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)境和功能強大的數據分析庫函數[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，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。基本信號發(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、間隔頻率、相位關系等參數產生信號；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的類型選擇、窗屬性顯示、窗函數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、豐富的數學和信號處理庫函數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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