基于LabVIEW的多功能虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)

3.2 特殊功能的分析

3.2.1時(shí)頻分析

傳統(tǒng)的分析方法是信號(hào)單獨(dú)在時(shí)域或頻域中進(jìn)行分析，而聯(lián)合時(shí)頻分析可以同時(shí)在時(shí)域和頻域中對信號(hào)進(jìn)行分析，確定在某一時(shí)刻頻率成份的分布情況。

本文利用短時(shí)傅里葉變換基本原理進(jìn)行時(shí)頻分析，其基本思想是：將信號(hào)加窗，加窗后的信號(hào)再進(jìn)行傅里葉變換，窗函數(shù)可根據(jù)的位置變化在整個(gè)時(shí)間軸上平移，利用窗函數(shù)可以得到任意位置附近的時(shí)間段頻譜實(shí)現(xiàn)時(shí)間局域化，e-jwt起頻限作用，g(t)起時(shí)限作用，合在一起可起到時(shí)頻雙限作用[7]，其變換公式為：

大致反映了f(t)在時(shí)刻子時(shí)頻率成分的分布情況。圖6為時(shí)頻分析程序圖。

3.2.2 倒頻譜的分析

利用頻譜分析分離和提取密集泛頻信號(hào)中成分較為困難，而倒頻譜能夠分析復(fù)雜頻譜圖上的周期成分，尤其在同族頻譜和異族頻譜等復(fù)雜信號(hào)的分析中運(yùn)用較多[8]。倒頻譜分析包括實(shí)倒頻譜分析和復(fù)倒頻譜分析這兩類，這里僅介紹實(shí)倒頻譜。

實(shí)倒頻譜就是功率倒頻譜的模，工程中常取功率倒頻譜開方的形式。功率倒頻譜即對功率譜作對數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行傅里葉變換。功率倒頻譜定義：

若時(shí)域信號(hào)x(t)的功率譜密度函數(shù)為Px(f)，功率倒頻譜為：

Cx(?子)=|F[lg(Px(f))]|2(6)

圖7為倒頻譜程序框圖，倒頻譜分析的優(yōu)點(diǎn)：

(1)倒頻譜中使用了對數(shù)加權(quán)擴(kuò)大頻譜的動(dòng)態(tài)范圍，提高了再變換的精度，可以把復(fù)雜頻譜中的各種信號(hào)頻率成分分開。

(2)去除回波。帶多次回波的原始信號(hào)可視為原始信號(hào)與一系列沖擊函數(shù)卷積,如果傳遞路徑較近，回波與原始波形疊加會(huì)造成原始波形的形狀的混淆,利用倒頻譜可有效地去掉回波[10]。

(3)倒頻譜變換具有較好邊頻信號(hào)的檢測能力，可分離各種邊帶頻率。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 濾波

從采集卡獲取的信號(hào)在傳輸過程中可能會(huì)疊加無用的噪聲信號(hào)或干擾信號(hào),為了提取有用信號(hào)，在進(jìn)行FFT變換前需進(jìn)行濾波處理。選擇濾波器時(shí)需要考慮應(yīng)用的需求。

4.2 去混疊

由于各次諧波的調(diào)制頻譜會(huì)相互交疊，出現(xiàn)混疊失真，不能分開和恢復(fù)信號(hào)，為了避免采樣信息的丟失，根據(jù)奈奎斯特采樣定律可知，在對連續(xù)信號(hào)采樣時(shí)必須使采樣頻率大于或者等于信號(hào)中含有的最高頻率的兩倍，但為更好地恢復(fù)信號(hào)信息，采樣率最好設(shè)置為高于信號(hào)最高頻率的5～10倍。

4.3 加窗

在實(shí)際測量中，信號(hào)采樣長度有限，局限的信號(hào)記錄將產(chǎn)生譜信息的泄漏。本設(shè)計(jì)采用加窗的辦法抑制譜泄漏，加窗就是將原始采樣波形乘以幅度變化平滑且邊緣趨零的有限長度窗來減弱每個(gè)周期邊界處信號(hào)的不連貫程度。

5 儀器功能測試結(jié)果

虛擬頻譜分析儀選用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行功能測試，該信號(hào)發(fā)生器可以自行設(shè)置輸入信號(hào)的波形類型、頻率及幅值。當(dāng)測試信號(hào)是頻率為1 kHz的正弦波時(shí)，圖8～圖11分別為頻譜分析圖、功率譜分析圖、幅相圖、時(shí)頻分析圖;當(dāng)測試信號(hào)是頻率為1 kHz方波時(shí)，圖12為其倒頻譜分析圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多功能虛擬頻譜分析儀顯示的信號(hào)較穩(wěn)定, 輸出頻譜分量明顯, 與理論計(jì)算值相符。

6 結(jié)論

本文介紹了一款以虛擬儀器為平臺(tái)，采用LabVIEW圖形化編程語言和FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀，不僅實(shí)現(xiàn)了一般的頻譜分析儀所具有的功能,而且增強(qiáng)了分析處理能力，其特點(diǎn)如下：

(1)軟件采用LabVIEW圖形化編程語言,提高了軟件的開發(fā)速度和效率。

(2)硬件采用FPGA技術(shù)，使其具有開放性，提高了系統(tǒng)靈活性，有利于功能的擴(kuò)展，在同樣硬件基礎(chǔ)上，只需更改上層軟件的設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)其他儀器功能，例如：虛擬示波器、頻率計(jì)等。

(3)功能方面不僅能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)域分析，還能進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合域的分析。