基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀研究

朱燕

(安康學(xué)院 電子與信息工程系,陜西 安康 725000)

基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀研究

朱燕

(安康學(xué)院 電子與信息工程系,陜西 安康 725000)

為了解決傳統(tǒng)頻譜分析儀功能和使用的局限性,提出了一種基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案,方案采用模塊化編程思想,包括信號(hào)模塊、濾波器模塊、時(shí)域分析模塊和頻域分析模塊。通過(guò)測(cè)試分析,該頻譜分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)時(shí)域和頻域分析的功能,具有界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,便于操作等優(yōu)點(diǎn),能夠被用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

頻譜分析儀；信號(hào)處理；時(shí)域分析；LabVIEW

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)［1］。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［2］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［3-4］。文中設(shè)計(jì)的頻譜分析儀功能框圖如圖1所示。

圖1 頻譜分析儀功能框圖Fig.1 Functional block diagram of spectrum analyzer

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)的噪聲類型。當(dāng)翹板開(kāi)關(guān)亮?xí)r,表示選擇疊加的噪聲類型為均勻白噪聲,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。

圖2 基于LabVIEW的頻譜分析儀前面板Fig.2 Front panel of spectrum analyzer based on LabVIEW

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［5］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。

圖3 基于LabVIEW的頻譜分析儀程序框圖Fig.3 Block diagram of spectrum analyzer based on LabVIEW

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類型為正弦波,幅值為2 V,頻率為15 Hz,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。

圖4 正弦波測(cè)試分析圖Fig.4 Analysis diagram of the sine wave test

2）使用數(shù)據(jù)采集卡［6-7］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。

圖5 正弦波頻域分析圖Fig.5 Analysis diagram of the sine wave in frequency domain

在信號(hào)模塊選擇信號(hào)類型為聲音信號(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。

圖6 聲音信號(hào)頻譜分析圖Fig.6 Analysis diagram of the sound signal in frequency domain

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,而且滿足了測(cè)試效率和精度要求。

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Research of virtual spectrum analyzer based on LabVIEW

ZHU Yan
（Dept.of Electronic and Information Engineering,Ankang University,Ankang 725000，China）

In order to solve the limitations of functions and the use of traditional spectrum analyzer，a spectrum analyzer based on LabVIEW is designed in this paper.The spectrum analyzer design uses the modular programming ideas，including the signal module，filter module，time domain analysis and frequency domain analysis module.Through the test and analysis，the virtual spectrum analyzer designed in this paper can accomplish the analysis function of signal in time domain and frequency domain，which has the advantages of simple design and convenient operation.It can be used for experiment teaching.

spectrum analyzer；the signal processing；time domain analyze；LabVIEW

TM935.1

：A

：1674-6236（2015）18-0180-03

2014-11-23稿件編號(hào)：201411198

朱 燕 （1982—）,女,山東聊城人,碩士,講師。研究方向:寬帶無(wú)線接入、虛擬儀器技術(shù)。