劉小群

（寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞 721016）

相關(guān)性研究主要解決信號(hào)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)問(wèn)題、信號(hào)與信號(hào)之間的相干問(wèn)題[1]。通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的信號(hào)是正弦波信號(hào)，信道中的噪聲是白噪聲信號(hào)。這兩種信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的研究對(duì)于通信系統(tǒng)十分重要，研究白噪聲的自相關(guān)函數(shù)對(duì)于信號(hào)編碼很有意義。信號(hào)的自相關(guān)分析對(duì)于分析信號(hào)的特點(diǎn)及頻域特性也十分重要。LabVIEW 是一種圖形化編程軟件，圖形化編程是它與其他編程方法最大的區(qū)別，它的程序更加直觀，方便理解與修改[2-3]。用戶(hù)能夠按照自己的需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，操作方便，節(jié)省成本。文中設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的通信信號(hào)自相關(guān)研究系統(tǒng)，首先產(chǎn)生正弦波、白噪聲及正弦波疊加白噪聲3 種信號(hào)，然后分別分析3 種波形的自相關(guān)函數(shù)及其功率譜。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的功能要求

文中設(shè)計(jì)的信號(hào)自相關(guān)分析系統(tǒng)的功能如下：

1）能夠產(chǎn)生正弦波、白噪聲及疊加白噪聲的正弦波3 種信號(hào)，且波形的頻率、幅值能夠由用戶(hù)進(jìn)行設(shè)置；

2）將所產(chǎn)生的波形通過(guò)自相關(guān)函數(shù)輸出其自相關(guān)波形；

3）將自相關(guān)波形通過(guò)FFT 函數(shù)進(jìn)行功率譜分析，并輸出功率譜波形圖；

4）前面板上顯示所產(chǎn)生的波形、自相關(guān)波形及其功率譜的波形。通過(guò)前面板可以調(diào)節(jié)正弦波及白噪聲的幅值、頻率。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

信號(hào)相關(guān)性分析系統(tǒng)首先利用LabVIEW 中的波形生成函數(shù)產(chǎn)生正弦波、白噪聲及疊加白噪聲的正弦波3 種信號(hào)；通過(guò)自相關(guān)函數(shù)分析3 種信號(hào)的自相關(guān)波形，將自相關(guān)波形通過(guò)FFT 函數(shù)進(jìn)行功率譜分析并輸出功率譜波形圖。根據(jù)波形圖顯示的結(jié)果研究信號(hào)的相關(guān)性及其頻域特征。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的LabVIEW設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW 程序由前面板和程序框圖形成，用戶(hù)可以通過(guò)前面板完成數(shù)據(jù)的輸入輸出顯示。類(lèi)似于儀器的操作面板。系統(tǒng)的前面板如圖2 所示。前面板上有信號(hào)幅值、頻率及所產(chǎn)生的波形、自相關(guān)函數(shù)波形及其功率譜的波形等[4-7]。用戶(hù)可以通過(guò)前面板輸入正弦波及白噪聲的幅值、頻率等信息。波形圖顯示控件能夠顯示所產(chǎn)生的波形、自相關(guān)函數(shù)的波形及功率譜波形。

圖2 系統(tǒng)的前面板

2.2 系統(tǒng)的程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需要的功能，用戶(hù)根據(jù)自己的需要選擇函數(shù)、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行連接并調(diào)試運(yùn)行，程序框圖中包含了前面板上控件、函數(shù)、結(jié)構(gòu)等[8-11]。LabVIEW 中包括數(shù)值、數(shù)組、布爾、字符串等操作函數(shù)，有循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、公式節(jié)點(diǎn)等，方便用戶(hù)設(shè)計(jì)程序框圖，且設(shè)計(jì)的程序框圖十分直觀[12-14]。該系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的程序框圖

信號(hào)相關(guān)性分析系統(tǒng)主要由程序框圖實(shí)現(xiàn)3 種波形信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)相關(guān)性分析及FFT 變換等功能。利用正弦波發(fā)生器及均勻白噪聲發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波及白噪聲。兩種波形相加形成疊加白噪聲的正弦波。每一個(gè)波形周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)設(shè)置，信號(hào)的幅值、頻率、相位等都可以通過(guò)前面板進(jìn)行設(shè)置。產(chǎn)生的3 種信號(hào)分別通過(guò)自相關(guān)函數(shù)得到它們的自相關(guān)波形，并顯示在前面板上的波形圖顯示控件中。自相關(guān)波形通過(guò)FFT 得到功率譜波形并輸出顯示。波形的頻率、幅值能夠由前面板上的控件進(jìn)行設(shè)置。

3 系統(tǒng)的LabVIEW仿真

信號(hào)相關(guān)性系統(tǒng)仿真首先通過(guò)波形圖控件觀察產(chǎn)生的正弦波、白噪聲及正弦波疊加白噪聲3 種信號(hào)，并調(diào)節(jié)波形頻率、幅值。將所產(chǎn)生的波形通過(guò)自相關(guān)函數(shù)輸出其自相關(guān)波形；通過(guò)波形圖控件觀察比較自相關(guān)波形。然后將自相關(guān)波形通過(guò)FFT 函數(shù)進(jìn)行功率譜分析并輸出功率譜波形圖。前面板上顯示所產(chǎn)生的波形、自相關(guān)波形及其功率譜的波形。通過(guò)前面板可以調(diào)節(jié)正弦波及白噪聲的幅值、頻率。分別設(shè)置正弦波的幅值、頻率、白噪聲的幅值進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4～6 所示。

圖4 10 Hz、5 V正弦波輸出顯示

經(jīng)仿真，通過(guò)選擇設(shè)置正弦波的幅值、頻率產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波、白噪聲及疊加白噪聲的正弦波，并經(jīng)過(guò)自相關(guān)函數(shù)輸出3 路信號(hào)的自相關(guān)波形，在3 個(gè)波形圖控件中分別顯示結(jié)果。然后通過(guò)FFT 函數(shù)剖析3 路信號(hào)的功率譜波形。從自相關(guān)波形圖可以發(fā)現(xiàn)，正弦波的自相關(guān)函數(shù)是周期的，疊加白噪聲的正弦波的自相關(guān)函數(shù)也是周期信號(hào)。白噪聲的自相干函數(shù)為一個(gè)沖激函數(shù)，說(shuō)明只有在t=0 時(shí)刻白噪聲是相關(guān)的，其余時(shí)刻互不相干。因此，白噪聲能夠用于通信中。

圖5 50 Hz、5 V正弦波輸出顯示

圖6 100 Hz、1 V正弦波輸出顯示

4 結(jié)論

利用LabVIEW 設(shè)計(jì)了信號(hào)相關(guān)性研究系統(tǒng)，文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)的正弦波、白噪聲及疊加白噪聲的正弦波，通過(guò)LabVIEW 中的自相關(guān)函數(shù)對(duì)3 種波形的自相關(guān)波形進(jìn)行仿真，同時(shí)利用FFT 函數(shù)對(duì)頻譜特性進(jìn)行仿真。便于研究通信系統(tǒng)中的信號(hào)、噪聲的自相關(guān)特性及頻譜特性。該系統(tǒng)具備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用LabVIEW 設(shè)計(jì)虛擬儀器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)容易且非常直觀，界面可以根據(jù)用戶(hù)的需求設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、處理分析、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?。也能夠用于一些?shù)據(jù)的收集監(jiān)測(cè)、安全防范等。用戶(hù)能夠根據(jù)需要來(lái)擴(kuò)展功能，能夠有效地提升開(kāi)發(fā)效率[15-18]。