虛擬信號頻譜分析儀的設計

隨著計算機技術的迅速發展，利用軟件進行信號處理技術的應用日益廣泛，已開發的用于虛擬儀器的數字信號處理和圖像處理軟件的功能也日益強大。數字信號處理是指采用數字系統方法對離散的數字序列描述信號進行處理的一種方法，與傳統的模擬信號處理方法相比，它具有高度的穩定性、靈活性、精確性，能實現高精度和大動態范圍的信號分析，因此具有顯著的優越性。而數字信號處理方法的運用又是虛擬儀器平臺測控系統的重要組成部分。由于NI公司的LabVIEW包含有信號分析和處理函數庫部分。因此，利用LabVIEW提供的信號分析函數庫，配合已開發的數字示波器即可實現虛擬信號頻譜分析儀的信號處理功能，其信號的分析側重于對信號頻譜的分析以及濾波處理。

　　1? 系統整體設計方案

　　本設計的虛擬頻譜分析儀即可以對虛擬信號發生器所產生的信號進行頻譜分析。也可以對通過信號調理器，基于PCI總線的DAQ卡組成的采集系統所采集到的外部信號進行頻譜分析。其中，在對外部信號進行頻譜分析時，外界被測信號首先傳送到信號調理電路，且由信號調理電路對它進行放大、濾波、隔離等處理后，再經數據采集卡進行A／D轉換，以將模擬信號轉換為數字信號，然后由軟件對被測試信號進行頻譜分析和處理，最后得到測試結果，并按要求將它們顯示或儲存起來。

　　本文所設計的虛擬頻譜分析儀的前面板圖如圖1所示。這一種虛擬頻譜分析儀能夠提供一個高精度的頻譜分析功能，并且可以同時觀察輸入信號的頻域顯示。但該虛擬頻譜分析儀受數據采集卡采樣速率的限制，其頻率范圍僅為0～50kHz，用戶可以通過改變采樣速率和數據長度來選擇頻率分辨率。在虛擬頻譜分析儀的設計中可以通過程序直接讀出基波頻率和峰值大小，并將它們顯示在面板上，用戶參考這個值可以手動調整采樣速率的大小和顯示圖形中X、Y軸的坐標來觀察所需要的頻譜圖，因此操作更加直觀、簡便。信號頻譜分析儀的主要數據處理工作就是對待分析信號進行傅立葉變換，然后分析其頻譜特性，并顯示計算結果。

　　2虛擬頻譜分析儀的軟件設計

　　虛擬頻譜分析儀的軟件結構如圖2所示。

　　2.1數據采集模塊

　　數據采集模塊采用子VI AI Acquire Waveform.vi來控制PCI-1200數據采集卡進行數據采集操作，并對采集進來的數據進行頻譜分析。參數設置模塊可以設置的參數主要包括：設備與通道，緩沖區大小，采樣點數，觸發控制，掃描率，顯示方式。頻譜分析模塊是由加窗函數模塊、功率譜轉換模塊、功率譜單位轉換模塊、功率頻率峰值檢波子模快組成。

　　2.2加窗函數模塊

　　加窗函數模塊可由Scaled Time Domain Windows.vi模板來完成。該模板有兩個輸入和兩個輸出端。首先從輸入端輸入一個時域信號，再進行窗體類型的選擇，可根據實際情況選擇不加窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、平頂窗等8種窗體，最后輸出一個已加窗的時域信號，這樣便可以減少窗口效應帶來的柵欄效應和泄漏問題。

　　2.3功率譜轉換模塊

　　功率譜轉換模塊的功能是用Auto Power Spectrum.vi模板來實現，該模塊有四個端口，分別是時域信號輸入端，時域間隔dt輸入端，頻域信號輸出端，頻域間隔d瀚出端。該模塊的功能是實現信號由時域向頻域的轉換。

　　2.4功率譜單位轉換模塊

　　功率譜單位轉換模塊的功能是由Spectrum Unit Conversion.vi模板來實現，該模塊有7個輸入端，2個輸出端。輸入端有頻譜類型的選擇，可以選擇功率譜、幅度譜、增益。對數／線性的選擇類型有：線性、dB、dBm。輸出顯示單位選擇可選擇的單位有：有效值、峰峰值、有效值的平方、峰峰值的平方等。輸出端是輸出頻譜和輸出頻譜單位。

　　2.5頻率峰值檢波子模塊

　　頻率峰值檢波子模塊的功能是由Power&Frequency Estimate.vi模板來實現，該模塊有5個輸入端和2個輸出端。輸入端有功率譜輸入、峰值頻率輸入、頻率間隔、以峰值頻率為中心的頻率搜索點數及窗常數。輸出端由頻率峰值輸出和頻率峰值能量輸出組成。該模塊用來求出頻譜的頻率峰值及峰值頻率點的功率估值。

　　2.6顯示模塊

　　顯示模塊可以選擇頻譜曲線顯示或時域信號顯示，還可以根據需要進行線性或對數顯示。

　　2.7諧波峰值點測量模塊

　　通過諧波峰值點測量模塊可讀出一次諧波、二次諧波、三次諧波峰值點的頻率值和功率值。

　　2.8數據讀取存儲模塊

　　數據讀取存儲模塊的功能是利用LabVIEW中豐富的文件操作函數庫，采用數據表文件方式對實驗數據進行讀寫操作。此頻譜分析儀也可以通過用Web來發布HTML文件的方式使本地或遠程計算機瀏覽到該頻譜分析儀的程序面板，從而實現系統的遠程監控功能。

　　組建好的各功能模塊按照程序的流程加上必要的控件和指示器，就可以形成一個功能完善的虛擬信號頻譜分析儀系統，圖3給出了這個虛擬信號頻譜分析儀的程序圖。

　　3? 結束語

　　美國國家一起公司開發的LabVIEW圖形化實驗室虛擬儀器工程平臺，以其強大的功能可為虛擬儀器的開發提供一個理想的平臺，本文借助于LabVIEW開發平臺設計了適合高校實驗教學的虛擬信號頻譜分析儀。