虞海強(qiáng)

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039）

在多輸入多輸出系統(tǒng)中盲信號(hào)分離方法是當(dāng)前國際研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，盲信號(hào)處理技術(shù)原則上不利用任何數(shù)據(jù)訓(xùn)練，也沒有關(guān)于卷積、濾波、混合系統(tǒng)參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)要求，已在聲納、圖像、語音、通信、雷達(dá)、振動(dòng)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。而LabVIEW和MATLAB是當(dāng)今最優(yōu)秀的軟件，若把LabVIEW軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)和MATLAB結(jié)合使用，充分利用LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)語言的優(yōu)點(diǎn)和MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可直觀、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作，從而大大提高工作效率。

1 盲信號(hào)分離問題

盲信號(hào)處理的主要任務(wù)是對(duì)未知系統(tǒng)。在其輸入信號(hào)完全未知或只有很少先知的情況下，僅根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)，運(yùn)用某些算法來重構(gòu)輸入信號(hào)或進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)[1]。盲信號(hào)分離理論模型如圖1所示。

假設(shè)有 n個(gè)振源 s1,s2,…,sn，m個(gè)傳感器 x1,x2,…,xm，采樣數(shù)為K，則經(jīng)混合后觀測信號(hào)矢量與源信號(hào)矢量S(t)之間滿足下面關(guān)系式：

圖1 盲信號(hào)分離理論模型

式中A為 m×n的隨機(jī)混合矩陣；N(t)為 m×K是隨機(jī)噪聲矢量；S(t)為 n×K源信號(hào)矢量，且 S(t)=[s1(t),s2(t),…,sn(t)]T。若忽略噪聲影響或噪聲在分離前已被降低到可接受范圍內(nèi)時(shí)，則(1)式可寫成：

于是信號(hào)分離問題就轉(zhuǎn)化成在混合矩陣A和源信號(hào)矢量S(t)均未知的情況下，求一個(gè)n×m的分離矩陣矩陣B，使得B對(duì)混合信號(hào)矢量的線性變換：

是對(duì)源信號(hào) S(t)的一個(gè)可靠估計(jì)。其中 Y(t)是 m×K的分離信號(hào)矢量，且 Y(t)=[y1(t),y2(t),…,yn(t)]T。

在實(shí)際中，由于誤差和干擾的存在，不可能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)源的完全恢復(fù)，只能是源信號(hào)的估計(jì)，而且分離結(jié)果存在不確定性：分離后信號(hào)矢量的排序與初始相角的不定性。

在實(shí)際中，由于缺乏混合矩陣的結(jié)構(gòu)信息，因此必須要有關(guān)于源信號(hào)的一些附加假設(shè)[2]：①m×n混合矩陣A為滿秩矩陣，并且n≤m；②S(t)中的各信號(hào) si分量為零均值的平穩(wěn)過程；③在每個(gè)時(shí)刻t，信號(hào)向量S(t)的各分量相互獨(dú)立統(tǒng)計(jì)；④S(t)的各分量都具有單位方差。

2 LabVIEW與MATLAB混合編程

編程語言MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能，它還提供了豐富的工具箱，涉及數(shù)值分析、信號(hào)處理、圖像處理、仿真等各個(gè)領(lǐng)域，但是它在界面開發(fā)、儀器連接控制和網(wǎng)絡(luò)通行等方面遠(yuǎn)不如LabVIEW。因此將兩者結(jié)合起來編程，可以充分利用兩種語言的優(yōu)勢，方便地解決各個(gè)領(lǐng)域的儀器連接和數(shù)學(xué)分析等問題。

LabVIEW可以通過MathScript在LabVIEW中編寫并執(zhí)行MATLAB中的.m文件。MathScript包含了600多個(gè)數(shù)學(xué)分析與信號(hào)處理函數(shù)，采用矩陣和數(shù)組作為基本數(shù)據(jù)類型，其語法與MATLAB所使用的腳本完全兼容，而且用戶可以自定義自己的函數(shù)來擴(kuò)展MathScript的功能。通過MathScript節(jié)點(diǎn)可以簡單地與圖形化編程實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合[3]。

使用MathScript有兩種方法:

(1)使用LabVIEW中的MathScript窗口。在LabVIEW的工具菜單中單擊MathScrip窗口選項(xiàng)，就可以打開LabVIEW MathScript窗口，如圖2所示。利用MathScript窗口可以像使用MATLAB一樣執(zhí)行命令、編譯和運(yùn)行腳本文件、查看運(yùn)行結(jié)果等。在圖2的LabVIEW Math-Script窗口的命令中，逐條輸入MATLAB腳本.m文件或在右側(cè)腳本選項(xiàng)卡中輸入MATLAB腳本文件，單擊運(yùn)行，就可以運(yùn)行該腳本。

(2)在圖形程序框圖中使用MathScript節(jié)點(diǎn)。在程序框圖中有兩種打開MathScript節(jié)點(diǎn)的方式：①在程序框圖中單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 “函數(shù)選板”→“數(shù)學(xué)”→“腳本公式”→“MathScript節(jié)點(diǎn)”。②在程序框圖中單擊鼠標(biāo)右鍵選擇“函數(shù)選板”→“結(jié)構(gòu)”→“MathScript節(jié)點(diǎn)”。

LabVIEW還可以在程序框圖中通過MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB程序[4]。在程序框圖中單擊鼠標(biāo)右鍵選擇“數(shù)學(xué)”→“腳本與公式”→“腳本節(jié)點(diǎn)”→“MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)”。在MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)中右擊，選擇“導(dǎo)入”選項(xiàng)，可直接調(diào)用所需的MATLAB程序。

通過LabVIEW中的MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB的.m文件時(shí),必須保證LabVIEW和MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)類型的一致性。改變MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)的輸入輸出端的數(shù)據(jù)類型可以通過右擊輸入或輸出端，從 “數(shù)據(jù)類型”選項(xiàng)中選擇所需要的數(shù)據(jù)類型。MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型有[5]Real、Complex、1-D Array of Real、1-D Array of Complex、2-D Array of Real、2-D Array of Complex、String和 Path 8種。

3 混合編程在盲信號(hào)分離中的應(yīng)用

在本系統(tǒng)中，利用了聯(lián)合近似對(duì)角化算法（JADE）,通過LabVIEW和MATLAB混合編程技術(shù)，在混合參數(shù)未知的情況下，僅根據(jù)觀測信號(hào)以及源信號(hào)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的假設(shè)對(duì)源信號(hào)進(jìn)行分離。系統(tǒng)的仿真輸入信號(hào)為70 Hz的角波、60 Hz的方波和50 Hz的正弦波?；旌暇幊痰某绦蚩驁D如圖3所示。

通過前面板觀測到線性混合數(shù)組A和分離矩陣B分別為：

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行100個(gè)點(diǎn)的采樣,其最終分離的效果圖4如所示。

由圖4可以看出，由于源信號(hào)幾乎不相關(guān)，方差歸一化接近單位矩陣，分離所得到的結(jié)果和源信號(hào)相比十分接近，盡管分離后的信號(hào)在幅值與排序方面和源信號(hào)相比有差異，但這是由盲分離的不確定性所引起的。特征信息不僅僅包含于信號(hào)的幅值和排序中，在某些情況下，更多地包含于波形中。如果再配合某些先驗(yàn)知識(shí)，就可以根據(jù)分離信號(hào)的波形來判斷其是否存在故障。

4 結(jié)果分析與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于LabVIEW和MATLAB混合編程的盲信號(hào)分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)，既有很好的人機(jī)界面，又有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，提高了編程的效率。通過前面板可以觀察盲信號(hào)分離的每一步的數(shù)據(jù)變化，混編技術(shù)可以將不同信號(hào)源進(jìn)行可靠分離，而且還驗(yàn)證了盲信號(hào)分離的兩個(gè)不確定性：幅度和順序的不確定性。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和可靠性。

[1]張啟發(fā).盲信號(hào)處理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2]史習(xí)智.盲信號(hào)處理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

[3]曲麗蓉,胡榮,范壽康.LabVIEW、MATLAB及其混合編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]袁培鐸.基于LabVIEW與MATLAB混合編程的應(yīng)用研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007（6）：129-131.

[5](美)BISHOP R H著.LabVIEW 7.0實(shí)用教程[M].喬瑞萍,等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.