賈 鋒

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽合肥 230037）

0 引言

隨著無(wú)線通信和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際中在部署應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)會(huì)存在許多問(wèn)題，需要對(duì)系統(tǒng)間各個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)和測(cè)試，因此對(duì)信號(hào)分析測(cè)量的要求越來(lái)越高。對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域測(cè)量和頻譜分析是信號(hào)測(cè)量中非常重要的分析手段，通常主要依靠傳統(tǒng)的信號(hào)分析儀來(lái)完成，但這種信號(hào)分析儀價(jià)格昂貴且移動(dòng)性差。采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)分析儀徹底改變了傳統(tǒng)信號(hào)分析儀的不足，用軟件來(lái)代替硬件，用戶可以根據(jù)具體情況通過(guò)修改軟件來(lái)增加儀器的功能，使儀器功能更加強(qiáng)大，設(shè)計(jì)更加靈活，有更好的擴(kuò)充性，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間[1]。

本文以LabVIEW8.6為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬信號(hào)分析儀，該系統(tǒng)可以根據(jù)需要產(chǎn)生多種不同的信號(hào)，完成了信號(hào)分析儀的時(shí)域波形測(cè)量功能、頻譜分析及功率譜測(cè)量功能，操作簡(jiǎn)單，使用方便。

1 虛擬儀器

虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。與傳統(tǒng)意義上功能固定的儀器不同，用戶可以根據(jù)自身需求，靈活地對(duì)虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)、維護(hù)和測(cè)試系統(tǒng)的升級(jí)。而且，運(yùn)用LabVIEW可以設(shè)計(jì)出形象逼真的用戶 界面，充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器” 的虛擬儀器概念[3]。

2 信號(hào)分析的方法

信號(hào)處理技術(shù)包括時(shí)域分析和頻域分析兩部分。時(shí)域分析是指研究信號(hào)的波形隨時(shí)間變化的規(guī)律；頻域分析是指在頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析和顯示。早期的頻譜分析儀是將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，有多路分配器分送至并聯(lián)的一組調(diào)諧到不同中心頻率上的帶通濾波器，濾波器的輸出與檢波器相連，顯示器輪換顯示各濾波器的輸出。隨著電子電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以傅里葉變換為基礎(chǔ)的現(xiàn)代頻譜分析儀，這類分析儀以電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行數(shù)字化之后，利用DFT/FFT算法求出其頻譜，從而實(shí)現(xiàn)頻譜分析。但是，這類信號(hào)分析儀仍然是以硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀，他們有著自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)：復(fù)雜性、封閉性和昂貴性等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到信號(hào)分析儀中，克服了傳統(tǒng)硬件化頻譜分析儀自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)[4]。本文設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)分析儀是利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成信號(hào)的傅里葉變換，進(jìn)而分析信號(hào)的頻譜特征。

3 虛擬信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)分析儀主要由信號(hào)配置模塊、時(shí)域測(cè)量模塊、頻譜測(cè)量模塊和功率譜測(cè)量模塊組成。測(cè)量模塊所需信號(hào)由信號(hào)配置模塊采用LabVIEW中提供的信號(hào)控件來(lái)模擬產(chǎn)生，然后進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，得到波形的時(shí)域測(cè)量圖和頻域的幅頻圖和相頻圖。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

根據(jù)上述流程圖設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)分析儀，完成了上述信號(hào)的不同測(cè)試功能。圖2是完成設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)分析儀的主界面。

圖1 虛擬信號(hào)分析儀流程圖

圖2 虛擬信號(hào)分析儀界面

3.2 模塊設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 信號(hào)配置模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)配置模塊用于產(chǎn)生系統(tǒng)測(cè)試所需的各種信號(hào)波形，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的該模塊提供兩種方式生成信號(hào)：一種是直接產(chǎn)生簡(jiǎn)單的基本波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形；另一種方式是采用輸入公式的方式生成所需波形。兩種方式生成信號(hào)波形的幅度、頻率、相位可以根據(jù)需要很方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)需要還可以在信號(hào)上疊加各種噪聲，如高斯白噪聲、均勻白噪聲、二項(xiàng)分布噪聲、泊松噪聲、Gamma噪聲等，噪聲的幅值等參數(shù)也可以進(jìn)行設(shè)定。信號(hào)配置模塊的前面板如圖3所示，圖中生成信號(hào)為疊加了高斯白噪聲的方波信號(hào)。

圖3 信號(hào)配置模塊界面

3.2.2 信號(hào)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)量模塊包括時(shí)域測(cè)量模塊、頻譜測(cè)量模塊和功率譜測(cè)量模塊。

時(shí)域測(cè)量模塊主要完成信號(hào)時(shí)域信息的測(cè)量，包括信號(hào)的均值、峰峰值、均方根、周期平均、周期均方根等的測(cè)量。

功率譜分析模塊主要是對(duì)信號(hào)的功率譜信息的測(cè)量，完成對(duì)信號(hào)的功率譜分析。

頻域測(cè)量模塊主要頻是對(duì)信號(hào)配置模塊產(chǎn)生的波形經(jīng)FFT變換后進(jìn)行頻譜分析，得到信號(hào)的幅頻圖和相頻圖。利用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)信號(hào)做FFT時(shí)，只能對(duì)有限點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。所以在實(shí)際應(yīng)用中，往往要對(duì)信號(hào)作截短處理，這將引起窗口效應(yīng)。一方面會(huì)形成頻譜泄露，另一方面主譜線兩邊會(huì)形成很多旁瓣，引起不同頻率分量間的干擾。為了盡量減少泄露，就需要具有旁瓣小、主瓣窄的窗函數(shù)[5-6]。

在設(shè)計(jì)中，為系統(tǒng)的頻譜測(cè)量模塊和功率譜測(cè)量模塊提供對(duì)信號(hào)添加窗函數(shù)的處理功能，根據(jù)實(shí)際需要可以選擇如Hanning窗、矩形窗、Hamming窗、三角窗等19種窗函數(shù)，以減少窗口效應(yīng)帶來(lái)的柵欄效應(yīng)和泄漏問(wèn)題[7]。頻譜測(cè)量模塊和功率譜測(cè)量模塊還支持將多次計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行平均處理。用戶可以自己設(shè)定平均模式、加權(quán)模式以及平均次數(shù)等參數(shù)。在進(jìn)行測(cè)量結(jié)果顯示時(shí)，可以選擇線性或者dB模式顯示測(cè)量結(jié)果。頻譜測(cè)量模塊還可以對(duì)相位進(jìn)行展開(kāi)和轉(zhuǎn)換為度的處理。圖5所示為加入高斯白噪聲的方波經(jīng)Hanning窗函數(shù)，通過(guò)FFT變換后由頻譜測(cè)量模塊處理得到的幅頻圖和相頻圖。圖6是以dB模式顯示的該信號(hào)的功率譜測(cè)量情況界面。

圖4 頻譜測(cè)量界面

圖5 功率譜模塊測(cè)量界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)分析儀，利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示等方面的限制，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和簡(jiǎn)單友好的操作交互界面，測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合。基于圖形化編程語(yǔ)言的LabVIEW軟件以其簡(jiǎn)單、直觀、高效率的特點(diǎn)，為用戶提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。事實(shí)證明，應(yīng)用此技術(shù)使我們能夠在計(jì)算機(jī)上按自己需求設(shè)計(jì)儀器，方便靈活且開(kāi)發(fā)周期短，對(duì)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有普遍借鑒意義。

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