基于虚拟仪器的频谱分析仪设计

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【摘要】本文针对传统频谱分析仪功能无法扩展，维修不便等缺点，提出一种基于虚拟仪器的频谱分析仪设计方案，对不同频谱分析的功能需求可通过修改软件程序来实现。利用LabVIEW编写系统的软件程序，具有信号发生与调理、频谱分析、波形存储与调用等功能。仿真测试结果显示，所设计的软件系统可实现信号的多种频谱分析功能，并具有可扩展性，有实际应用价值。

【关键词】虚拟仪器；频谱分析；LabVIEW

1.引言

作为一种信号分析工具，频谱分析仪主要用于观察、测量、记录各类信号，并把信号的频率与幅度关系用图形方式显示。频谱分析仪直观的图形显示效果有助于对被测信号的理解，被广泛用于电子产品的研发、生产和试验[1]。传统的频谱分析仪功能固定，不利于扩展与兼容[2][3]。虚拟仪器是以计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统[3][4]，在计算机虚拟面板上实现仪器控制和测量结果显示，信号的分析、处理及存储等功能都通过软件实现，这有利于用户对仪器的使用、维护、功能扩展。LabVIEW作为虚拟仪器的一种软件开发平台，采用图形化编程语言，具有快速、易于编程、较短的开发周期等优点。本设计采用虚拟仪器思想，利用LabVIEW编写系统的软件程序，实现信号频谱分析功能。

2.系统总体设计

虚拟频谱分析仪主要由被测设备（被测信号）、检测装置、数据采集卡、计算机和LabVIEW软件系统构成。被测设备的信号由检测装置检测后经由数据采集卡实现A/D转换输入PC，由架构于计算机上的软件系统实现相应频谱分析功能。本文主要阐述虚拟频谱分析仪的软件系统，被测信号由设计的仿真信号代替。系统的软件结构如图1所示。

3.系统界面设计

系统界面由信号发生与调理、频谱分析、波形存储与调用三部分组成。各界面之间可互相切换。工作时，信号发生器输出仿真信号，经由滤波器滤波及加窗处理后送入频谱分析模块进行频谱分析，频谱分析的波形可由数据存储模块保存，同时还可对保存的波形及数据进行读取和显示。

3.1 信号发生与调理界面

信号发生与调理界面用来设置仿真信号参数，并通过选择适当的滤波类型观测不同信号的滤波效果，为防止频谱泄露，还设计了加窗处理功能。信号类型的下拉菜单中可选择基本信号类型，如正弦波、三角波、方波、锯齿波等，同时信号的幅值、频率、相位、偏移量的大小均可进行调整。为了模拟实际信号，设计了对仿真信号叠加噪声功能。图2界面中基本函数发生器波形显示的是叠加均匀白噪声波形，叠加波形显示的是两路信号叠加后波形。

信号调理主要有IIR滤波、FIR滤波、加窗处理三个功能。IIR滤波有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器选项，均有低通、高通、带通、带阻等滤波器类型及相应参数可选，采样频率fs、高截止频率fh、低截止频率fl可调。加窗处理中的窗函数有三角窗、高斯窗、矩形窗、汉宁窗等选项。不同的信号需采取不同的滤波方式和加窗函数，从而使信号的频谱分析结果更为准确。

3.2 频谱分析界面

频谱分析界面如图3所示，主要可显示FFT幅度相位谱分析、功率谱分析、谐波分析、自相关分析、互相关分析等波形。FFT幅度相位谱分析中，还可选择适当窗函数，幅度谱可显示为dB（F），相位谱可显示展开相位（F）、转换为度（F）等方式。谐波分析可检测基频、各次谐波与谐波失真度THD的值，并选择导出模式。功率谱分析可检测频率峰值，功率峰值。

3.3 波形存储与调用显示界面

波形存储与调用显示界面如图4所示，存储波形数据时，点击相应功能按钮，输入文件路径，就可以把频谱分析的波形数据保存在文件夹中。调用显示时，输入文件路径，点击输出按钮，就能够读取所存储的波形。

4.系统程序设计

4.1 信号发生器和信号调理VI设计

（1）滤波模块

被测信号通常包含有噪声等干扰信号，影响信号的分析处理。因此，需进行信号调理才能对信号准确分析。滤波就是根据有用信号与噪声信号的频带不同，允许某一频段的信号通过，同时极大衰减无用的频带信号且阻止其通过，达到消除或减弱噪声并提取有用信号的目的。滤波器可分为带通、带阻、高通、低通等类型。根据冲击响应，可将数字滤波器分为有限冲击响应（FIR）滤波器和无限冲击响应（IIR）滤波器[5]。

LabVIEW提供的IIR滤波器类型主要有巴特沃斯滤波器和契比雪夫滤波器，FIR滤波器分为等纹波带通、等纹波带阻、等纹波高通、等纹波低通等结构。

（2）加窗模块

对实际信号采样时，只能得到有限的信号信息。当信号是无限长序列时，要利用窗函数截断，这会丢失窗以外的全部时域信息，使得频域内频率分量增加，称频谱泄漏。采用平滑窗口函数可将信号采集的过渡段最小化，减少频谱泄漏，这种方法称为加窗。

LabVIEW提供了多种窗函数，不同的窗函数类型适用不同条件，需根据需求与输入波形的特点选择合适的窗函数，这有益于对信号正确分析。仿真信号是利用LabVIEW中的基本函数发生器和均匀白噪声VI实现，创建其幅值、相位、频率、偏移量输入控件，采用条件结构，在分支选择器上添加开关按钮，条件为真时叠加噪声或两路信号叠加。

滤波及加窗程序如图5所示，滤波模块中，把滤波器类型、采用频率、高低截止频率均设置成输入形式，并可利用下拉菜单进行选择，采用条件结构，IIR滤波的分支选择器采用滑动开关，FIR滤波的分支选择器采用开关按钮，当条件为真时实现IIR滤波或FIR滤波。加窗处理程序采用条件结构，在每个分支都分别添加一种窗函数，在分支选择器上添加文本下拉列表，实现信号的加窗处理。

4.2 频谱分析VI设计

信号的频谱分析，就是研究不同频率时信号的各频率分量的幅值，相位的分布规律，同时建立以频率为横轴的各种“谱”[6]。

（1）FFT幅相谱分析。

傅立叶变换可以把时域信号转换成频域信号进行分析。连续时间信号f（t）的傅立叶变换定义为：

（1）

称为f（t）的傅立叶变换，如果是确定的，则称其为f（t）的频谱，它的幅度称为幅度谱，它的相位角称为相位谱[7]。计算机只能处理有限长度的离散数据，N为有限长序列x（n）长度或无限长序列x（n）用窗函数截断序列的点数。离散傅立叶变换（DFT）定义为：

（2）

DFT运算中包含大量的重复运算，利用快速傅立叶变换（FFT）可以简化运算。在LABVIEW中的FFT幅度-相位谱分析VI可进行快速傅立叶变换。

（2）谐波分析

当一个单频信号通过一个非线性系统时，系统的输出包含了输入信号的频率和各次谐波分量，谐波的数量及相应幅值大小由系统的非线性程度决定[6]。谐波失真被用来分析一个系统引入非线性失真的大小，总的谐波失真度（THD）公式为：

（3）

式中，A1为基波幅值，Ai（i=2，3，……N）为第i次谐波幅值。利用谐波失真分析VI可对信号进行完整的谐波分析，包括测定基波和谐波以及总的谐波失真度（THD）。

（3）功率谱分析

功率谱分析方法适用于具有随机性质时间序列的谱分析。功率谱密度反映单位频带内随机信号功率随频率的变换情况[7]。功率谱密度乘以频率分辨率就是功率谱。

LabVIEW使用功率及频率估计VI，能够求解功率谱的峰值其对应的频率，功率谱计算公式：

（4）

式中，N为信号的采样序列点数，X（k）为采样序列的傅里叶变换。

（4）自相关分析

自相关函数可用来检验有噪声干扰的信号中是否含有周期成分。信号x（t）的自相关函数定义式：

（5）

它描述一个随机过程在相隔t的两个不同时刻取值的相关程度[7]。式中，x（t）为随机过程的一个样本函数，为x（t）时移后的样本函数。当t很大时，自相关函数没有衰减且具有明显的周期性表明随机信号中含有周期成分；当t变大时自相关函数趋近于零则表明随机信号不含周期成分。

（5）互相关分析

互相关函数可分析两个信号的相似程度及最为相似的频率[7]。两个随机信号x（t）和y（t）的互相关函数Rxy（）定义为：

（6）

多数随机过程中，只要x（t）和y（t）没有相同频率的周期成分，则t无穷大时两者是无关的。

频谱分析程序如图6所示，主要有FFT幅度相位谱分析、功率谱分析、谐波分析、自相关、互相关等功能。程序各个模块都使用条件结构，分支选择器都采用开关按钮，当某个按钮按下时就会实现相应分析功能。

4.3 波形存储与调用显示程序设计

本设计选择波形文件保存格式，采用“写入波形至文件”节点实现数据的存储，采用“从文件读取波形波”实现数据的读取。程序如图7所示，采用条件结构，把每个频谱分析的输出波形作为输入信号，存储功能用分支选择器上按钮开关实现，开关按钮设定为：机械动作-单击时触发。在文件路径输入框输入保存数据的路径，调用显示程序由分支选择器上输出按钮开关实现，条件为真时会显示存储波形。限于篇幅所限，图7中只给出了功率谱存储与调用显示的程序，其它部分程序设计原理相似。

5.仿真测试

在图3所示界面，选择方波和正弦波并叠加噪声的信号作为仿真测试信号，参数设置如下：方波的幅值为1V，频率为10Hz，正弦波的幅值为1V，频率为10Hz，同时叠加幅值为1V的均匀白噪声。在滤波功能模块中通过修改滤波类型和截止频率，来实现不同的滤波。由滤波后的波形可看出经过滤波加窗处理后，可有效滤除干扰信号影响，还原真实信号。在图4所示的频谱分析界面，可以显示FFT幅度相位谱分析所得的幅度谱、相位谱，自相关波形，互相关波形，以及谐波分析得到的输出信号频谱波形，输出时域信号波形，检测出的基频为10.09Hz，谐波失真度THD为23.53%，在功率谱分析中，频率峰值为10.0005，功率峰值为1.3088。这与理论分析结果是一致的。在图5所示数据存储与读取界面，以幅度谱存储与读取为例，点击幅度谱存储的开关按钮，在跳出的文件路径中输入“C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼lab＼幅度”，如果之前存在幅度这个文件，则只需点击替代，即可实现幅度谱波形的存储。读取时在文件路径输入C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼lab＼幅度”，点击输出按钮，即可实现对幅度谱波形数据的调用与显示。

6.总结

本文利用虚拟仪器技术，提出一种基于虚拟仪器的频谱分析仪设计方案，设计的虚拟频谱分析仪软件系统界面友好，可对信号进行适当滤波处理还原真实信号，实现多种频谱分析功能，能存储和调用显示数据分析结果，还可根据实际需求通过更改软件对系统功能进行扩展。实际应用中只需配置相应的数据采集装置，把检测信号传送到PC中，通过界面的操作即可实现相应的频谱分析功能。

参考文献

[1]田霖，白凤娥，郭建伟.基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪的设计与实现[J].电子技术，2009，46（5）：26-28.

[2]江伟，袁芳，黄乡生.多功能虚拟数字示波器的设计[J].中国测试技术，2004，30（4）：58-60.

[3]蔡周春，郭丹，周成.基于LabVIEW9.0的虚拟频谱分析仪的设计[J].南京信息工程大学学报，2011，03（5）：456-460.

[4]赵会兵.虚拟仪器技术规范与系统集成[M].北京：清华大学出版社，2003：4-5.

[5]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：189-200.

[6]宋玉杰.基于虚拟仪器的频谱分析研究[D].西华大学，2009.

[7]张小虹.信号与系统[M].北京：西安电子科技大学出版社，2007：64-134.

作者简介：刘华姿（1979―），女，硕士，讲师，现供职于福建工程学院信息科学与工程学院，研究方向：控制理论与控制工程，电力电子。