基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪
基于labview的频谱分析
摘要信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域,而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。
一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成,价格昂贵,体积庞大,不便于工程技术人员的携带。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件。
使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
关键字：Labview；信号处理；频谱分析。
目录1 目的及基本要求 12 频谱分析仪程序设计原理 13频谱分析仪设计和仿真 23.1 总体程序设计 23.2各功能模块详细设计 83.3 程序存在的不足 114 结果及性能分析 124.1 运行结果 124.2性能分析 13参考文献 141 目的及基本要求熟悉LabVIEW开发环境，掌握基于LabVIEW的虚拟仪器原理、设计方法和实现技巧，运用专业课程中的基本理论和实践知识，采用LabVIEW开发工具,实现梦幻钢琴程序游戏的设计和仿真。
要求通过本课程设计使学生熟悉LabVIEW开发环境，掌握基于LabVIEW的虚拟仪器设计原理、设计方法和实现技巧，使学生掌握通信系统设计和仿真工具，为毕业设计做准备，为将来的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。
利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，可实现基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪功能，采用数字方法直接由模拟／转换器(ADC)数字对输进信号取样，再经滤波，加窗函数处理后获得频谱图。
2频谱分析仪设计原理采用数字处理式频谱分析原理设计虚拟频谱分析仪.工作流程如下:连续时间信号经过采样变为离散时间信号,利用LabVIEW强大的数字信号处理功能,对数据进行滤波、加窗、FFT运算处理,得到信号的幅度谱、相位谱及功率谱等. 采样过程中,对不同的频率信号,选用合适的采样速率,以满足采样定理,防止频率混叠.进行傅里叶变换的数据在理论上应为无限长的离散数据序列.实际上,只能对有限长的信号进行分析与处理,所以必须对无限长的离散序列进行截断,只取采样时间内的有限数据,从而存在着频谱泄漏问题.本文设计中分别用矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布来克曼窗等窗函数减少频谱泄漏.由于取样信号中混叠噪声信号,因此为了消除干扰,在进行FFT变换前,应先进行滤波处理.本文设计采用巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆(Ellipse)、贝塞尔(Bessel)等滤波器进行滤波.3 频谱分析仪设计与仿真3.1总体程序设计本文设计的虚拟频谱分析仪由周期性信号发生器和频谱分析器两个子模块组成。
基于LabVIEW9.0的虚拟频谱分析仪的设计
扩 展性 ， 价 比高 ， 以方便 地 与 其 他设 备 互 联 ， 能 可 编 程 Ｊ虚 拟 性 可 功 ．
仪 器技 术 的发展 ， 人类 生 活 的影 响越来 越 大． 对
本 文介 绍 了虚 拟频 谱 分 析 仪 的设 计 ， 于 Ｂ Ｓ模 式 用 图形 化 编 基 ／ 程 语言 Ｌｂ ＩＷ９ ０实 现虚 拟 频 谱 仪 的 信 号 发 生 、 形 显 示 、 字 滤 ａＶＥ ． 波 数 波 、 数测 量 、 谱 分 析 、 波分 析 以及远 程 网络监 控 等 功能 ． 参 频 谐 实验 证 明 ， 虚 拟 频 谱 分 析 仪 可 以实 现 对 采 样 信 号 的显 示 、 析 、 程 网 络 该 分 远
４ ５７
Ｊｕ ａ ｏ ａｊ ｇＵｎｖｒｉ ｆ ｎｏｍａｉｎＳｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎｌｇ ： ａｕａ Ｓ ｉｎｅＥ ｉｏ ，０ １ ３ ５）４ ６４ ０ ｏｒ ｌ ｆＮ ｎｉ ｉｅｓｔ ｏ ｆｒ ｔ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｃ ｄｔ ｎ２ １ ， （ ：５ －６ ｎ ｎ ｙ Ｉ ｏ ｅ ｉ
１ 昆 明理 工 大 学 信 息 工 程 与 自动 化 学 院 ， 昆
明 ，５５ ０ ６０ ０
信 号 的 幅度谱 、 位谱 以及 功 率谱 ． 相
１ ２ 系统 构 架 ．
一
般 测试 仪器 由信号 采 集 、 号 处 理 和结 果 显 示 ３大部 分 组 成 ， 信
曲 垂
Байду номын сангаас
学学报：然 学 ２１３５：６６ 自 科 版， １ （） ５４ ０ ， ４ －０
收 稿 日期 ２ １ －８２ ０ １０ －０ 作 者 简 介
毕业设计基于labview的信号频谱分析仪设计[管理资料]
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基于LABVIEW的信号频谱分析仪设计摘要随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。
电子测量技术在各个领域得到越来越广泛的应用，传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，已经很难满足实际工作的需要。
集成电路和计算机技术的迅猛发展使电子测量仪器逐渐向数字化、智能化方向发展，与传统仪器相比表现为：功能更强、处理速度更快、频带更宽、用途更广、操作更简单、体积更小、可扩充性更好。
微型计算机的普及程度和性能不断提高，使得基于PC平台的虚拟仪器系统应运而生。
虚拟仪器可以充分利用计算机的运算、存储和显示功能，因而在降低仪器成本的同时使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可以很好地满足学校科研和教学改革的需要。
本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案，重点讨论了在数据传输、显示和处理中的关键技术。
使用USB数据采集卡，最终实现了基于 PC 平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的数字存储示波器系统。
本文所选用的软件 LabView 是美国 NI 公司的创新软件产品，也是日前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。
它具有开发周期短、运行速度快、可重用性、使用方便灵活等优点。
因此LabView 对虚拟存储示波器的设计是一种最理想的方法。
关键词：虚拟仪器；数字存储示波器；谐波分析仪；LabView仪器驱动程序THE DESIGN OF SIGNAL SPECTRUM ANALYSER BASED ON LABVIEWABSTRACTWith the advancement of science and technology, the development of measurement technique is getting more and more important. The application of electronic measurement technique has extended to more fields than ever. Due to limited functions and big size, traditional electronic measurement equipment is no longer suited for common purposes. Thanks to the rapid development of integrated circuit and computer technology, measurement instruments are becoming digitized and with traditional equipment, the new instruments have more functions,higher processing speed, wider bandwidth, friendlier interface,smaller size and better expandability. The prevalence and rocketing development of personal computers give birth to a new kind of instrument, Virtual Instrument (VI). VI is based on PC platform, and can make use of the software and hardware resources of a PC. Compared with its ability of data processing and flexibility, VI has a low price, which means it is a good choice for research and teaching reform inuniversities.This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system,based on the concept of VI and focuses on key techniques in data transmission, display and processing. With a USB data acquisition card connectedto PC, a digital storage oscillograph (DSO) with the function of cymometer and spectrum analyzer is is the innovate software of national instruments corps, of is also the most widely used、the most quickly developing and the strongest function gragh has short epolder and fast LabView is the best way of design virtual digital storage oscillogragh.Key words: virtual instrument；digital-storage oscillograph；Harmonic-Analyser LabVIEW-instrument driver equivalent目录1 绪论 (6)虚拟仪器的概念 (6)虚拟仪器的组成 (6)虚拟仪器的特点及优势 (7) (10)本课题的意义 (10)2 数据采集和谐波分析理论 (13)数据采集理论基础 (13)快速傅立叶变换(FFT) (15)准同步采样 (18)谐波分析理论 (21)谐波分析原理 (21)谐波参数定义 (23)功率概念 (24)3 系统软硬件开发平台 (25)系统软件开发平台-LABVIEW (25)系统硬件平台 (28)4系统软件体系结构 (19)软件总体构成 (19)数据采集过程 (33)系统应用程序设计 (34)5 仿真结果和误差分析 (44)仿真结果 (30)误差分析 (34)6 结论和展望 (36)结论 (36)展望 (36)参考文献 (50)致谢 (40)1 绪论虚拟仪器的概念虚拟仪器[1](Virtual Instrument ,VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的。
基于LabVIEW和MATLAB的频谱分析仪设计
固《计量与洲斌桂术）２００７牟第３４卷第９期基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ的频谱分析仪设计ＤｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅＶｉｒｔｕａｌＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｓｉｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷａｎｄＭＡＴＩＡＢ陈华丽（武汉科技大学，湖北武汉４３００８１）摘要：介绍丁基于ＬａＪ）ＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ的虚拟频藩分析仪的设计过程。
重点阐述了基于ＬａｂＶＩＥＷ的前赍用户界面设计、基于ＭＡＴＬＡＢ的后台信号分析算法研制两部分。
该仪器充分发挥了ＭＡＴＬ＾＿Ｂ的数值运算功能、ＬａｂＶＩＥＷ的动态显示和虚拟仪器特睦，以极小的成本实现了传统频谱分析仪的功能，且具有鏖好的扩展性和人机界面。
关键词：囝彤化编程；频谱分析仪；虚拟仪器１引言信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域，面频谱分析又是信号处理中一个非常重要的分析手段。
一般的频学分析都依靠传统频谱分析仪来完成，价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员的携带。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
在工程领域中，ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ是倍受程序开发人员青睐的两种语言，剐于一些需要做大量数据运算处理的复杂应用以及某些复杂的频谱分析算法ＬａｂＶＩＥＷ显得有些力不从心。
而ＭＡＴＬＡＢ不能实现端口操作和实时控制，在界面方面也稍逊一筹。
在实际工程应用中将二者结合起来取长补短，具有非常实用的价值。
本文将重点介绍基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴ—ＬＡＢ的虚拟频谱分析仪的设计。
２基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ的虚拟频谱分析仪的设计２．１基于ＬａｂＶＩＥＷ的前台用户界面设计信号分析模块的前面板设置了一个ＷａｖｅｆｏｒｍＧｒａｐｈ控件进行波形显示，显示对信号进行各种分析的结果。
分析仪能够同时进行时域分析和频域分析，时域分析包括微分、积分、卷积、自相关和互相关，频域分析包括Ｆ丌、Ｈｉｌｂｅｒｔ变换、小波变换、Ｈａｒｔｌｅｙ变换和ＩＦＦＴ变换，时域分析和频域分析可根据实际需要进行扩展。
基于LabVIEW的频谱分析仪的设计
３ 期 ６
杨金孝 ， ： 于 Ｌ ｂ ＩＷ 的频谱分析仪的设计 等 基 ａＶ Ｅ
９ ９ ０１
由于提 高频 率 的分 辨 率 与过 于庞 大 的采 样 点
信号 的努桥 与处理 （ 予频域的 ） 萋
的运 算量 之 间的矛 盾 ， 们 提 出 了选 择 性 的频 率 细 我 化 的方法 。 率 细 化 的 方法 有许 多 种 ， 中又 以复 频 其
第 １ ０卷
第３ ６期
２１ ０ ０年 １ ２月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖ １ １ Ｎｏ ３ Ｄ ｃ ２ １ ｏ． ０ ．６ ｅ． ００
ｌ７— １１ ２ １ ） ６９ ９ —４ ６１ ８ ５（ ０ ０ ３ —０ ０ ０
Ｓ ｉ ｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｎ
中图法 分类号
Ｔ ３ ．； Ｍ９ ５ １
文献标志码
Ａ
Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 是美 国 Ｎ 公司专 门针 对测 控 领 域开 ａＶ Ｅ Ｉ 发 的一 种 图 形 化 的程 序 设 计 工 具 。利 用 图标 和连
杂 的特 征提 取手 段 ， 由于几 乎 所 有 成熟 的信 号 变换
域 信号 处理 都被 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 中简 单 图形 化 的调用 实 ａＶ Ｅ
表现。
其 在测控 领域 的应 用也越 来越 多 ¨ 。 Ｊ 本文 先利 用数 据 采 集 卡采 集 信 号 的 电压 数 据 ，
然 后借助 于 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ 的信 号 分 析 函数 进 行 频 域 分 ａＶ Ｅ
析 Ｊ利用 高级 信号 处 理理 论 中 的频 域 多分 辨 率 分 ，
基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪及频域测量误差分析
=cos 0
+0
0
1/2 O
1/2
t
0
O
0
1/2 O
1 /2
t
主瓣 旁瓣
2/1 O 2/1
1/2
O
1/2 t
0O
0
图 2 余弦信号加矩形窗对频谱的影响
综上所述， 与
之间的近似程度取决于信号数字
化 (采样、A/D 转换、截断) 及傅里叶变换产生的量化误差、混
max
max
(a) 采样前信号的频谱
0
图 3 栅栏效应
max
max
max max
(b) 采样后信号的频谱
(c) 信号发生混叠
图 1 混叠现象
(2) 实 际 的 测 试 信 号 时 间 长 度 可 以 是 无 限 长 的 ，而 采 样 时 间 总 是 有 限 的 ，因 此 用 计 算 机 处 理 的 是 有 限 长 的 信 号 ，相 当 于 截 取 无 限 长 信 号 的 一 部 分 进 行 分 析 处 理 。这 种 截 取 相 当 于 对 被处理信号加了一个矩形窗，加窗后的信号频谱 与原信 号的频谱 是不同的。
例如，图 2 所示为一余弦信号加矩形窗后的频谱 与 原信号的频谱 。余弦信号加矩形窗截断后，两根冲激谱 线变成了以± 0为中心的 Sa ( )形的连续谱，相当于频谱从 0 处“泄 漏”到 其 它 频 率 处 ，即 原 来 一 个 周 期 内 只 有 一 个 频 率 上 有 非 零 值 ，而 现 在 几 乎 所 有 频 率 上 都 有 非 零 值 ，这 就 是 频 谱 泄 漏 现 象 。复 杂 信 号 会 造 成 更 复 杂 的 频 谱 泄 漏 ，信 号 互 相 叠 加 ， 难 以 分 辨 。因 此 ，信 号 在 时 域 只 要 加 了 窗 ，在 频 域 就 会 不 可 避 免 地 产 生 频 谱 的 泄 漏 ，造 成 频 谱 失 真 。 频 谱 泄 漏 是 不 可 避 免 的 ，只 有 尽 量 减 小 泄 漏 。
基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计
文章编号:1003 0794(2005)02 0012 02基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计李 冰1,曲 宝1,刘金辉2(1.大庆石油学院计算机与信息技术学院,黑龙江大庆163318; 2.黑龙江省信息中心,哈尔滨150036)摘要:介绍基于LabVI EW的虚拟频谱分析仪的设计过程。
这个虚拟仪器(VI)能够同时进行时域分析与频域分析,在对复杂信号进行简单的滤波和加窗处理、分析后,得到信号的频率、频率响应等参数,并能完成数据显示、绘制图形、存储和查看测量数据等功能。
且具有友好的人机界面。
关键词:图形化编程;频谱分析仪;虚拟仪器中图号:TP31文献标识码:A1 前言随着计算机及信息技术的飞跃发展,虚拟现实技术已成为一个非常重要的领域。
虚拟现实技术是一种新的人机交互系统,利用计算机等设备及相应的软件对真实的物理世界进行实时仿真和实时交互作用,在虚拟的环境中,用户与系统直接而自然地交互,进行一定的操作,从而达到实际的效果。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件,使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
2 虚拟频谱分析仪的软件软件开发平台采用LabVIEW,它通过建立和连接图标来构成虚拟仪器程序。
LabVIEW(Laboratory of Virtual Instruments Engineering Workbench)是美国国家仪器公司NI(National Instruments)推出的标准虚拟仪器开发平台。
LabVIE W中的虚拟仪器相当于常规语言中的程序模块,通过它实现了软件重用。
它的最大特点是采用全图形化编程,在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生软面板,用来为测试系统提供输入值并接受其输出值。
总之, LabVIEW以严格定义的概念,构成了一种易于理解和掌握的软件模块,并提供了一个理想的程序设计环境。
3 虚拟频谱分析仪的结构模块(1)滤波器设置工程测试中常用的滤波是指在信号频域的选频加工[1],因为测试中获取的信号往往含有多种频率成分,为了对其中某一方面的特征有更深的认识,或有利于对信号做进一步的分析和处理,需要将其中需要的频率成分提取出来,而将不需要的频率成分衰减掉。
基于LabVIEW的虚拟信号频谱分析仪设计
谱分析仪的软件设计方法 ， Ｌｂ ＩＷ８６ 以 ａＶ Ｅ ． 作为开发平 台， 配合利用 Ｎ 公 司的 Ｐ Ｉ ５ 数据采集卡， Ｉ Ｃ６ １ ２ 实现
信号 采集 、 示 和频谱 分析 功 能． 显
１ 频 谱 分 析 仪 器 功 能
频谱 分 析是将 信 号强 度按 频率顺 序 展 开 ， 其 成 为频 率 的 函 数． 义 介 绍 的信 号 分 析 仪 的 主要 功 能 使 本
前面板用于设置输人参数 、 观察信号及信号分析结果 ， 模拟真实的频谱分析仪面板． 由于虚拟面板直
接 面 向用 户 ， 是控 制 软件 的核 心 ， 因此设 计这 部分 时 ， 主要 考 虑 界 面美 观 、 操作 简 洁 ， 户能 通 过 面板 上 的 用
收 稿 日期 ： ０ ０—１ ２ ２１ ０— ６
数据采集卡 ， 虚拟 信号分析仪能够分析信号频率小 于 ５ Ｈｚ最大 幅值 小于 ５Ｖ的 电压 信号 的频 谱 ； ０ｋ ， 采集 到 的波形通过相应 的程序处理模块 处理 ， 能够得 到波形的频率 、 幅值 、 平均值 和均方根 等信息 ；波形信 号、 号 信 参数信息及波形 的频谱分析 结果 能够通过保存模块 以报表 的形式进行保存 ． 实验 证明 ， 所设计 的频 谱分析仪
人机交互界面． 使用过程中， 用户可 同时观察信号的时域波形 、 单频信号的波形参数和频谱分析结果．
图 １ 虚拟 频谱分析仪前 面板
３ 软 件 程 序 设 计
基 于虚 拟仪 器 的频谱 分 析仪 程 序设 计 主要 包括 ３个 模 块 ： 号 采集 与 处理 、 信 信号 的频谱 分 析 、 号 及 信 信 号 频谱 分 析结 果保 存 ． ３ １ 信 号采 集与 处 理 数 据 采集 模块 利用 Ｎ 公 司 的 Ｐ Ｉ２ １数 据采 集 卡进 行 数据 采集 ， ． Ｉ Ｃ６５ 频谱 分析 仪 的
labview虚拟信号频谱分析仪的设计与实现-毕业设计[管理资料]
目录1 绪论 (4)课题研究的背景和意义 (4)虚拟仪器的国内外现状综述 (4)频谱分析技术发展现状及趋势 (5)本文所作的工作 (6)2 虚拟仪器及LabVIEW (7)虚拟仪器的简介 (7)虚拟仪器及其构成 (7)虚拟仪器的发展 (7)虚拟仪器与传统仪器的比较 (8)LabVIEW 的介绍 (9)LabVIEW软件的特点 (9)LabVIEW的基本开发环境 (9)LabVIEW模板简介 (9)3 LabVIEW虚拟信号频谱分析仪的设计与实现 (11)信号频谱分析基础 (11)周期信号与离散频谱 (11)傅立叶级数的三角函数展开式 (12)傅立叶级数的复指数函数展开式 (12)周期信号频谱的特点 (13) (13)频谱密度函数X(ω) (13)、非周期信号的傅立叶积分表示 (14).......................................................................................... 错误!未定义书签。
(i)及其频谱x s(ω) (15)(DFT) (16)信号的频谱分析 (17)栅栏效应 (17)泄漏 (18)窗平滑技术 (18)4 软件模拟平台的构建 (18)基于实验教学的频谱分析仪的设计 (19) (22) (22)数据处理模块 (23) (24)结果显示模块 (24)仪器面板和程序流程图 (25)程序的集成与调试 (27)频谱分析仪的波形显示 (28)正弦信号的频谱图和相位图 (28)加噪声的正弦信号的频谱图和相位图 (29)5结论 (30)6致谢 (30)7参考文献 (30)摘要本文设计的虚拟频谱分析仪结合了虚拟仪器技术，频谱教正技术和软件编程技术。
借助于数据采集系统将被测信号采集到主控计算机内，利用虚拟仪器进行测量和分析，并将结果输出大批屏幕或报表中，从而完成整个测试过程。
围绕虚拟频谱分析仪的设计和实现这个主题，本文研究了频谱分析仪的原理和仪器各项功能的实现方法。
基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪
基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪2002-11-061 引言信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域,而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。
一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成,价格昂贵,体积庞大,不便于工程技术人员的携带。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件。
使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
2 分析仪的一般分析功能2.1 时间域分析时间域（时域）分析是最直观也是第一步的分析。
从时域分析中既可做出一些原始判断，又可确定进一步分析的方向和目标。
2.2 幅值域分析幅值域分析一般用直方图表示。
2.3 频率域分析之一——频谱分析将时域信号变换成频域信号再分析称为频谱分析。
由于时域信号分为连续信号和离散信号，连续信号又可分为绝对可积、平方可积和均方可积；离散信号又可分为绝对可和、科方可和和均方可和，故对应的频谱也可分为多种。
2.4 频率域分析之二——频响函数频率响应函数FRF(Frequency Response Function)是分析仪最常用的分析功能,它可作为原始数据提供给应用者作模态分析或在曲线拟合时使用。
以上功能其原理及分析均较简单,限于篇幅,本文不作详细阐述。
3 分析仪的特殊分析功能3.1 倒频谱分析输入x(t)和输出y(t)的关系用公式y(t)=x(t)×h(t)表示。
系统自然也包括传递途径,此时x(t)为信号源(振源或声源〉,h(t)为路径特性,y(t)为传递后失真的信号,失真包括衰减、频散、反射和回波等。
倒频谱在力学、声学等各方面得到以下应用:1)把信号源和路径分离,得到信号源原始波和路径特性(例如传递路径的长度),有多个传递路径时还能加以区分。
2)去除回波或回声。
带多次回波的原始信号可理解为原始信号与一系列δ函数卷积,当传递路径较近时,回波与原始波形叠加,混淆了原始波形的形状,利用倒频谱可去掉回波。
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基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪
2002-11-06
1 引言
信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域,而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。
一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成,价格昂贵,体积庞大,不便于工程技术人员的携带。
虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路,用软件代替了硬件。
使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。
2 分析仪的一般分析功能
2.1 时间域分析
时间域（时域）分析是最直观也是第一步的分析。
从时域分析中既可做出一些原始判断，又可确定进一步分析的方向和目标。
2.2 幅值域分析
幅值域分析一般用直方图表示。
2.3 频率域分析之一——频谱分析
将时域信号变换成频域信号再分析称为频谱分析。
由于时域信号分为连续信号和离散信号，连续信号又可分为绝对可积、平方可积和均方可积；离散信号又可分为绝对可和、科方可和和均方可和，故对应的频谱也可分为多种。
2.4 频率域分析之二——频响函数
频率响应函数FRF(Frequency Response Function)是分析仪最常用的分析功能,它可作为原始数据提供给
应用者作模态分析或在曲线拟合时使用。
以上功能其原理及分析均较简单,限于篇幅,本文不作详细阐述。
3 分析仪的特殊分析功能
3.1 倒频谱分析
输入x(t)和输出y(t)的关系用公式y(t)=x(t)×h(t)表示。
系统自然也包括传递途径,此时x(t)为信号源(振源或声源〉,h(t)为路径特性,y(t)为传递后失真的信号,失真包括衰减、频散、反射和回波等。
倒频谱在力学、声学等各方面得到以下应用:
1)把信号源和路径分离,得到信号源原始波和路径特性(例如传递路径的长度),有多个传递路径时还能加以区分。
2)去除回波或回声。
带多次回波的原始信号可理解为原始信号与一系列δ函数卷积,当传递路径较近时,回波与原始波形叠加,混淆了原始波形的形状,利用倒频谱可去掉回波。
3)把复杂的频谱中各种信频分开。
例如某种机器有两个不同转速的轴产生了两个不同的基频和大量倍频。
设f1=30Hz,f2=31Hz,则谱图中将出现频率为30,31,60,62,90,93,...一大堆波峰,利用倒频谱就可将它们清晰地分离开来。
同理,倒频谱也可分离各种边带频率。
3.2 希尔伯特变换
希尔伯特变换又简称希氏变换在信号的包络检测、系统的非线性分析、相关分析等方面都有重要的用途。
希氏变换将信号从时域变到时域,或从频域变到频域,以时域变换为例,公式为:
时域单边信号,傅立叶谱的实部和虚部互为希氏变换。
渐近稳定的LTI(线性非时变)系统,其单位脉响函数h(t)为绝对可积的单边函数,其傅立叶变换即频响函数的实部和虚部Rr[H(f)]和Im[H(f)]互为频域希氏变换。
利用这个特性可以判断系统是否存在非线性。
求出频响函数后,对其实部(或虚部)作希氏变换再与实测的虚部(或实部)做重叠比较,如两者有差异,则为非线性,差异越大,非线性越严重。
4 分析仪的辅助功能
4.1 加窗
时域加窗可减少泄漏,频域加窗可去除波形中毛刺(平滑),本文只介绍分析仪一些时域窗的功能,它除用于减少泄漏还有其他用途,加窗可加矩形窗,海窗、平顶窗、力窗和指数窗等,注意每种窗都是既有优点、又有缺点。
4.1.1 矩形窗(也叫均匀窗、不加窗)它的功能仅为以采样时间为窗长度截断原始信号,它的泄漏较大,仅用于无泄漏场合。
4.1.2 海窗用于减少泄漏,缺点在于频域主瓣比矩形窗主瓣宽,确定峰值频率时误差较大。
加海窗会降低峰值高度。
4.1.3 平顶窗平顶窗主要用于提高分析仪的幅值读数精度。
输入一个峰值已知的正弦波,用平顶窗在频域读数,就可发现它的读数最接近于真正峰值。
4.1.4 力窗和指数窗用于瞬态测试中的锤击法,力窗去掉脉冲力持续时间以外的噪声,指数窗可使小自尼系统采样结束时尚未衰减完的响应变零以避免撞漏,它也对响应大处加大权,响应小处加小权以提高情噪比。
4.2 平均
平均的目的在于：
1)随机噪声污染的确定性信号,通过平均提高倍噪比。
2)对纯随机信号,通过平均提高置信度。
5 系统设计与编程
5.1 系统主界面
系统主界面如图1所示。
图1 主界面图
5.2 虚拟频谱分析仪的功能框图
图2为分析仪仪器框图。
图2 分析仪的分析功能
5.3 系统编程
本程序是在LabVIEW平台上设计编制的,由于改进傅立叶变换的算法很多,用LabVIEW中的数学运算模块完成比较繁杂,而现在如VC++,MATLAB等高级语言更适于编制复杂运算方法,运算更快,效果更理想。
要想达到这个目的,必定要在LabVIEW中调用某种高级编程语言。
图3为频谱分析模块程序图。
图3 频谱分析仪总程序框图
文：周福超汪志勇居滋培(上海理工大学)
摘：仪器仪表学报第3期增刊。