基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀研究

在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，普遍使用傳統(tǒng)頻譜分析儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析和測(cè)量。傳統(tǒng)頻譜分析儀一般由信號(hào)采集和控制、分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出這3大功能模塊構(gòu)成，而這些模塊只能由廠家來(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(duì)比較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)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(tǒng)頻譜分析儀靈活性差及攜帶不方便的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀通過(guò)對(duì)輸入被測(cè)量信號(hào)的處理，能達(dá)到對(duì)信號(hào)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(yīng)具有對(duì)仿真信號(hào)、聲音信號(hào)、外部采集信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析的功能。時(shí)域分析包括測(cè)量時(shí)域波形，計(jì)算均值、方差、均方根值等參數(shù)。頻域分析通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，使用相關(guān)頻譜測(cè)量VI測(cè)量并顯示信號(hào)的幅度譜，功率譜以及相位譜。文中設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

虛擬頻譜分析儀前面板如圖2所示，主要由信號(hào)參數(shù)設(shè)置模塊、濾波器參數(shù)設(shè)置模塊、波形顯示模塊、數(shù)值輸出模塊和開(kāi)關(guān)控制模塊組成。信號(hào)參數(shù)設(shè)置模塊包含各信號(hào)的類(lèi)型、幅值、頻率、相位等參數(shù)設(shè)置控件。濾波器參數(shù)設(shè)置模塊用來(lái)調(diào)節(jié)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(jié)果，頻域分析結(jié)果包括信號(hào)的幅度譜、功率譜和相位譜。數(shù)值輸出模塊用來(lái)顯示信號(hào)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(jié)構(gòu)來(lái)選擇合成仿真信號(hào)的噪聲類(lèi)型。當(dāng)翹板開(kāi)關(guān)亮?xí)r，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(hào)。程序運(yùn)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(jié)構(gòu)中真假分支對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(jié)構(gòu)中，單擊停止，程序停止運(yùn)行。

3 頻譜分析儀程序框圖設(shè)計(jì)

與前面板對(duì)應(yīng)的頻譜分析儀的程序框圖主要由信號(hào)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(shè)計(jì)中使用執(zhí)行過(guò)程控制面板中的條件結(jié)構(gòu)VI，可以方便地選擇信號(hào)的類(lèi)型，將整個(gè)過(guò)程置放于循環(huán)結(jié)構(gòu)中，保證程序的連續(xù)運(yùn)行。

3.1 信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)模塊包含單頻信號(hào)、仿真信號(hào)、聲音采集信號(hào)以及從通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡從外部采集得到的信號(hào);信號(hào)模塊使用條件結(jié)構(gòu)VI，條件結(jié)構(gòu)包含4個(gè)分支，分別是單頻信號(hào)、仿真信號(hào)、聲音信號(hào)和外部采集;噪聲選擇結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)生器。條件結(jié)構(gòu)的選擇器值分別使用翹板開(kāi)關(guān)和枚舉型數(shù)值輸入控件來(lái)控制，翹板開(kāi)關(guān)亮表示選擇條件結(jié)構(gòu)的“真”分支，滅選則“假”分支。仿真信號(hào)包含兩個(gè)分支，用基本單頻信號(hào)疊加或基本單頻信號(hào)與噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序運(yùn)行時(shí)，在選擇器值中可分別選擇單頻信號(hào)、仿真信號(hào)或者聲音采集信號(hào)。

3.2 濾波器模塊

濾波器模塊是在頻譜分析之前對(duì)加噪信號(hào)進(jìn)行濾波處理，使輸出信號(hào)中存在的干擾噪聲盡量減小，提高頻譜測(cè)量的精準(zhǔn)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(yùn)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(shè)計(jì)

時(shí)域分析模塊能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量信號(hào)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(shù)來(lái)計(jì)算信號(hào)特征值。

3.4 頻域分析模塊設(shè)計(jì)

頻域分析模塊通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，經(jīng)過(guò)數(shù)組處理來(lái)得到信號(hào)的頻域特性，包括信號(hào)的幅度譜、功率譜和相位譜。該模塊包含F(xiàn)FT VI和頻譜測(cè)量VI，能夠?qū)r(shí)域離散信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并通過(guò)測(cè)量得到到信號(hào)的幅度譜，幅度譜結(jié)果以峰值或者均方根形式顯示，直接使用頻譜測(cè)量VI，通過(guò)設(shè)置所選測(cè)量為功率和相位來(lái)分別得到信號(hào)的功率譜和相位譜信息。當(dāng)選擇幅度測(cè)量時(shí)候，可以同時(shí)選擇測(cè)量信號(hào)的相位譜，相位的單位默認(rèn)為弧度，也可以選擇轉(zhuǎn)換為度。

程序設(shè)計(jì)總框圖如圖3所示。

4 測(cè)試分析

4.1 信號(hào)時(shí)域分析

1)單擊運(yùn)行，在信號(hào)選擇器中選擇單頻信號(hào)，在信號(hào)參數(shù)中設(shè)置信號(hào)1類(lèi)型為正弦波，幅值為2 V，頻率為15Hz，對(duì)正弦波的時(shí)域參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)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(jì)算結(jié)果相同。

2)使用數(shù)據(jù)采集卡USB6009借助DAQ助手VI從外部采集信號(hào)到LabVIEW中，設(shè)置信號(hào)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(yùn)行按鈕，信號(hào)分析結(jié)果與圖4相同。對(duì)外部采集信號(hào)的分析表明LabVIEW能夠?qū)崿F(xiàn)軟件與硬件的通信，體現(xiàn)了LabVIEW強(qiáng)大的硬件兼容優(yōu)勢(shì)，也說(shuō)明此次設(shè)計(jì)虛擬的頻譜分析儀具有功能可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)。

4.2 信號(hào)頻域分析

單擊運(yùn)行，選擇信號(hào)模塊條件結(jié)構(gòu)的單頻信號(hào)分支，即選擇基本函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的單頻信號(hào)。設(shè)置信號(hào)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(cè)量后得到信號(hào)的幅值、功率、相位隨頻率分布圖。頻域測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

在信號(hào)模塊選擇信號(hào)類(lèi)型為聲音信號(hào)，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(cè)試，設(shè)置聲音采集VI的通道數(shù)量為2、分辨率為16位、持續(xù)時(shí)間為1s、采樣率為1 1025 Hz，對(duì)該聲音信號(hào)進(jìn)行濾波，設(shè)置濾波器類(lèi)型為低通濾波器，截止頻率為1500Hz，聲音信號(hào)頻域分析的結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論

基于LabVIEW圖形化軟件，通過(guò)設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，本文設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀能夠完成對(duì)仿真信號(hào)、音頻信號(hào)以及其它信號(hào)的采集、濾波、并能測(cè)量信號(hào)的時(shí)域波形圖、計(jì)算信號(hào)的特征值，并且能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行傅立葉變換、分析信號(hào)的頻譜特性，達(dá)到了對(duì)信號(hào)時(shí)域和頻域進(jìn)行測(cè)量分析的目的，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，改善了硬件的信號(hào)頻譜分析儀的功能擴(kuò)展弱點(diǎn)，大大節(jié)約了設(shè)備成本，而且滿(mǎn)足了測(cè)試效率和精度要求。