踐聯系起來，達到熟練掌握并運用相關知識解決實際問題的目的。

當前的信號處理課程群輔助實驗課程，在設計上多以知識點的軟件仿真為主，比較零散，缺少硬件平臺支撐，也缺乏系統性的實際工程應用將各知識點相關實驗串聯起來[4-7]，因而實驗效果有限。學生很難通過純粹的軟件仿真，建立起對信號處理相關基礎知識的深刻認識。

針對目前信號處理課程群實驗課程中的不足，立足科研平臺，結合信號處理課程知識體系結構，對現有的毫米波陣列系統科研平臺進行改造，設計了基于LabVIEW 的干涉儀測向實驗教學系統，圍繞核心知識點及測向信號處理過程，開發了配套的LabVIEW 實驗軟件，并設計了以測向為應用實例、將各知識點相關實驗串聯起來的綜合實驗。該實驗教學平臺軟硬結合，可使學生直觀感受相關知識在工程實踐中的具體應用，有效激發了學生對實驗課程的興趣。

1 干涉儀測向應用與信號處理課程群知識點之間的聯系

干涉儀測向是利用多通道接收機接收輻射源發射的信號，并通過信號處理實現對輻射源方向的測量，是一種比較成熟的測向方法，在軍事領域應用廣泛[8-10]。干涉儀測向系統與相關知識點的聯系如圖1 所示。測向系統的基本單元為構成干涉儀的一對天線，天線接收的信號經通道放大、濾波后，被ADC 采集量化轉換為數字信號，對各通道數字信號進行傅里葉變換、頻域檢測完成鑒相，然后根據相位差與輻射源方向之間的關系獲得輻射源的方向。

圖1 干涉儀測向系統與知識點聯系圖

可以發現，干涉儀測向系統的建模與設計涉及連續信號的抽樣、Nyquist 采樣定理、傅里葉時域平移特性、傅里葉頻域平移特性、頻域濾波、傅里葉變換等多種信號處理問題。因此，干涉儀測向的每一個步驟都可以作為一個單獨的實驗，而干涉儀測向系統將信號處理中的許多關鍵仿真串聯起來了，能夠幫助學生對相關知識點的概念及應用形成更深刻的認識。

圖2 毫米波8 單元陣列接收系統硬件組成框圖

2 毫米波陣列接收系統

毫米波天線陣列接收系統硬件組成框圖如圖2 所示。系統由天線、毫米波前端及下變頻模塊、中頻模塊、頻率源模塊、功分模塊以及ADC 采集卡等構成。系統工作中心頻率為33.5 GHz，帶寬為100 MHz，天線陣列由8 單元天線構成，前端部分對天線接收的微弱信號進行放大并濾波。為減少系統噪聲、保證信號恢復質量，信號放大采用的是低噪聲放大器，低噪放在33.5 GHz 左右的噪聲系數約為2 dB，增益為21 dB。下變頻采用一次變頻方案，天線接收頻率主要為33.45~33.55 GHz，利用頻率源的33.125 GHz 的信號經功分模塊與前端信號進行混頻，可將原本的毫米波信號下變頻至中頻信號，中頻中心頻率為187.5 MHz，中頻范圍為137.5~237.5 MHz，帶寬為100 MHz。

中頻模塊對下變頻后的中頻信號進行處理，可實現鏡像頻率抑制、放大、濾波，放大增益為20 dB,濾波器為帶通濾波器。利用NI-5171R 采集卡對信號進行采樣數字化。NI-5171R 是NI 公司研發的采集卡，包含了一塊可編程的Kintex7 410T FPGA，能實現8個通道同步采樣，采樣頻率為250 MHz，大于2 倍系統帶寬，滿足Nyquist 帶通采樣定律。采樣信號數據通過PXIe 總線傳輸至PC 機。硬件系統實物組成及連線圖如圖3 所示。

圖3 毫米波8 單元陣列接收系統

干涉儀測向的陣列需求與科研實驗的陣列需求有一定差異。為滿足干涉儀測向陣列需求，購置了導軌與滑塊，將天線及前端安裝在滑塊上，各滑塊可在導軌上滑動（見圖4），這樣可以獲得不同天線間距，以滿足干涉儀測向實驗需求。此外，系統有8 個天線，基于滑塊的位置調整，可將8 陣列接收系統拆分為3、4 個干涉儀測向系統，多組學生可同步進行數據采集及硬件實驗，提高實驗效率。

硬件實物一方面為學生提供了對5G 通信、毫米波雷達等系統組成的直接展示，另一方面也為他們對電磁信號轉化為電信號，并經放大、濾波、變頻的過程有直觀的認識?？蓭椭鷮W生將信號與系統的關鍵概念與實際系統聯系起來，激發實驗動力，改善實驗效果。

圖4 8 通道毫米波樣機系統天線陣列、導軌及滑塊

3 LabVIEW 實驗軟件設計

LabVIEW 為圖形化編程開發環境，其將函數圖形化為虛擬儀器（VI），圖形連線代表數據流入流出，簡化了傳統語言編程過程。其龐大豐富的函數庫為快速實現數據采集與處理提供了便利，在測試測量、工業控制、仿真等領域有廣泛應用[11-12]。在信號處理課程群中，可利用LabVIEW 的信號分析功能，并可利用控件構造虛擬示波器、虛擬頻譜儀等直觀顯示信號的波形、頻譜及處理前后變化，有利于學生加深對數字信號處理概念的理解。

本系統的LabVIEW 實驗軟件設計主要包括程序設計以及前面板設計。程序設計根據測向信號處理過程，分為信號采集存儲及波形顯示、傅里葉變換及頻譜分析、測向算法處理三部分。程序設計流程如圖5所示。

圖5 程序設計流程

對于信號采集部分，從LabVIEW 中ACQ 選板及FPGA 選板，選擇與采集卡進行數據傳輸必需的函數VI 以及FPGA 調用VI，設置必需的設備地址、采樣帶寬、采樣數等參數，實現與采集卡通信并獲取信號數據，該部分程序寫入子VI（SubVI）中，然后利用LabVIEW 自帶的波形圖控件構建虛擬示波器顯示時域波形。

對于傅里葉變換及頻譜分析部分，采用子VI 方式輸入通道數據，利用LabVIEW 提供的信號處理函數庫，對通道數據進行FFT 以及頻譜分析，并利用波形圖控件構造虛擬頻譜儀顯示信號的幅度譜。

算法處理部分是對各通道數據的頻域信息進行梳理，根據幅頻數據進行信號檢測，然后根據檢測的信號頻率，提取各通道該信號頻率處的相位，并根據相位差計算出二元干涉儀測量的輻射源入射角，利用波形圖畫出測向結果。

前面板是LabVIEW 中用戶與程序結果進行交互的界面，包含了參數設置、信號時域圖、幅度譜圖、測向結果圖，如圖6 所示。在前面板中選擇保存文件并設置好文件存儲路徑后，可把通道信號數據以二進制文件形式存儲至本地，也可利用其他軟件如MATLAB 進行后續數據處理。

圖6 程序前面板界面

4 實驗設計及驗證

基于該硬件系統與開發的軟件平臺，可完成常規的周期信號波形實驗、Nyquist 采樣實驗、FFT 及幅頻特性實驗，幫助本科學生建立起對信號處理概念的物理認識。在此基礎上，可完成一個測向綜合實驗，幫助他們進一步認識信號處理相關知識在實際工程問題中的應用。為了保證這些常規實驗的正常開展，利用科研環境對該干涉儀測向實驗教學系統進行了實驗驗證。

驗證實驗在室內進行，由發射源、陣列接收系統以及實驗軟件構成。發射源利用科研儀表羅德與施瓦茨公司的SMW200A 矢量信號發生器產生毫米波信號，并經圓喇叭天線發射，發射源距離接收陣列3.6 m，實驗中可在光具座上左右移動發射天線形成不同的發射角。接收端選擇陣列左端第1 個與第2 個天線構成一對干涉儀，兩個天線距離2 cm。根據干涉儀測向原理，該系統無模糊測向范圍為–13~13°，因此需在實驗中控制發射天線的移動范圍，以免產生測向模糊，出現錯誤測向。

設置信號源，產生頻率為33.5 GHz、功率為–30 dBm的毫米波信號，調整發射天線距離偏移陣列視軸40 cm，對應的入射角約為6.35°。軟件顯示時域波形如圖7 所示，頻域幅度如圖8 所示，測量信號頻率為187.5 MHz，與預期一致。測向結果如圖9 所示，為6.33°，與實際設置角度非常接近，表明該測向實驗平臺達到設計目標。

圖7 信號時域波形

圖8 信號頻域幅度

圖9 測向結果

5 結語

本實驗教學系統設計充分發揮科研平臺優勢，為信號處理課程群實驗教學提供了很好的硬件實物支撐，并通過LabVIEW 軟件開發，很好地將信號處理與實際系統糅合在一起，為本科學生提供了一個理論聯系實際的工程實踐環境，彌補了當前實驗課程重仿真、輕實踐的不足。今后將在現有基礎上，進一步圍繞測向應用深入挖掘，探討信號處理在長短基線干涉儀、虛擬基線干涉儀等復雜工程系統中的應用，并嘗試將其引入實驗課程教學，培養鍛煉本學科生解決復雜工程問題的能力。