劉 霞，劉 均，殷海雙，鄒彥艷，陸敬祎

（東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

信號(hào)處理的目標(biāo)是突出或提取隱藏在時(shí)間序列里的特征，這就需要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。而實(shí)際信號(hào)又大多是非平穩(wěn)信號(hào)，因此對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的處理已成為信號(hào)處理的研究熱點(diǎn)[1]。而目前，關(guān)于信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多是分析和處理平穩(wěn)信號(hào)的[2-5]。因此，本系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司推出的LabVIEW軟件，利用其直觀的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境和功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析庫(kù)函數(shù)[6]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套虛擬信號(hào)處理演示與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可對(duì)平穩(wěn)和非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域分析。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的交互性、實(shí)時(shí)性和可視性，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬信號(hào)處理演示及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)架

1.1 設(shè)計(jì)方案

由LabVIEW通過(guò)波形發(fā)生器和噪聲發(fā)生器產(chǎn)生多種可選信號(hào)作為原始信號(hào)，傳遞給LabVIEW相應(yīng)的功能函數(shù)，完成所設(shè)置的信號(hào)分析和處理，并實(shí)時(shí)顯示處理結(jié)果。設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design scheme

1.2 系統(tǒng)前面板及各功能區(qū)

虛擬信號(hào)處理系統(tǒng)前面板由3個(gè)選擇區(qū)組成，如圖2所示。

圖2 虛擬信號(hào)處理系統(tǒng)的儀器面板Fig.2 Instrument panal of the virtual signal processing system

信號(hào)類(lèi)型選擇區(qū)：可以對(duì)信號(hào)產(chǎn)生方式進(jìn)行選擇，包括基本信號(hào)、公式信號(hào)、任意信號(hào)、混合單頻信號(hào)、提取信號(hào)。

噪聲類(lèi)型及參數(shù)選擇區(qū)：該子面板提供3種白噪聲（高斯白噪聲、均勻白噪聲和周期性隨機(jī)噪聲），給信號(hào)進(jìn)行加噪處理。同時(shí)用3個(gè)波形圖顯示工具顯示“原始波形”、“含噪聲信號(hào)”和“噪聲信號(hào)柱狀圖”。

信號(hào)處理功能選擇區(qū)：?jiǎn)螕粼搮^(qū)選項(xiàng)卡控件可以選擇信號(hào)濾波、信號(hào)加窗、自功率譜、傅里葉變換、FFT頻譜、時(shí)頻圖等信號(hào)處理功能。

2 虛擬信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)及仿真

虛擬信號(hào)發(fā)生器包括信號(hào)發(fā)生器和噪聲發(fā)生器兩部分。信號(hào)發(fā)生器通過(guò)選項(xiàng)卡控件選擇信號(hào)發(fā)生器類(lèi)型，通過(guò)調(diào)節(jié)控件改變所選信號(hào)的幅值和頻率等參數(shù)?；拘盘?hào)發(fā)生器中可產(chǎn)生正弦信號(hào)、方波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)、三角波信號(hào)，并可對(duì)頻率、幅值等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；公式信號(hào)發(fā)生器中可以輸入所需波形的表達(dá)式，可以設(shè)置頻率、幅值及偏置量；任意信號(hào)發(fā)生器可以通過(guò)波形表輸入控件設(shè)定波形；混合單頻信號(hào)發(fā)生器中可通過(guò)設(shè)置起始頻率、單頻個(gè)數(shù)、間隔頻率、相位關(guān)系等參數(shù)產(chǎn)生信號(hào)；提取信號(hào)可以從文件中讀取波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的的處理。噪聲發(fā)生器可選擇加噪類(lèi)型、噪聲幅值/方差可以對(duì)生成的信號(hào)進(jìn)行加噪。其中基本信號(hào)發(fā)生器和噪聲發(fā)生器程序流程圖如圖3、圖4所示。仿真產(chǎn)生加入均勻白噪聲的正弦波，幅值為1，頻率為5，輸出的信號(hào)波形如圖5所示。

圖3 基本信號(hào)發(fā)生器程序流程圖Fig.3 Flow chart of basic signal generator

3 虛擬信號(hào)處理器設(shè)計(jì)與仿真

虛擬信號(hào)處理器前面板如圖6所示，單擊該區(qū)選項(xiàng)卡控件可以選擇信號(hào)濾波、信號(hào)加窗、自功率譜、傅里葉變換、FFT頻譜、時(shí)頻圖以及時(shí)域描述功能，根據(jù)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻域分析。信號(hào)濾波模塊設(shè)計(jì)了IIR和FIR兩種濾波器類(lèi)型，可以實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通和帶阻4種類(lèi)型的濾波器，濾波器的截止頻率、采樣頻率、階次以及切比雪夫?yàn)V波器的通帶波紋可根據(jù)實(shí)際情況由用戶(hù)自行設(shè)置，并有獨(dú)立的開(kāi)關(guān)控制開(kāi)始和停止；信號(hào)加窗模塊有窗函數(shù)的類(lèi)型選擇、窗屬性顯示、窗函數(shù)和加窗后信號(hào)波形顯示，可實(shí)現(xiàn)漢寧窗、矩形窗、高斯窗等多種窗函數(shù)的選擇；自功率譜模塊分別對(duì)原始信號(hào)、含噪信號(hào)、巴特沃夫?yàn)V波后信號(hào)求自功率譜，不僅反映了噪聲信號(hào)對(duì)功率分布的影響，而且表現(xiàn)出濾波器在不同濾波類(lèi)型下對(duì)信號(hào)自功率分布的作用；傅里葉變換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行了傅里葉變換，并把變換后結(jié)果作為輸入進(jìn)行了傅里葉反變換，這樣驗(yàn)證傅里葉變換的正確性和可逆性；FFT頻譜模塊選用FFT頻譜 （幅度-相位）VI得到原始信號(hào)的幅頻譜和相頻譜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻域分析；時(shí)頻圖模塊中含有兩種時(shí)頻分析方式：短時(shí)傅立葉變換（STFT）和WVD時(shí)頻分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)時(shí)頻域分析；時(shí)域描述中主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域的特征值描述，包括時(shí)間特征值和幅值特征值。

圖4 噪聲發(fā)生器程序流程圖Fig.4 Flow chart of noise generator

圖5 信號(hào)加噪及波形顯示Fig.5 Signal with noise and waveform display

圖6 信號(hào)處理功能區(qū)Fig.6 Signal processing region

其中傅里葉變換程序如圖7所示，STFT和WVD兩種時(shí)頻分析程序如圖8所示。

仿真信號(hào)為：x（t）=Asin（2π ft）+Asin（4π ft），t∈[0，1]

取 f=20 Hz，幅度A=2，采樣點(diǎn)數(shù)為 500，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換及反變換，如圖9所示。對(duì)其進(jìn)行STFT和WVD變換，如圖10所示。

圖7 傅里葉變換程序流程圖Fig.7 Flow chart of Fourier transform

圖8 時(shí)頻分析程序流程圖Fig.8 Flow chart of time-frequency analysis

圖10 STFT和WVD變換仿真圖Fig.10 Simulation chart of STFT and WVD

從圖9中可以看出原始信號(hào)是在t∈[0，1]區(qū)間由20 Hz和40 Hz正弦波合成，從FT變換中可以看出所包含的兩個(gè)頻率成分，但不知該頻率成分所在的時(shí)間范圍，因此FT缺乏時(shí)間和頻率的定位功能。

從圖10中STFT時(shí)頻圖中可以看出該信號(hào)在t∈[0，1]區(qū)間包含20 Hz和40 Hz的頻率成分，所以STFT具有良好的時(shí)頻定位功能。從WVD時(shí)頻圖中可以看出WVD也具有時(shí)頻定位功能，但卻出現(xiàn)了交叉干擾項(xiàng)。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生更深刻的理解信號(hào)的傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換等分析方法。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)充分利用了LabVIEW易于編程和調(diào)試的圖形化平臺(tái)、豐富的數(shù)學(xué)和信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)以及獨(dú)特完整的信號(hào)變換方法，設(shè)計(jì)了該信號(hào)處理演示及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器只能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等基本波形，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬信號(hào)以及實(shí)際信號(hào)的時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域分析。該系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單、交互性好，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)以及對(duì)實(shí)際信號(hào)進(jìn)行分析處理，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及創(chuàng)新能力。

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