基于LabVIEW的信號處理演示及實驗系統(tǒng)設計

劉 霞，劉 均，殷海雙，鄒彥艷，陸敬祎

（東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318）

信號處理的目標是突出或提取隱藏在時間序列里的特征，這就需要對時域信號進行轉換和處理。而實際信號又大多是非平穩(wěn)信號，因此對非平穩(wěn)信號的處理已成為信號處理的研究熱點[1]。而目前，關于信號處理的實驗系統(tǒng)多是分析和處理平穩(wěn)信號的[2-5]。因此，本系統(tǒng)采用美國NI公司推出的LabVIEW軟件，利用其直觀的圖形化開發(fā)環(huán)境和功能強大的數(shù)據(jù)分析庫函數(shù)[6]設計開發(fā)了一套虛擬信號處理演示與實驗平臺，可對平穩(wěn)和非平穩(wěn)信號進行時域、頻域以及時頻域分析。該系統(tǒng)具有很強的交互性、實時性和可視性，有助于激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新意識，提高教學質量。

1 虛擬信號處理演示及實驗系統(tǒng)的構架

1.1 設計方案

由LabVIEW通過波形發(fā)生器和噪聲發(fā)生器產生多種可選信號作為原始信號，傳遞給LabVIEW相應的功能函數(shù)，完成所設置的信號分析和處理，并實時顯示處理結果。設計方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖Fig.1 System design scheme

1.2 系統(tǒng)前面板及各功能區(qū)

虛擬信號處理系統(tǒng)前面板由3個選擇區(qū)組成，如圖2所示。

圖2 虛擬信號處理系統(tǒng)的儀器面板Fig.2 Instrument panal of the virtual signal processing system

信號類型選擇區(qū)：可以對信號產生方式進行選擇，包括基本信號、公式信號、任意信號、混合單頻信號、提取信號。

噪聲類型及參數(shù)選擇區(qū)：該子面板提供3種白噪聲（高斯白噪聲、均勻白噪聲和周期性隨機噪聲），給信號進行加噪處理。同時用3個波形圖顯示工具顯示“原始波形”、“含噪聲信號”和“噪聲信號柱狀圖”。

信號處理功能選擇區(qū)：單擊該區(qū)選項卡控件可以選擇信號濾波、信號加窗、自功率譜、傅里葉變換、FFT頻譜、時頻圖等信號處理功能。

2 虛擬信號發(fā)生器設計及仿真

虛擬信號發(fā)生器包括信號發(fā)生器和噪聲發(fā)生器兩部分。信號發(fā)生器通過選項卡控件選擇信號發(fā)生器類型，通過調節(jié)控件改變所選信號的幅值和頻率等參數(shù)?；拘盘柊l(fā)生器中可產生正弦信號、方波信號、鋸齒波信號、三角波信號，并可對頻率、幅值等參數(shù)進行調節(jié)；公式信號發(fā)生器中可以輸入所需波形的表達式，可以設置頻率、幅值及偏置量；任意信號發(fā)生器可以通過波形表輸入控件設定波形；混合單頻信號發(fā)生器中可通過設置起始頻率、單頻個數(shù)、間隔頻率、相位關系等參數(shù)產生信號；提取信號可以從文件中讀取波形，實現(xiàn)對外界信號的的處理。噪聲發(fā)生器可選擇加噪類型、噪聲幅值/方差可以對生成的信號進行加噪。其中基本信號發(fā)生器和噪聲發(fā)生器程序流程圖如圖3、圖4所示。仿真產生加入均勻白噪聲的正弦波，幅值為1，頻率為5，輸出的信號波形如圖5所示。

圖3 基本信號發(fā)生器程序流程圖Fig.3 Flow chart of basic signal generator

3 虛擬信號處理器設計與仿真

虛擬信號處理器前面板如圖6所示，單擊該區(qū)選項卡控件可以選擇信號濾波、信號加窗、自功率譜、傅里葉變換、FFT頻譜、時頻圖以及時域描述功能，根據(jù)需要對信號進行時域分析、頻域分析以及時頻域分析。信號濾波模塊設計了IIR和FIR兩種濾波器類型，可以實現(xiàn)高通、低通、帶通和帶阻4種類型的濾波器，濾波器的截止頻率、采樣頻率、階次以及切比雪夫濾波器的通帶波紋可根據(jù)實際情況由用戶自行設置，并有獨立的開關控制開始和停止；信號加窗模塊有窗函數(shù)的類型選擇、窗屬性顯示、窗函數(shù)和加窗后信號波形顯示，可實現(xiàn)漢寧窗、矩形窗、高斯窗等多種窗函數(shù)的選擇；自功率譜模塊分別對原始信號、含噪信號、巴特沃夫濾波后信號求自功率譜，不僅反映了噪聲信號對功率分布的影響，而且表現(xiàn)出濾波器在不同濾波類型下對信號自功率分布的作用；傅里葉變換模塊對信號進行了傅里葉變換，并把變換后結果作為輸入進行了傅里葉反變換，這樣驗證傅里葉變換的正確性和可逆性；FFT頻譜模塊選用FFT頻譜 （幅度-相位）VI得到原始信號的幅頻譜和相頻譜，可實現(xiàn)對信號的頻域分析；時頻圖模塊中含有兩種時頻分析方式：短時傅立葉變換（STFT）和WVD時頻分析，可實現(xiàn)對信號時頻域分析；時域描述中主要對信號進行時域的特征值描述，包括時間特征值和幅值特征值。

圖4 噪聲發(fā)生器程序流程圖Fig.4 Flow chart of noise generator

圖5 信號加噪及波形顯示Fig.5 Signal with noise and waveform display

圖6 信號處理功能區(qū)Fig.6 Signal processing region

其中傅里葉變換程序如圖7所示，STFT和WVD兩種時頻分析程序如圖8所示。

仿真信號為：x（t）=Asin（2π ft）+Asin（4π ft），t∈[0，1]

取 f=20 Hz，幅度A=2，采樣點數(shù)為 500，對其進行傅里葉變換及反變換，如圖9所示。對其進行STFT和WVD變換，如圖10所示。

圖7 傅里葉變換程序流程圖Fig.7 Flow chart of Fourier transform

圖8 時頻分析程序流程圖Fig.8 Flow chart of time-frequency analysis

圖10 STFT和WVD變換仿真圖Fig.10 Simulation chart of STFT and WVD

從圖9中可以看出原始信號是在t∈[0，1]區(qū)間由20 Hz和40 Hz正弦波合成，從FT變換中可以看出所包含的兩個頻率成分，但不知該頻率成分所在的時間范圍，因此FT缺乏時間和頻率的定位功能。

從圖10中STFT時頻圖中可以看出該信號在t∈[0，1]區(qū)間包含20 Hz和40 Hz的頻率成分，所以STFT具有良好的時頻定位功能。從WVD時頻圖中可以看出WVD也具有時頻定位功能，但卻出現(xiàn)了交叉干擾項。

通過該實驗可以使學生更深刻的理解信號的傅里葉變換、短時傅里葉變換等分析方法。

4 結 論

該系統(tǒng)充分利用了LabVIEW易于編程和調試的圖形化平臺、豐富的數(shù)學和信號處理庫函數(shù)以及獨特完整的信號變換方法，設計了該信號處理演示及實驗系統(tǒng)。彌補了傳統(tǒng)的信號發(fā)生器只能產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等基本波形，并實現(xiàn)了對虛擬信號以及實際信號的時域、頻域以及時頻域分析。該系統(tǒng)界面友好、操作簡單、交互性好，便于學生實驗以及對實際信號進行分析處理，有利于提高學生的學習興趣及創(chuàng)新能力。

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