基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀研究

在高校實(shí)驗教學(xué)中，普遍使用傳統頻譜分析儀對信號進(jìn)行頻域分析和測量。傳統頻譜分析儀一般由信號采集和控制、分析與處理、結果表達與輸出這3大功能模塊構成，而這些模塊只能由廠(chǎng)家來(lái)制造定義，具有功能固定化、靈活性差并且開(kāi)發(fā)周期相對比較長(cháng)的缺點(diǎn)。在計算機技術(shù)與電子科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，虛擬頻譜分析儀兼顧了虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，具有虛擬儀器的便捷性和靈活性，可以解決傳統頻譜分析儀靈活性差及攜帶不方便的缺點(diǎn)。設計的虛擬頻譜分析儀通過(guò)對輸入被測量信號的處理，能達到對信號進(jìn)行頻域分析的目的。

1 頻譜分析儀功能需求分析

虛擬頻譜分析儀應具有對仿真信號、聲音信號、外部采集信號進(jìn)行時(shí)域和頻域分析的功能。時(shí)域分析包括測量時(shí)域波形，計算均值、方差、均方根值等參數。頻域分析通過(guò)對信號進(jìn)行傅立葉變換，使用相關(guān)頻譜測量VI測量并顯示信號的幅度譜，功率譜以及相位譜。文中設計的頻譜分析儀功能框圖如圖1所示。

2 頻譜分析儀前面板設計

虛擬頻譜分析儀前面板如圖2所示，主要由信號參數設置模塊、濾波器參數設置模塊、波形顯示模塊、數值輸出模塊和開(kāi)關(guān)控制模塊組成。信號參數設置模塊包含各信號的類(lèi)型、幅值、頻率、相位等參數設置控件。濾波器參數設置模塊用來(lái)調節濾波器的截止頻率。波形顯示模塊使用6個(gè)波形圖來(lái)分別顯示時(shí)域和頻域分析結果，頻域分析結果包括信號的幅度譜、功率譜和相位譜。數值輸出模塊用來(lái)顯示信號的均值、方差和均方根值大小。開(kāi)關(guān)控制模塊包含1個(gè)翹板開(kāi)關(guān)和1個(gè)停止按鈕，翹板開(kāi)關(guān)通過(guò)控制條件結構來(lái)選擇合成仿真信號的噪聲類(lèi)型。當翹板開(kāi)關(guān)亮時(shí)，表示選擇疊加的噪聲類(lèi)型為均勻白噪聲，滅則表示選擇疊加基本信號。程序運行時(shí)，可以通過(guò)單擊翹板開(kāi)關(guān)使其亮滅來(lái)選擇條件結構中真假分支對應的信號類(lèi)型，亮表示選擇“真”，滅表示選擇“假”。停止按鈕存在于循環(huán)結構中，單擊停止，程序停止運行。

3 頻譜分析儀程序框圖設計

與前面板對應的頻譜分析儀的程序框圖主要由信號模塊、濾波器模塊、時(shí)域分析模塊和頻域分析模塊組成。程序框圖設計中使用執行過(guò)程控制面板中的條件結構VI，可以方便地選擇信號的類(lèi)型，將整個(gè)過(guò)程置放于循環(huán)結構中，保證程序的連續運行。

3.1 信號模塊設計

信號模塊包含單頻信號、仿真信號、聲音采集信號以及從通過(guò)數據采集卡從外部采集得到的信號;信號模塊使用條件結構VI，條件結構包含4個(gè)分支，分別是單頻信號、仿真信號、聲音信號和外部采集;噪聲選擇結構包含真假2個(gè)分支，真分支代表均勻白噪聲，假分支代表基本函數發(fā)生器。條件結構的選擇器值分別使用翹板開(kāi)關(guān)和枚舉型數值輸入控件來(lái)控制，翹板開(kāi)關(guān)亮表示選擇條件結構的“真”分支，滅選則“假”分支。仿真信號包含兩個(gè)分支，用基本單頻信號疊加或基本單頻信號與噪聲來(lái)實(shí)現。程序運行時(shí)，在選擇器值中可分別選擇單頻信號、仿真信號或者聲音采集信號。

3.2 濾波器模塊

濾波器模塊是在頻譜分析之前對加噪信號進(jìn)行濾波處理，使輸出信號中存在的干擾噪聲盡量減小，提高頻譜測量的精準度。該模塊包含低通、高通、帶通和帶阻濾波器;濾波器模塊使用條件選擇VI，包含3個(gè)分支，每個(gè)分支代表一種類(lèi)型濾波器，分別是低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器。程序運行時(shí)，可通過(guò)選擇前面板上濾波器控件選擇濾波器類(lèi)型。

3.3 時(shí)域分析模塊設計

時(shí)域分析模塊能夠實(shí)時(shí)測量信號的時(shí)域波形，并且通過(guò)使用LabVIEW中的均值、方差、均方根值函數來(lái)計算信號特征值。

3.4 頻域分析模塊設計

頻域分析模塊通過(guò)對信號進(jìn)行傅立葉變換，經(jīng)過(guò)數組處理來(lái)得到信號的頻域特性，包括信號的幅度譜、功率譜和相位譜。該模塊包含FFT VI和頻譜測量VI，能夠對時(shí)域離散信號進(jìn)行FFT變換，并通過(guò)測量得到到信號的幅度譜，幅度譜結果以峰值或者均方根形式顯示，直接使用頻譜測量VI，通過(guò)設置所選測量為功率和相位來(lái)分別得到信號的功率譜和相位譜信息。當選擇幅度測量時(shí)候，可以同時(shí)選擇測量信號的相位譜，相位的單位默認為弧度，也可以選擇轉換為度。

程序設計總框圖如圖3所示。

4 測試分析

4.1 信號時(shí)域分析

1)單擊運行，在信號選擇器中選擇單頻信號，在信號參數中設置信號1類(lèi)型為正弦波，幅值為2 V，頻率為15Hz，對正弦波的時(shí)域參數進(jìn)行測量，結果顯示在前面板上，如圖4所示，其中均值、方差、均方根值與理論計算結果相同。

2)使用數據采集卡USB6009借助DAQ助手VI從外部采集信號到LabVIEW中，設置信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形類(lèi)型為正弦波，頻率為15 Hz，幅值為2 V。單擊運行按鈕，信號分析結果與圖4相同。對外部采集信號的分析表明LabVIEW能夠實(shí)現軟件與硬件的通信，體現了LabVIEW強大的硬件兼容優(yōu)勢，也說(shuō)明此次設計虛擬的頻譜分析儀具有功能可擴展性的優(yōu)點(diǎn)。

4.2 信號頻域分析

單擊運行，選擇信號模塊條件結構的單頻信號分支，即選擇基本函數發(fā)生器產(chǎn)生的單頻信號。設置信號1類(lèi)型為正弦波，幅值為3 V，頻率為15 Hz。經(jīng)過(guò)頻域處理模塊分析測量后得到信號的幅值、功率、相位隨頻率分布圖。頻域測量結果如圖5所示。

在信號模塊選擇信號類(lèi)型為聲音信號，通過(guò)聲卡采集鋼琴曲《夢(mèng)中的婚禮》其中一段聲音來(lái)進(jìn)行測試，設置聲音采集VI的通道數量為2、分辨率為16位、持續時(shí)間為1s、采樣率為1 1025 Hz，對該聲音信號進(jìn)行濾波，設置濾波器類(lèi)型為低通濾波器，截止頻率為1500Hz，聲音信號頻域分析的結果如圖6所示。

5 結論

基于LabVIEW圖形化軟件，通過(guò)設置各個(gè)模塊的參數，本文設計的虛擬頻譜分析儀能夠完成對仿真信號、音頻信號以及其它信號的采集、濾波、并能測量信號的時(shí)域波形圖、計算信號的特征值，并且能夠對信號進(jìn)行傅立葉變換、分析信號的頻譜特性，達到了對信號時(shí)域和頻域進(jìn)行測量分析的目的，完成了設計任務(wù)的要求，改善了硬件的信號頻譜分析儀的功能擴展弱點(diǎn)，大大節約了設備成本，而且滿(mǎn)足了測試效率和精度要求。