基于LabVIEW的虚拟信号分析仪的设计与研究

贾 锋

（解放军电子工程学院，安徽合肥 230037）

0 引言

随着无线通信和自动识别技术的不断发展，近年来得到广泛应用。实际中在部署应用系统时会存在许多问题，需要对系统间各个终端设备进行协调和测试，因此对信号分析测量的要求越来越高。对信号进行时域测量和频谱分析是信号测量中非常重要的分析手段，通常主要依靠传统的信号分析仪来完成，但这种信号分析仪价格昂贵且移动性差。采用先进的虚拟仪器技术设计的虚拟信号分析仪彻底改变了传统信号分析仪的不足，用软件来代替硬件，用户可以根据具体情况通过修改软件来增加仪器的功能，使仪器功能更加强大，设计更加灵活，有更好的扩充性，节省了开发时间[1]。

本文以LabVIEW8.6为开发平台，设计实现了一个虚拟信号分析仪，该系统可以根据需要产生多种不同的信号，完成了信号分析仪的时域波形测量功能、频谱分析及功率谱测量功能，操作简单，使用方便。

1 虚拟仪器

虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。与传统意义上功能固定的仪器不同，用户可以根据自身需求，灵活地对虚拟仪器进行设计、维护和测试系统的升级。而且，运用LabVIEW可以设计出形象逼真的用户 界面，充分体现了“软件就是仪器” 的虚拟仪器概念[3]。

2 信号分析的方法

信号处理技术包括时域分析和频域分析两部分。时域分析是指研究信号的波形随时间变化的规律；频域分析是指在频域上对信号进行处理、分析和显示。早期的频谱分析仪是将被测信号经过低通滤波器后，有多路分配器分送至并联的一组调谐到不同中心频率上的带通滤波器，滤波器的输出与检波器相连，显示器轮换显示各滤波器的输出。随着电子电路技术的发展，出现了以傅里叶变换为基础的现代频谱分析仪，这类分析仪以电子电路来实现傅里叶变换，信号在时域进行数字化之后，利用DFT/FFT算法求出其频谱，从而实现频谱分析。但是，这类信号分析仪仍然是以硬件电路来实现的传统意义上的频谱分析仪，他们有着自身无法克服的缺点：复杂性、封闭性和昂贵性等。随着计算机技术的发展和普及，虚拟仪器技术应用到信号分析仪中，克服了传统硬件化频谱分析仪自身无法克服的缺点[4]。本文设计的虚拟信号分析仪是利用计算机软件来完成信号的傅里叶变换，进而分析信号的频谱特征。

3 虚拟信号分析仪的设计

3.1 总体设计

本文设计的信号分析仪主要由信号配置模块、时域测量模块、频谱测量模块和功率谱测量模块组成。测量模块所需信号由信号配置模块采用LabVIEW中提供的信号控件来模拟产生，然后进行时域和频域的分析，得到波形的时域测量图和频域的幅频图和相频图。设计框图如图1所示。

根据上述流程图设计的虚拟信号分析仪，完成了上述信号的不同测试功能。图2是完成设计的虚拟信号分析仪的主界面。

图1 虚拟信号分析仪流程图

图2 虚拟信号分析仪界面

3.2 模块设计及功能实现

3.2.1 信号配置模块设计

信号配置模块用于产生系统测试所需的各种信号波形，本系统中设计的该模块提供两种方式生成信号：一种是直接产生简单的基本波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形；另一种方式是采用输入公式的方式生成所需波形。两种方式生成信号波形的幅度、频率、相位可以根据需要很方便地进行调节。根据需要还可以在信号上叠加各种噪声，如高斯白噪声、均匀白噪声、二项分布噪声、泊松噪声、Gamma噪声等，噪声的幅值等参数也可以进行设定。信号配置模块的前面板如图3所示，图中生成信号为叠加了高斯白噪声的方波信号。

图3 信号配置模块界面

3.2.2 信号测量模块设计

信号测量模块包括时域测量模块、频谱测量模块和功率谱测量模块。

时域测量模块主要完成信号时域信息的测量，包括信号的均值、峰峰值、均方根、周期平均、周期均方根等的测量。

功率谱分析模块主要是对信号的功率谱信息的测量，完成对信号的功率谱分析。

频域测量模块主要频是对信号配置模块产生的波形经FFT变换后进行频谱分析，得到信号的幅频图和相频图。利用计算机来对信号做FFT时，只能对有限点进行计算。所以在实际应用中，往往要对信号作截短处理，这将引起窗口效应。一方面会形成频谱泄露，另一方面主谱线两边会形成很多旁瓣，引起不同频率分量间的干扰。为了尽量减少泄露，就需要具有旁瓣小、主瓣窄的窗函数[5-6]。

在设计中，为系统的频谱测量模块和功率谱测量模块提供对信号添加窗函数的处理功能，根据实际需要可以选择如Hanning窗、矩形窗、Hamming窗、三角窗等19种窗函数，以减少窗口效应带来的栅栏效应和泄漏问题[7]。频谱测量模块和功率谱测量模块还支持将多次计算的结果进行平均处理。用户可以自己设定平均模式、加权模式以及平均次数等参数。在进行测量结果显示时，可以选择线性或者dB模式显示测量结果。频谱测量模块还可以对相位进行展开和转换为度的处理。图5所示为加入高斯白噪声的方波经Hanning窗函数，通过FFT变换后由频谱测量模块处理得到的幅频图和相频图。图6是以dB模式显示的该信号的功率谱测量情况界面。

图4 频谱测量界面

图5 功率谱模块测量界面

4 结束语

本文采用LabVIEW设计的虚拟信号分析仪，利用计算机平台强大的运算处理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示等方面的限制，具有很强的扩展性和简单友好的操作交互界面，测试结果与理论计算结果相符合。基于图形化编程语言的LabVIEW软件以其简单、直观、高效率的特点，为用户提供了一个实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。事实证明，应用此技术使我们能够在计算机上按自己需求设计仪器，方便灵活且开发周期短，对于自动测试系统的开发具有普遍借鉴意义。

[1]王磊,陶梅.精通Labview8.0[M].北京:电子工业出版社,2007.

[2]雷振山.LabVIEW 7 Express 实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[3]江伟,袁芳.虚拟频谱分析仪的设计[J].微计算机信息,2007,23(10-1):127-128.

[4]李江全,刘恩博.LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[5]吴宏钢,秦树人.基于DSP 技术的虚拟式FFT频谱分析仪[J].重庆大学学报,2004,27(7):21-23.

[6]胡容,范寿康.虚拟频谱分析仪的设计与研究[J].电子质量,2009(3):28-30.

[7]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[8]朱红林,刘武.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计[J].电子工程师,2006,32(11):17-19.