魏 塬，徐武彬

WEI Yuan XU Wu-bin

（廣西工學院 機械工程系，柳州 545006）

0 引言

信號分析與處理是測試技術工作的重要組成部分。幾乎所有的工程技術領域都涉及到信號處理，頻譜分析研究信號的頻率結構，是信號處理過程中非常重要的分析手段。一般的頻譜分析都需要頻譜分析儀完成。目前普遍使用的國內產品存在的主要問題是價格昂貴，加工工藝復雜，體積龐大，且生產技術要求較高。近年來，隨著微電子、計算機、網絡技術的高速發(fā)展，新的測試理論、測試方法、測試領域以及儀器結構不斷出現，虛擬儀器應運而生[1]。虛擬儀器就是以計算機為基礎并配以相應測試功能的硬件作為信號輸入輸出接口，進行信號的采集、分析、處理及表達，從而完成各種測量功能的一種計算機測試系統(tǒng)。

LabVIEW是美國NI推出的功能強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，采用圖形模式的結構框圖構建程序代碼，由于其靈活而直觀的編程效果，操作方便的開發(fā)模式，使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時可以縮短設計周期，提高工作效率。較之傳統(tǒng)儀器更加易于維護，并且成本大大降低。本文設計了一種新型的基于LabVIEW的頻譜分析儀，它改變了傳統(tǒng)頻譜分析儀的整體設計思路，用軟件代替了硬件，測試結果可靠，現場使用方便。

1 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，信號處理技術通常包括時域分析和頻域分析[2]。其中時域分析主要是相關性分析，頻域分析包括傅立葉變換、功率譜分析和小波分析等。本文介紹的頻譜分析儀通過將連續(xù)信號采樣變?yōu)殡x散時間信號，再利用LabVIEW強大的數字信號處理功能，對數據進行濾波、加窗、FFT運算處理，進而得到信號的幅度譜、相位譜和自功率譜等，并按要求對測試結果進行顯示和存儲，其流程如圖1所示。

圖1 頻譜分析儀流程圖

2 軟件設計

使用LabVIEW開發(fā)的測試系統(tǒng)通過應用程序將計算機與功能化硬件結合起來，完成數據采集、數據處理與分析、數據顯示、存儲、打印等。采用模塊化的設計思想，它劃分為數據采集、數據分析處理、結果表達三大功能，前面板設計如圖2所示。

圖2 頻譜分析模塊前面板

2.1 數字濾波

在對信號進行分析和處理時，往往存在有用信號疊加或干擾，濾波器的原理是根據有用信號與噪聲信號的不同特性，消除或減弱干擾信號，提取有用信號。濾波器是一種選頻部件，可以使信號中特定的頻率成分通過，起著對某段頻率成分進行篩選的作用。數字濾波器是是利用離散時間系統(tǒng)的特性，借助數字器件對輸入信號進行處理，改變輸入信號的波形或頻譜，同時保留信號中有用成分、去除信號中無用成分。與模擬濾波器相比較，兩者作用相同，實現方法不同，數字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復用、便于集成、節(jié)約硬件成本等優(yōu)點。而巴特沃斯、切比雪夫濾波器和貝塞爾濾波器是測試工程中應用最廣泛也是最經典的三種濾波器[3]。本文采用具有單獨帶通和阻帶的巴特沃斯濾波器。

2.2 加窗處理

窗函數的作用包括截斷信號、減少譜泄露和分離頻率相近的大幅值與小幅值信號。在實際測量中，采樣長度是有限的，而信號可以無限長，且周期與周期之間信號是不連續(xù)的，這將造成譜泄漏現象。譜泄漏的能量大小取決于周期延拓時突變的幅度，幅值越大，譜泄漏越多。加窗是指將被計算的振動信號序列跟長度相同的窗函數序列逐點相乘，然后再對相乘后的序列進行FFT變化，進而解決有限時間長度數據分析帶來的泄漏問題。

加窗函數類型包括Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、三角窗、高斯窗、指數窗、FlapTop窗、Force窗、Welch窗等。它們的適用條件各不相同，可根據使用需要及輸入波形的特點選擇適當的窗。在此選擇用來分析持續(xù)時間比較長的信號，且邊緣不趨近于零的Hamming窗，其調用路徑為Function→Signal Processing→Windows→Hamming Windows. vi。

2.3 FFT與DFT

頻譜分析模塊主要是對信號發(fā)生器產生的測試信號進行分析與處理。信號的頻譜分析包含信號本身的頻率特性分析，采集的信號經濾波、加窗處理后，對幅度譜、相位譜、功率譜等進行測量，同時可以進行各種參數設置，包括采樣設置、濾波器類型選擇、窗函數類型選擇等，從而獲得信號在不同頻率上的幅度、相位、頻率等信息。

為了使計算機完成信號處理工作，需將連續(xù)信號進行采樣得到離散數據，通過矩形窗將無限離散數據變?yōu)橛邢薜碾x散數據[4]。離散傅立葉變換（DFT）的定義為：

可以實現快速傅立葉變換（FFT），它僅是離散傅立葉變換的快速算法，可以直接用來處理離散信號的數據，也可以用于連續(xù)信號的逼近。FFT使傅立葉變換的數字實現速度大大提高。

3 系統(tǒng)功能實現

前面板程序是用于提供用戶與任意波形發(fā)生器的接口，在用于顯示和處理結果的同時，用戶也可以通過控制面板上的開關和按鈕，模擬傳統(tǒng)儀器操作，進而實現對任意波形發(fā)生器的控制。該虛擬信號分析儀主要包括信號發(fā)生器、頻譜分析和數據存儲三個主要模塊。

3.1 信號發(fā)生器

本文實驗中采用NI cDAQ9172機箱、NI 9203模擬電流輸入模塊、NI 9211熱電偶輸入模塊和PC機，通過LabVIEW的DAQ助手進行信號采集，采樣率和采樣數可以根據需要來設置。由圖3可知，含有干擾信號的正弦波信號經過濾波和加窗處理后與沒有噪聲的正弦波信號幾乎相同，消除了很多低頻及高頻的干擾信號。該分析儀通過點擊動態(tài)波形鍵能暫停波形的瞬時變化，并利用函數選板上的工具進行特定部分波形的分析[5]。

圖3 處理前后信號的比較

3.2 頻譜分析

對信號的分析可以分為時域分析和頻域分析，僅僅對信號進行時域分析處理不能夠反映信號的全部特征和揭示其全部信息，這時需要對信號進行頻域分析[6]。通常將時間域的信號經傅立葉變換轉化到頻域進行分析，就能得到在時域信號中得不到的信息。

信號的頻域分析方法是指根據信號的頻域描述來估計和分析信號的組成和特征量。信號的頻譜分析包括對信號本身的頻率特性分析，如對幅度—相位譜、自功率譜等。經過濾波、加窗處理后的信號，用FFT Spectrum. vi 進行快速傅立葉變換，并計算其幅值譜和相位譜[7,8]。

自相關函數滿足傅立葉變換條件，如隨機信號x(t)的自相關函數為Rx(τ)，Rx(τ)的傅立葉變換為。則定義Px(f)為x(t)的自功率譜密度。由于Px(f)和Rx(τ)之間是傅立葉變換對的關系，兩者是唯一對應的，由信號的自功率譜密度分析可以得到信號的頻率成分。本文使用FFT Power Spectrum.vi 計算信號的功率譜，如圖4所示。

圖4 頻譜圖

3.3 數據存儲

對于一個完整的測試系統(tǒng)，需要將采集到的數據以一定格式寫入存儲在文件中進行保存。數據讀取存儲的功能是利用文件操作函數庫，采用數據表文件的形式對實驗數據進行讀寫操作。采集到的信號既能存儲為數據型的歷史文件，或存于ACCESS等數據庫，供以后分析研究；也可以通過外接打印機直接輸出數據。數據的顯示與保存可以直接利用‘寫入測量文件.vi’進行。此頻譜分析儀可以通過用Web服務器，用戶可以不需要任何編·程就能在遠程計算機上通過網頁或LabVIEW連接到該頻譜分析儀的程序面板，實現系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能。虛擬信號頻譜分析儀的程序圖如圖5所示。

圖5 程序框圖

4 結論

基于LabVIEW圖形化編程的虛擬頻譜分析儀，主要實現了對信號本身的頻率特性分析，包括幅值—相位譜、FFT、自功率譜分析等，在本設計中沒有提到的頻譜分析，只需從函數選板中加入相應的子VI即可。這也是虛擬頻譜分析儀相對于傳統(tǒng)儀器的一個巨大的優(yōu)勢。隨著計算機技術和虛擬儀器技術的發(fā)展，同一臺虛擬頻譜分析儀可以應用到更多場合，比如電量測量，以及在振動和圖像等非電量測量中應用，甚至應用到遠程網絡測控中。通過頻譜分析，能夠找到系統(tǒng)的振動噪聲源，進行故障診斷。因此，頻域分析具有廣泛的實際應用。

虛擬頻譜分析儀的設計與實現過程充分運用了計算機強大的運算處理功能，不僅實現了一般的頻譜分析儀具有的功能，還增強了分析處理的能力。它的圖形界面友好，人機交互性強，具有可擴展性，操作簡單，效率高，大大降低了成本，測試結果準確等優(yōu)點。

[1] 李瑞,周冰,胡仁喜,等.LabVIEW2009中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

[2] 宋玉杰.基于虛擬儀器的頻譜分析研究[D].成都：西華大學,2009.

[3] 張偉剛.基于LabVIEW的轉子自動平衡技術[D].上海：上海交通大學,2008.

[4] 申炎華,王汝杰,雷振山.LabVIEW入門與提高范例教程[M].北京：中國鐵道出版社,2007.

[5] 馬艷艷.基于LabVIEW 7.1多功能信號發(fā)生器的設計[J].太原理工大學學報,2008,39(6)：599-602.

[6] 楊奕,沈申生.基于虛擬儀器的機械振動系統(tǒng)邊頻識別和倒頻譜分析[J].制造業(yè)自動化,2007,29(12)：23-27.

[7] 王磊,陶梅.精通LabVIEW8.X[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[8] 杜偉寧,趙晨光,王冕,等.基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設計[J].吉林大學學報(理學版).2009,47(3)：548-552.