基于LabVIEW的多功能虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)

3.2 特殊功能的分析

3.2.1時頻分析

傳統(tǒng)的分析方法是信號單獨(dú)在時域或頻域中進(jìn)行分析，而聯(lián)合時頻分析可以同時在時域和頻域中對信號進(jìn)行分析，確定在某一時刻頻率成份的分布情況。

本文利用短時傅里葉變換基本原理進(jìn)行時頻分析，其基本思想是：將信號加窗，加窗后的信號再進(jìn)行傅里葉變換，窗函數(shù)可根據(jù)的位置變化在整個時間軸上平移，利用窗函數(shù)可以得到任意位置附近的時間段頻譜實(shí)現(xiàn)時間局域化，e-jwt起頻限作用，g(t)起時限作用，合在一起可起到時頻雙限作用[7]，其變換公式為：

大致反映了f(t)在時刻子時頻率成分的分布情況。圖6為時頻分析程序圖。

3.2.2 倒頻譜的分析

利用頻譜分析分離和提取密集泛頻信號中成分較為困難，而倒頻譜能夠分析復(fù)雜頻譜圖上的周期成分，尤其在同族頻譜和異族頻譜等復(fù)雜信號的分析中運(yùn)用較多[8]。倒頻譜分析包括實(shí)倒頻譜分析和復(fù)倒頻譜分析這兩類，這里僅介紹實(shí)倒頻譜。

實(shí)倒頻譜就是功率倒頻譜的模，工程中常取功率倒頻譜開方的形式。功率倒頻譜即對功率譜作對數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行傅里葉變換。功率倒頻譜定義：

若時域信號x(t)的功率譜密度函數(shù)為Px(f)，功率倒頻譜為：

Cx(?子)=|F[lg(Px(f))]|2(6)

圖7為倒頻譜程序框圖，倒頻譜分析的優(yōu)點(diǎn)：

(1)倒頻譜中使用了對數(shù)加權(quán)擴(kuò)大頻譜的動態(tài)范圍，提高了再變換的精度，可以把復(fù)雜頻譜中的各種信號頻率成分分開。

(2)去除回波。帶多次回波的原始信號可視為原始信號與一系列沖擊函數(shù)卷積,如果傳遞路徑較近，回波與原始波形疊加會造成原始波形的形狀的混淆,利用倒頻譜可有效地去掉回波[10]。

(3)倒頻譜變換具有較好邊頻信號的檢測能力，可分離各種邊帶頻率。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 濾波

從采集卡獲取的信號在傳輸過程中可能會疊加無用的噪聲信號或干擾信號,為了提取有用信號，在進(jìn)行FFT變換前需進(jìn)行濾波處理。選擇濾波器時需要考慮應(yīng)用的需求。

4.2 去混疊

由于各次諧波的調(diào)制頻譜會相互交疊，出現(xiàn)混疊失真，不能分開和恢復(fù)信號，為了避免采樣信息的丟失，根據(jù)奈奎斯特采樣定律可知，在對連續(xù)信號采樣時必須使采樣頻率大于或者等于信號中含有的最高頻率的兩倍，但為更好地恢復(fù)信號信息，采樣率最好設(shè)置為高于信號最高頻率的5～10倍。

4.3 加窗

在實(shí)際測量中，信號采樣長度有限，局限的信號記錄將產(chǎn)生譜信息的泄漏。本設(shè)計(jì)采用加窗的辦法抑制譜泄漏，加窗就是將原始采樣波形乘以幅度變化平滑且邊緣趨零的有限長度窗來減弱每個周期邊界處信號的不連貫程度。

5 儀器功能測試結(jié)果

虛擬頻譜分析儀選用函數(shù)信號發(fā)生器進(jìn)行功能測試，該信號發(fā)生器可以自行設(shè)置輸入信號的波形類型、頻率及幅值。當(dāng)測試信號是頻率為1 kHz的正弦波時，圖8～圖11分別為頻譜分析圖、功率譜分析圖、幅相圖、時頻分析圖;當(dāng)測試信號是頻率為1 kHz方波時，圖12為其倒頻譜分析圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多功能虛擬頻譜分析儀顯示的信號較穩(wěn)定, 輸出頻譜分量明顯, 與理論計(jì)算值相符。

6 結(jié)論

本文介紹了一款以虛擬儀器為平臺，采用LabVIEW圖形化編程語言和FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀，不僅實(shí)現(xiàn)了一般的頻譜分析儀所具有的功能,而且增強(qiáng)了分析處理能力，其特點(diǎn)如下：

(1)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言,提高了軟件的開發(fā)速度和效率。

(2)硬件采用FPGA技術(shù)，使其具有開放性，提高了系統(tǒng)靈活性，有利于功能的擴(kuò)展，在同樣硬件基礎(chǔ)上，只需更改上層軟件的設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)其他儀器功能，例如：虛擬示波器、頻率計(jì)等。

(3)功能方面不僅能實(shí)現(xiàn)信號的時域分析，還能進(jìn)行時頻聯(lián)合域的分析。