利用虛擬儀器進(jìn)行數字信號處理設計

　　工程設計可以從虛擬儀器中獲得什么?即便您對虛擬儀器并不熟悉，了解儀器如何影響工程設計也十分自然的。例如示波器等傳統儀器在測試和測量應用中的不同階段及電子系統的設計、驗證和測試階段都被廣泛地應用。但是，憑借快速開(kāi)發(fā)工具、交互式設計功能以及與實(shí)際信號的自然關(guān)聯(lián)特性，虛擬儀器可以將工程設計帶入到一個(gè)新的時(shí)代。

　　例如數字信號處理(DSP)以及它與儀器之間的關(guān)系。數字信號處理器 (DSP)，是一種針對數字信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數學(xué)運算的微處理器。要使用DSP處理模擬信號，首先要用抗鋸齒濾波器和模擬數字轉換器(ADC)對模擬信號進(jìn)行數字化，并將它送入到傳入DSP的數據流中。之后，DSP會(huì )以某種方式修改數據流，并通過(guò)數字模擬轉換器(DAC)以及抗假象濾波器將信號轉回模擬信號。通常而言，類(lèi)似示波器等傳統獨立儀器會(huì )使用定制的固定嵌入式DSP系統。除此之外，示波器其實(shí)還可以通過(guò)虛擬儀器技術(shù)在個(gè)人電腦(PC)上實(shí)現。利用PC的強大性能，使用PCI數據采集設備對實(shí)際輸入信號進(jìn)行數字化，然后使用PC對信號進(jìn)行處理。這種虛擬儀器的方式可以使用戶(hù)依靠自行開(kāi)發(fā)的軟件程序和在PC或者實(shí)時(shí)操作系統上完成自定義的儀器功能。

　　虛擬儀器提供的強大設計工具使得具有不同技能層次和不同教育背景的人都可以快速設計并開(kāi)發(fā)自定義測試和測量系統。相反，過(guò)去的工程設計要求開(kāi)發(fā)人員使用不相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具，還需要在領(lǐng)域設計和實(shí)現都具備一定的工程專(zhuān)業(yè)知識。本文描述了如何將虛擬儀器設計工具應用到信號處理工程設計中，從而消除在設計和最終系統實(shí)現之間的障礙。我們將通過(guò)研究數字信號處理的設計與發(fā)布，并作為工程實(shí)例，來(lái)進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)題。

　　數字信號處理與虛擬儀器

　　首先，我們來(lái)討論一下虛擬儀器的概念，它的出現是為了解決傳統獨立儀器的局限性。過(guò)去，測試和測量工具通常由例如示波器和波形發(fā)生器等獨立儀器組成，它們?yōu)橛邢薜臏y量應用提供了有限的功能集合。這種傳統儀器具有三個(gè)基本局限性：1)硬件對信號采集提供有限的精度與速度;2)儀器中內建的廠(chǎng)商定義的有限的測量與分析函數;3)用戶(hù)操作界面的局限性。如果這些局限性中有任何一點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足項目規范的要求，那么就需要一個(gè)新的獨立儀器，這樣會(huì )大大增加最終系統成本。

　　自1976年以來(lái)，NI通過(guò)將傳統的獨立儀器分成兩個(gè)基本部分為儀器帶入了一種新的觀(guān)念，這兩個(gè)部分是：對信號進(jìn)行數字化所需的硬件和分析顯示結果所需的軟件。允許最終用戶(hù)使用用戶(hù)定義的軟件為其應用建立最終儀器，這樣儀器的局限性就被解決了，虛擬儀器的概念就是這樣誕生的。將軟件作為儀器，儀器就可以擴展到測試、控制和設計中。

　　相對于傳統的獨立儀器而言，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)與數字信號處理相對于模擬信號處理而言的優(yōu)點(diǎn)是相似的。例如，模擬濾波器通常使用運算放大器、電容和電阻等模擬電子元件實(shí)現，相對于使用浮點(diǎn)或定點(diǎn)機器實(shí)現的數字濾波器而言靈活性十分有限。盡管模擬濾波器比較便宜、易于建立，模擬濾波器的標定和維護十分困難。要對設計進(jìn)行修改也十分難以實(shí)現。例如，如果后來(lái)發(fā)現需要一個(gè)更高階的濾波器，就必須改動(dòng)硬件實(shí)現新的設計。由于數字濾波器是用軟件建立的，并沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，從而在單一硬件上提供了可以實(shí)現多種應用的靈活平臺。

　　除了虛擬儀器和數字信號處理都發(fā)揮了基于軟件平臺的優(yōu)點(diǎn)，虛擬儀器通過(guò)利用圖形化編程開(kāi)發(fā)環(huán)境NI LabVIEW使得易用性的優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)展，它能夠讓更多人參與到軟件開(kāi)發(fā)和儀器設計中去。LabVIEW不僅提供了完全與傳統的基于文本的編程語(yǔ)言所不同的圖形化編程方式，使得編程過(guò)程變得更加直觀(guān)與方便，同時(shí)還通過(guò)自帶的Mathscript兼容了文本的編程語(yǔ)言，使得用戶(hù)可以兼容已有的算法，或者根據實(shí)際應用來(lái)選擇合適的編程方式。這樣大大節省了需要熟悉編程環(huán)境和語(yǔ)法所需要的大量的時(shí)間。

　　這也是缺乏足夠的設計工具對數字信號處理所產(chǎn)生的影響?對于DSP工程師而言，使用傳統工具實(shí)現基于軟件的解決方案十分痛苦。典型的開(kāi)發(fā)過(guò)程從算法設計開(kāi)始，它需要使用多種數學(xué)建模環(huán)境，這要求對基于文本的命令和語(yǔ)法有著(zhù)足夠的熟悉程度。在完成算法之后，嵌入式系統的實(shí)現帶來(lái)了新的困難。嵌入式系統設計需要對實(shí)時(shí)處理概念、板載內存可用性以及在軟件開(kāi)發(fā)中所需的基于文本的編程語(yǔ)言和語(yǔ)法有深入的知識。

　　在傳統的基于文本的設計工具中，調試又是相當困難的。如果嵌入式系統沒(méi)有能夠按照期望的方式進(jìn)行工作，如何才能找出數學(xué)設計的錯誤如何對應到具體的嵌入式系統代碼呢?例如量化、下溢出和上溢出等關(guān)于定點(diǎn)設計的問(wèn)題很難進(jìn)行跟蹤，因為他們常常在實(shí)時(shí)執行的前幾個(gè)循環(huán)中出現。例如斷點(diǎn)、單步執行、監視可用寄存器和變量等常用的簡(jiǎn)單調試工具是不夠的，因為他們需要用戶(hù)舍棄實(shí)時(shí)執行，這樣也就無(wú)法使得問(wèn)題重現。

　　在最近20年中，來(lái)自成千上萬(wàn)家公司的工程師、科學(xué)家和技術(shù)員通過(guò)使用LabVIEW加速并簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，LabVIEW相比傳統設計工具而言更加強大，更加易于使用。LabVIEW具有通用編程語(yǔ)言所有的廣度和深度，其易用性提高了用戶(hù)效率，縮短了開(kāi)發(fā)應用程序所需的時(shí)間。

　　簡(jiǎn)化DSP設計的參數選擇

　　以數字濾波器設計為例，它是用NI LabVIEW和數字濾波器設計工具包進(jìn)行開(kāi)發(fā)與實(shí)現的。在這個(gè)應用和其他應用中，虛擬儀器方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供了交互性――可以直接看到制定修改設計參數的結果。

　　數字濾波器設計首先要為濾波器類(lèi)型(低通、帶通、帶阻和高通)定義濾波器規范，確定是有限脈沖響應(FIR)或是無(wú)限脈沖響應(IIR)，確定采樣速率以及浮點(diǎn)機器上所需的濾波器響應。圖1給出了用于設計典型濾波器的交互式界面，例如巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫、橢圓、凱塞窗、多爾夫―切比雪夫窗以及等波紋FIR設計方法。圖1所示的設計是8 kHz采樣速率、1 kHz帶通、2 kHz帶阻、60 dB帶阻衰減的低通數字濾波器。在設計這些參數的時(shí)候，可以立刻看到當前設計的幅度響應和零極點(diǎn)圖，以及產(chǎn)生濾波器的階數。在圖1中，選擇了反切比雪夫濾波器因為它具有較好的過(guò)度帶特性和相對較低的濾波器階數。