基于LabVIEW的多功能虛擬頻譜分析儀的設(shè)計

傳統(tǒng)頻譜分析儀器硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，價格昂貴，而且功能和規(guī)模固定、不可進(jìn)行再開發(fā),使其在高校實驗教學(xué)中很難普及。虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，利用計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬件實現(xiàn)信號分析、數(shù)據(jù)處理和顯示等多種功能[1]。本設(shè)計在研究了傳統(tǒng)頻譜分析儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理后，提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的頻譜分析儀設(shè)計方案，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜分析儀的一般功能——幅相譜分析、功率譜分析、頻譜分析，還能實現(xiàn)對信號的時頻分析和倒頻譜分析。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化的構(gòu)建方式，主控制卡和模塊采集卡均插在系統(tǒng)背板上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)即插即用功能，提高了系統(tǒng)的靈活性和儀器的可重構(gòu)性;硬件采用FPGA技術(shù)，使其具有開放性，有利于功能的擴(kuò)展;軟件采用LabVIEW圖形化編程語言，其開發(fā)效率高，可維護(hù)性好，自定義功能強(qiáng)大。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

上層軟件采用LabVIEW語言進(jìn)行編程，通過驅(qū)動把控制命令傳遞到主控制卡上，主控制卡與模塊采集卡通過利用FPGA實現(xiàn)的雙口RAM 保持通信、傳遞命令。采集到的信號數(shù)據(jù)存儲到模塊采集卡的FIFO存儲器中，之后再通過背板總線把數(shù)據(jù)傳送到主控制卡中，主控制卡再把數(shù)據(jù)傳送到上層軟件LabVIEW中，通過LabVIEW編寫程序來實現(xiàn)對信號的分析處理[2]，完成多功能虛擬頻譜分析儀的功能開發(fā)。

2 頻譜分析儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

虛擬頻譜分析儀的硬件部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化，由總線接口通信模塊、信號調(diào)理模塊、觸發(fā)電路模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊四部分構(gòu)成。圖2為硬件設(shè)計原理圖。

(1)總線接口通信模塊：MCU通過利用FPGA實現(xiàn)的雙口RAM與系統(tǒng)總線接口進(jìn)行通信。MCU主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、處理總線發(fā)送過來的命令、控制相應(yīng)的電路單元。

(2)信號調(diào)理模塊：對大信號進(jìn)行衰減、小信號進(jìn)行放大，保證將信號調(diào)整到合適的電壓范圍內(nèi)。由輸入耦合電路、衰減電路、驅(qū)動放大電路等組成，單片機(jī)控制各個功能電路。

(3)觸發(fā)電路模塊：觸發(fā)電路的作用是控制每次信號采集的起始位置，保證用戶能夠觀察到穩(wěn)定的波形，MCU通過控制多路選擇器來選擇觸發(fā)信號源，之后經(jīng)過信號整形電路輸入給FPGA，從而進(jìn)行時序控制[3]。

(4)A/D轉(zhuǎn)換模塊：選用ADI公司的雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9288，每通道最高采樣率為40 MS/s。該模塊是多功能虛擬頻譜分析儀的核心模塊，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放到FPGA內(nèi)部的FIFO中。

3 頻譜分析儀的軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)

本文設(shè)計的虛擬頻譜分析儀結(jié)合虛擬儀器技術(shù),采用模塊化的設(shè)計思想，每個功能模塊實現(xiàn)一個功能分析。首先在前面板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的各項設(shè)置，上層軟件通過調(diào)用DLL(動態(tài)鏈接庫)與系統(tǒng)總線進(jìn)行通信，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過USB總線上傳到上位機(jī)，之后通過LabVIEW軟件編程處理，最后實現(xiàn)頻譜分析儀的功能分析。

3.1 一般功能分析

3.1.1 幅相譜分析

在測量信號的幅值和相位時,主要利用快速傅里葉變換,得出信號的FFT譜,然后根據(jù)FFT譜計算出幅值譜和相位譜[4]。幅相譜定義：假設(shè)x(n)是一個功率有限的輸入，它的傅里葉變換為：

稱X(?棕)為x(n)的頻譜。當(dāng)x(n)為離散信號時，幅值譜的計算公式：

圖3為幅相譜分析程序圖。

3.1.2 功率譜分析

功率譜表示隨機(jī)信號頻域的統(tǒng)計特性,有明顯的物理意義。本文采用直接法，通過對原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行快速傅里葉變換,求得DFT譜后再求功率譜密度[5]。功率譜密度公式為：

式中P(k)為輸出序列的功率譜，X(k)為輸入序列的傅里葉變換;N信號序列的點數(shù)。圖4為功率譜分析程序圖。

3.1.3 頻譜分析

本設(shè)計采用快速傅里葉變換算法來實現(xiàn)信號的頻譜分析。LabVIEW軟件包含F(xiàn)FT控件，調(diào)用該控件對采樣后的離散序列進(jìn)行 FFT即可得到信號的頻譜。當(dāng)用LabVIEW中的實數(shù) FFT 控件對從數(shù)據(jù)采集卡中傳上來的實數(shù)序列進(jìn)行信號處理時，需要保證采樣序列長度是2n;考慮到實數(shù)序列通過FFT控件處理后的幅度是對稱的，僅需對信號進(jìn)行單邊傅里葉變換;需注意直流序列可直接輸出，而交流輸出序列的幅值翻倍后輸出才是最終結(jié)果[6]。圖5為頻譜分析程序圖。