基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计 (1)

绍了以虚拟仪器开发平台LabVIEW为基础的虚拟频谱分析仪的设计方法和设计思想。

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基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟频谱分析仪设计

徐晓彤，王向周，郭建勋，刘春华

（北京理工大学自动控制系，北京，１０００８１）

摘要：介绍了以虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ为基础的虚拟频谱分析仪的设计方法和设计思想。关键词：虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；频谱分析仪

ＴｈｅＶｉｒｔｕａｌＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｓｉｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＢａｓｅｄ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ

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ＬａｂⅥＥＷ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＬａｂＶｌＥＷ；Ｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

０

引言

信号处理是数据采集系统或测试仪器系统设

测量信号在某一瞬时的值，并在Ａ／Ｄ转换过程中保持信号不变，即实现信号的时间离散化。最后Ａ／Ｄ转换器将输入的模拟量转化为数字量输出。６０６２Ｅ

计和分析的一个重要组成部分，几乎涉及到所有的工程领域，而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。传统频谱分析仪器价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员携带用于现场操作。基于ＬａｂＶＩＥｗ的虚拟频谱分析仪改变了这种状况，用软件代替硬件的设计思路使工程人员可以方便携带进行现场数据采集、处理与分析。先进、灵活、强大的数字信号分析功能是ＬａｂＶＩＥＷ编程环境的主要特点之一，ＬａｂＶＩＥＷ有能力解决复杂的数字信号分析与处理问题。

采集卡的采样频率最大可以达到５００脚／ｓ。

ＰＣＩ．６０２４Ｅ使用的是系统定时控制器，控制器包括三个定时部分，模拟量输入，模拟量输出，以及一般的定时计数器。在使用之前，必须对ＤＡＱ卡的硬件进行配置，这些控制程序用到了相应的低层ＤＡＱ驱动程序。

信号

—◆

调理

数

１虚拟频谱分析仪的组成结构

虚拟频谱分析仪是由计算机（含ＬａｂＶＩＥＷ应用平台）、数据采集卡以及信号调理电路（传感器、小信号调理放大、滤波电路等）组成的（如图ｌ所

输入

电路

◆

据采集

卡

◆

计信与算号显机分示析。处理

图ｌ

示）。其中数据采集卡选取的是ＮＩ公司生产的

ＰＣＩ．６０２４Ｅ。它是一个具有模拟、数字以及定时Ｉ／ｏ等多功能的数据采集卡，它主要由一个１２位的Ａ／Ｄ转换器、两个１２位的Ｄ／Ａ转换器、８信道的ＴＴＬ

２虚拟频谱分析仪的功能

一台频谱分析仪最主要的功能自然是进行频谱分析。本文设计的虚拟频谱分析仪所具有的功能是进行傅立叶变换，自功率谱分析，互功率谱分析。同时该虚拟频谱分析仪还具有加窗函数，数据存储与回放的辅助功能。下面先介绍一下频谱分析仪的理论知识以便大家更好的了解虚拟频谱分析仪。

２．１

电平数字Ｉ／Ｏ以及两个２４位的计数／定时器组成。支持双极性的模拟信号输入，分辨率１２ｂｉｔｓ，采样

频率是２００ｋｓ／ｓ，两路模拟量输出通道，分辨率是１２ｂｉｔｓ，双极性输出电压范围是正负１０伏。采集卡中的多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多路信号的分时采集。采样／保持器取出

收稿日期：２００４．０８．３０

作者简介：徐晓彤，北京理工大学自动控制系２００２级硕士．

频谱分析与ＦＦＴ

信号的频域分析或者说频谱分析，就是研究信

号的频率结构，求取各频率分量的幅值，相位按频

【３４０】第２６卷增刊２００４—０９

绍了以虚拟仪器开发平台LabVIEW为基础的虚拟频谱分析仪的设计方法和设计思想。

骞、Ｉ违止匐秒。匕

率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种“谱”。傅立叶变换将时域信号与频域信号联系了起来。一些在时域中难以分析的信号，在频域中它的特征可以看的一目了然。

连续时间信号ｘ（，）的傅立叶变换定义为

Ｘ（ｗ）＝Ｉ

ｘＯ×吖州ｄｔ

且有

ｘ（ｆ）＝三ｆＸ（ｗ）ｅｊｗ‘ｄｗ

２１ｒ二

Ｘ（ｗ）称为ｘ（，）的傅立叶变换，而ｘ（ｆ）成为Ｘ（ｗ）得傅立叶反变换。如果Ｘ（ｗ）是确定的，则称其为ｘ（，）的频谱。计算机只能处理离散且是有限

长度的数据。但是实际信号的长度可能是有限的也可能是无限的。若ｘ∽）为有限长序列，则令其长度

为Ｎ：若ｘ（ｎ）无限长序列，则可用窗函数进行截断，

截成Ｎ点序列。离散傅立叶变换定义为

ｘ（尼）：艺ｘ（门ｙ一．，等威其中ｋ：０’ｌ，…，Ｎ．１

反变换定义为ｘ（刀）＝专篆ｘ（尼）ｚ／警腑

其实，离散傅立叶变换（ＤＦＴ）运算中包含大

量的重复运算，充分利用这一特点可以简化ＤＦｒ

的运算。于是出现了快速傅立叶变换（ＦＦＴ）。在ＬａｂＶＩＥＷ中有相应的模块进行快速傅立叶变换。

２．２功率谱分析

一个信号既可以从时域描述，也可以从频域描述，这两种描述是唯一对应的。功率谱分析提供信号的频域信息，表示信号的功率沿频率轴的分布。

２．２．１

自功率谱

信号ｘ（ｒ）的自功率谱密度定义为其自相关函数

的傅立叶变换，

实际中，信号谱密度算式为

或（ｋ）＝ＮＩＸ（ｋ）１２其中ｘ（尼）是采样序列的傅立

叶变换。

ＬａｂＶＩＥｗ中的算式为或（ｋ）＝嘉ｌｘｅ）１２

２．２．２互功率谱密度

对于Ｎ点的离散序列ｘ（ｎ），ｙ（ｎ），设其傅立叶变换为Ｚ（七），Ｙ（ｋ），ＬａｂＶＩＥＷ中使用的算式为

咖）＝专瞰）懈）ｌｏ

３虚拟频谱分析仪前面板设计

虚拟频谱分析仪的前面板如图２所示，前面板中包括了频谱显示口、通道选择、采样参数设置、频谱分析开关、数据存储开关、数据回放开关、频谱分析参数及窗函数的设置。其中窗函数的设计就是在信号的各种谱分析之前对信号加窗。在实际的信号采样过程中，即使非常仔细地改进采样方法和采样条件，也只能得到有限的信号信息。而且，对于时域离散系统，有限的采样点数会导致还原出来的波形失真，频谱特性与原始的时域连续信号不同，这种不连续会引起频谱信息丢失，进而导致失真。改进频谱特性的一个简单方法就是使用平滑窗

口函数，其中值得注意的问题是当信号是无限长序列是需要进行截断的，进行窗函数截断时窗以外的时域信息全部丢失，导致频域内频率分量的增加，这种现象被称之为泄漏。可以用平滑窗口函数将采集波形的过渡段最小化，从而减少频谱的丢失。实际上平滑窗口的作用类似于一个窄带低通滤波器，这种方法被称为加窗（ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ）的技术，它可以减少频谱泄漏。频谱泄漏的总量取决于中断的大小，中断越大，泄漏越多，反之亦然。可以用加窗的方法减小每个周期边界处的中断，即将时域采样点和某个固定长度的窗口相乘，这个窗口在边界平滑衰减到０。比较常用的窗函数分别有：矩形窗、汉宁窗（ｈａｒｍｉｎｇｗｉｎｄｏｗ）、汉明窗（ｈａｍｍｉｎｇｗｉｎｄｏｗ） …… 此处隐藏：3409字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……