2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应用实践 山西电子技术 2006 年第 5 期 基于 LabV IEW 的信号分析处理系统 王志娟 　金秀慧 (德州学院机电工程系 ,山东 德州 253015) 摘 　要 :利用 LabV IEW 建立更加简洁方便的虚拟示波仪 ,频谱分析仪等 ,产生原始信号并组成了对信号的分 析处理系统 。首先是对原始信号进行时域波形显示 ,频域频谱显示 ,初步观察信号的组成 ,最后再对滤波后的信号 进行相关分析 ,除掉谐波干扰信号 。最终完成对所有干扰信号的过滤 。 关键词 :LabV IEW ;虚拟仪器 ;前面板 ;后面板 中图分类号 : TP391. 9 , TN911. 72 　　文献标识码 :A 0 　引言 由于电子技术 、计算机技术和网络技术的高速发展极其 在电子测量技术与仪器领域中的应用 ,新的测试理论 、新的 测试方法 、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现 。电子 测量仪器的功能和作用已发生质的变化 ,其中计算机处于核 心地位 ,计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成一个有 机整体 ,导致仪器的结构 、概念和设计观点等也发生突破性 的变化 。在上述的背景下 ,出现了新的仪器概念 ———虚拟仪 器 1 。 0. 1 　虚拟仪器 所谓虚拟仪器 ,就是在以计算机为核心的硬件平台上 , 其功能由用户定义和设计 ,具有虚拟面板 ,其测试功能由测 试软件实现的一种计算机仪器系统 。虚拟仪器的实质是利 用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板 ,以 多种形式表达输出检测结果 ;利用计算机强大的软件功能实 现信号数据的运算 、分析和处理 ;利用 I/ O 接口设备完成信 号的采集 、测量与调试 ,从而完成各种测试功能的一种计算 机仪器系统 3 。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面 具有突出的优势 。构造一个虚拟仪器系统时 ,在硬件设备的 基础上 ,可以通过不同的软件实现不同的功能 。软件是虚拟 仪器系统的关键 ,目前比较流行的软件开发技术是面向对象 的编程技术 。图形化编程环境是软件工作中最为流行的发 展趋势 , 主要有 HP 公司的 V EE 和 N I 公 司 的 LabV IEW 等 2 。 0. 2 　LabV IEW LabV IEW 程序称为虚拟仪器或简称 V I (Virtual Instru ments) 。LabV IEW 不同于基于文本的编辑语言 ,它是一种 图形化编程语言 ———通常称为 G 编程语言 ,其编程过程就 是通过图形符号描述程序的行为 。LabV IEW 程序之所以称 为虚拟仪器 ,是因为它们具有物理系统或仪器的外观感觉 。 V I 及其组件类似于文本编辑语言 C 和 Fortran 中的主程序 收稿日期 :2006 - 04 - 29 　修回日期 :2006 - 06 - 27 第一作者 　王志娟 　女 　30 岁 　讲师 　硕士研究生 和子程序 。一个 V I 由交互式用户接口 (称为前面板) 、数据 流框图和图标连接端口组成 。 1 　设计方案 本文开发的一套基于虚拟仪器的信号分析处理系统主 要包括信号的生成 、数字示波器 、虚拟频谱分析仪等 。 本设计系统的主要流程简化图如图 1 所示 。 2 　数字信号处理 本设计主要是针对数字信号进行分析处理 。数字信号 处理是数据采集系统和测试仪器系统设计和分析的一个重 要组成部分 ,测量信号的采集总是与数字信号处理紧密联系 在一起 。 2. 1 　傅里叶变换和 FF T 变换 使用计算机完成信号处理工作的要求导致了离散傅里 叶变换的产生 。计算机只能处理离散且有限长度的数据 ,要 用计算机完成频谱分析和其他方面的工作 ,通常的处理方法 是通过对模拟信号 x (t) 采样得到离散序列 x (n) 。实际信号 可能是有限长的 ,也可能是无限长的 。若 x (n) 为有限长序 列 ,则令长度为 N ;若 x (n) 是无限长的 ,可用矩形窗将其截 成 N 点 ,然后将这 N 点序列视为周期序列 x ( n) 的一个周 期 ,即 x ( n) 是有 x (n) 作周期延拓而得的 。离散傅里叶变换 (DF T) 的定义为 X ( k) = N - 1 n = 0 反变换为 x ( n) e- j 2π N nk 　k = 0 ,1 , …, N - 1 x ( n) = 1 N N - 1 k = 0 X ( k) ej 2π N nk 对于离散傅里叶变换 ,求出 N 点 X ( k) 需要 N2 次复数 乘法 ,N (N - 1) 次复数加法 。每次复数乘法需要做四次实数 乘法 ,两次实数加法 。因此计算 N 点 X( k) 总共需要做 4N2 次实数乘法和 4N (N - 0. 5) 次实数加法 。DF T 运算中包含 大量重复运算 ,充分利用这一性质可以简化 DF T 运算 。J . 

2 71 2 第 5 期 　　　　　　　　　王志娟 ,等 :基于 LabVIEW 的信号分析处理系统 W. Cooly 和 J . W. Turkey 于 1965 年 提 出 了 快 速 傅 里 叶 ( FF T) 算法 ,计算 N 点 DF T 的计算量由 N2 次复数乘法降为 N 2 log2 N 次复数乘法 。 图 1 　主要流程图 2. 1. 2 　频域分析 LabV IEW 高级分析库中的频域分析模块提供了丰富的 信号频域分析函数 ,包括傅里叶变换 、Hilbert 变换 、小波变 换 、Hartley 变换 、功率谱分析 、联合时域分析 、谐波分析 、系统 辨识等 4 。 本 设 计 用 到 了 Real FFT . vi 模 块 。其 图 标 和 端 口 为 ,该模块具有实数快速傅里叶变换功能 , 即输入为实数数组 ,输出结果为复数数组。如果输入数组长 度为 2 的整数次幂 ,则调用 FFT 算法 ,否则调用 DFT 算法。 2. 2 　相关分析 相关有自相关和互相关之分 ,本设计主要利用互相关分 如果对某个线性系统 (例如某个部件 、结构或某台机床) 激 振 ,那么所得到的振动信号中常常含有大量的噪声干扰 。根 据线性系统的频率保持特性 ,只有和激振频率相同的成分才 可能是由激振引起的响应 ,其它成分均是干扰 5 。因此只要 将激振信号和响应信号进行互相关 (不必时移 ,τ= 0) 处理 , 就可以得到由激振引起的响应幅值和相位差 。这样 ,就可以 得到所研究的对象在该激振频率下从激振点到测量点间幅 、 相传输特性 。如果改变激振频率 ,就可以得到响应的频率响 应函数 。 设信号的 N 点采样序列为 x ( n) , y ( n) ,LabV IEW 中使 用的互相关函数定义为 析 。下面 ,对互相关分析进行简单介绍 。 算法为 对于各态历经过程 ,两个随机信号 x (t) 和 y(t) 的互相关 函数 R xy (τ) 定义为 R xy = lim T →∞ 1 2 T∫T - T x ( t) y ( t +τ) dt 由于 ρxy (τ) = = = lim T →∞ 1 2π∫T - T{ x ( t) - μx σxσy y ( t +τ) - μy } dt lim T →∞ 1 2π∫T - T x ( t) y ( t +τ) dt - μxμy σxσy R xy - μxμy σxσy 因为| ρxy| ≤1 ,故知 μxμy - σxσy ≤R xy (τ) ≤μxμy +σxσy 对于多数随机过程 ,若 x (t) 和 y(t) 之间没有同频率的周 期成分 ,那么当移τ很大时就彼此无关 ,即 ρxy (τ→∞) →0 , R xy (τ→∞) →μxμy 。互相关函数在工程中有很重要的应用 , 它是在噪声背景下提取有用信息的一个非常有效的手段 。 R xy (τ) =∫∞ - ∞ x ( t) y ( t +τ) dt N - 1 - | m| r ( m) = x ( k) y ( k + m) k = 0 2. 3 　LabV IEW 中的时域分析模块 LabV IEW 中 ,相关分析的功能由时域分析模块提供 。 时域分析摸板提供的其它功能还有卷积 、逆卷积 、直交流成 分检测 、微分 、积分 、尖峰捕获 、门限检测 、过度分析等 6 。由 于 Cross Correlation 时域分析模块具有求信号的互相关函数 的功能 ,即可以进行 LabV IEW 中互相关函数的定义和计算 , 故本设计中用到了 Cross 2. 4 　滤波器的选择及频谱分析 Correlation 模块 。 常用的滤波器有巴特沃斯滤波器 ,切比雪夫 Ⅰ型 、Ⅱ型 滤波器 ,椭圆型滤波器等 ,其中椭圆型滤波器是比较理想的 , 它的通带阻带均为等波纹 ,可以把误差均匀分布在通带和阻 带内 。所以本设计采用椭圆型滤波器 。 3 　设计的具体内容 前面对本设计所涉及到的 labV IEW 中的内容做了介 

81 　　　　　　　山 　西 　电 　子 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　2006 年 绍 。根据本设计的设计方案 (图 1 主要流程图) 在 labV IEW 中一步步实现 。 首先是对原始信号的生成 ,原始信号中包括一个要最终 保留的标准正弦信号 、一个谐波干扰信号 、一个高频噪声信 号 。其中标准正弦信号和谐波干扰信号的参数是可调的 。 高频噪声产生后要经过高通滤波以确保其高频性 ,本高通滤 波器的截止频率为 1000 Hz。图 6 是本设计的框图程序 ,其左 上部分的作用是产生原始信号 。 接下来开始对该信号进行分析处理 。首先是对原始信 号进行时域波形显示 ,频域频谱显示 ,初步观察信号的组成 。 在本系统中 ,频谱分析是不可少的辅助分析功能模块 。根据 本设计的需要选择幅值谱 。 频谱分析涉及到傅里叶变换 ,傅里叶变换是数字信号处 理中最重要的变换之一 ,其意义在于将时域信号与频域信号 联系起来 。一般的傅里叶变换 V I 的输出都是双边频谱 ,实 际上 ,频谱中绝对值相同的正负频率对应的信号频率是相同 的 ,负频率只是由于数学变换才出现的 ,所以 ,将负频率对应 的频谱加到相应的正频率上 ,即去掉负频率对应的频谱 ,然 后将正频率对应的幅值加倍 ,零频率对应的频谱不变 。图 2 是本设计所用的双边傅里叶变换转化成单边傅里叶变换的 功能模板 ,图 3 为本设计所用的 FF T 单边变换的功能模板 。 图 4 是利用图 2 和图 3 程序所变换后的信号时域和频域图 。 其中图 3 中的 是子 V I ,代表图 2 的框图程序 。 很容易看到高频噪声被滤掉了 。 最后再对滤波后的信号进行相关分析 ,图 5 是本设计中 的信号相关分析部分 ,现在有两个信号 ,一个信号的频率是 25 Hz 正弦信号 ,另一个是频率为 50 Hz 的干扰正弦信号 ,现 在我们要保留前者去除干扰 ,利用相关分析很容易就能办 到 , 此时要注意欲保留信号频率的引用 , 从图 8 后两个窗 口中很容易就能看出频率为 50 Hz 的干扰波被去除掉了 , 剩 下的只有频率是 25 Hz 的标准正弦信号 , 达到了本设计的要 求 。 图 5 　相关分析 图中 Mo Cor 是修正程序 ,其具体程序框图如下图 7 所示 : 图 2 　傅里叶交换 图 3 　FFT 交换 图 4 　时域频域显示 本设计的结果显示如图 8 中前两个窗口所示 ,可以明显 看到原始信号由一个 25 Hz 一个 50 Hz 和一些噪声信号组成 ; 接着对原始信号进行低通滤波处理 ,以去除掉高频噪声 ,该 低通滤波器的截止频率为 100 Hz ,即只允许低于 100 Hz 的信 号通过 ,如图 8 中间两个窗口所示 ,为经滤波后的原始信号 , 图 6 　本设计的后面板 图 7 　修正程序 (下转第 37 页) 

2 2 2 2 第 5 期 　　　　　　　　　　陈洁 ,等 :基于 MA TLAB7. 0 的信号调制与解调分析 73 参考文献 4 　薛定宇 ,陈阳泉. 基于 MA TLAB/ Simulink 的系统仿真 1 　张志涌 ,徐彦琴. MA TLAB 教程 ———基于 6. X 版本 技术与应用 M . 北京 :清华大学出版社 ,2002. 3. M . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2001. 4. 5 　张葛祥. MA TLAB 仿真技术与应用 M . 北京 :清华大 2 　曾兴雯 ,刘乃安 ,陈健. 高频电路原理与分析 M . 西 学出版社 ,2003. 6. 安 :西安电子科技大学出版社 ,2001. 3. 3 　刘永健. 信号与线性系统 M . 北京 :人民邮电出版社 , 1998. 4. 6 　Wayne Tomas. Electronic Communications Systems Fun damentals Through advanced ( Fourth Edition) M . Bei Jing Publishing House of Eledtuonics Industry ,2002. Signal Modulation and Demodulation Analysis Based on MATLAB7. 0 Chen Jie1 　Jiao Zhen yu2 (1. Depart ment of Elect ronic Com m unications Engineering , Jiangsu Inf orm ation Prof essional Technology Instit ute , W uxi Jiangsu 214061 , China ; 2. Depart ment of Mechanical and Elect rical , Jiangsu Inf orm ation Prof essional Technology Instit ute , W uxi Jiangsu 214061 , China) Abstract :The modulation and demodulation is one of the important questions on the application of signal processing , but the sys tem simulation and the analysis are the important step and the essential guarantee in designs. This article first briefly introduces that the script document is established with MA TLAB7. 0 language , transfers the corresponding function to the signal to carry on each kind of modulation , produces some kind of modulated wave , then carries on the demodulation simulation using the SIMUL IN K tool box to it , it also provides the good basis through the change of corresponding parameter observation result for system design and the improvement . Moreover , it also may carries on computer simulation about“High frequency circuit”and“Signal And System”disci pline , which are open in the universities , colleges and institutes. Key words :MA TLAB7. 0 ; modulation ; demodulation ; spectral analysis ; simulation (上接第 18 页) 图 8 　本设计的前面板 4 　结论 行了较为系统的理论和实验研究 ,得到如下结果 : 1) 利用虚拟仪器技术实现了虚拟示波器 ,虚拟频谱仪 等仪器 ,可以实现波形显示 、相关性分析 、频谱分析等功能 , 能够提供过去很难在基础实验中提供的测量仪器 。 2) 使用虚拟仪器开发平台 LabV IEW 进行编程 ,实现了 对有复杂干扰信号的提取和较为全面的分析 。 3) 对干扰信号进行了可变处理 ,本设计实用性强 ,实验 结果可观性强 。 参考文献 1 　刘君华 ,郭会军 ,赵向阳 ,等. 基于 LabVIEW 的虚拟仪器 设计 M . 北京 :电子工业出版社 ,2003. 1 :100 - 106. 2 　(美) Bishop , R. H. 著 ,乔瑞萍等译. LabV IEW 6i 实用 教程 M . 北京 :电子工业出版社 ,2003. 1 :36 - 38. 3 　吴立力. 信号采集系统中的数据传输 、显示与处理 D . 北京 :北京工业大学 ,2001. 5 :5 - 6. 4 　张小牛 ,侯国屏 ,赵伟. 虚拟仪器技术回顾与展望 J . 测控技术 ,2000 ,19 (9) :20 - 21. 5 　LabV IEW Help . USA : National Instruments Corpora tion. 19 - 25. 6 　徐科军. 信号处理技术 M . 武汉 :武汉理工大学出版 本文结合现有条件 ,围绕虚拟实验仪器的设计和实现进 社 ,2002. 11 :58 - 65. Processing System of Signal Analysis Based on LabVIEW Wang Zhi juan 　Jin Xiu hui ( Mechanical Elect ronic Engineering Depart ment , Dez hou U niversity. S handong Dez hou 253000 , China) Abstract :The design in this paper establishes a more succinct convenient hypothesized instrument and the spectrum analyzer and so on with the using of LabV IEW , which can produce the original signal and buildup processing system for signal analysis. It produces the primary signal first to carry on the display of time domain , the display of frequency domain and frequency spectrum , and compose the observing signal ; finally it carries on the correlation analysis again after the signal filtered to remove the harmonic interference sig nal. Finally it completes the filtering work to all unwanted signal. Key words :LabV IEW ; hypothesized instrument ; front panel ; rear panel