趙斌杰 葉國文

摘要：LabVIEW作為最流行的虛擬儀器開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)采集、信號處理與分析是其強項與優(yōu)勢，本文以混合白噪聲的信號的分析與處理為例，構(gòu)建一個基于LabVIEW的信號分析與處理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW 信號分析與處理

0 引言

隨著計算機、電子技術(shù)及信息處理技術(shù)的發(fā)展，以及它們在測量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，新技術(shù)新理論的產(chǎn)生，儀器的概念和設(shè)計原理發(fā)生了巨大的變化，而虛擬儀器（Virtual Instrumentation，VI）也越來越受到人們的關(guān)注。

虛擬儀器起源于20世紀70年代，其有別于傳統(tǒng)儀器的概念，主要強調(diào)軟件在儀器中的作用，由于其結(jié)構(gòu)的多樣性及適用范圍的廣泛性，到現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的定義。美國國家儀器公司（National Instruments Corporation，NI）提出了一種定義：虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。并且于1986年10月發(fā)布了LabVIEW 1.0（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），隨后經(jīng)過NI公司LabVIEW開發(fā)團隊不斷地改進和更新，已經(jīng)從最初簡單的數(shù)據(jù)采集和儀器控制的工具發(fā)展成為科技人員用來設(shè)計、發(fā)布虛擬儀器軟件的圖形化平臺，成為測試測量和控制行業(yè)的標準軟件平臺。

LabVIEW的應(yīng)用前景很廣，個人認為好像是一門專業(yè)編程語言，就好像C語言一樣，C語言是把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。而LabVIEW也包含有類似于C語言的控件，提供了大量的可視化的模塊，例如布爾，濾波器等，用連線將其連接；還有LabVIEW有非常方便的硬件接口，可以與C語言等結(jié)合起來使用，使用戶還有開發(fā)者更加靈活地應(yīng)用和開發(fā)。 LabVIEW它針對的使用對象是測試、測量工程師或相關(guān)的科學(xué)研究人員（當(dāng)然它的發(fā)展也不局限與此，像DSP、FPGA、PDA等），但在測試、測量領(lǐng)域還沒有一個比LabVIEW更好的編程語言。

1 系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.1 前面板的設(shè)計

信號處理與分析系統(tǒng)分為兩個部分：

①信號產(chǎn)生部分，是信號的產(chǎn)生部分，通過在信號中參雜均勻白噪聲來模擬混疊原始信號，顯示信號的波形、幅值和頻率，并以均方根（RMS）的形式顯示信號的頻譜，在面板上設(shè)有信號類型選擇控件和幅值、頻率及噪聲幅值設(shè)置控件，用戶可以根據(jù)需要設(shè)置各種混雜信號。

②信號處理與分析部分，為信號產(chǎn)生模塊中生成的混雜信號提供各種常用處理與分析方法，用圖形顯示其處理分析結(jié)果。用戶可以通過各種輸入控件選擇不同的濾波器的各項參數(shù)進行設(shè)置。

1.2 程序框圖的設(shè)計

程序框圖分為三個部分：

①信號產(chǎn)生部分，主要是使用“仿真信號”模塊，創(chuàng)建“幅值”和“頻率”兩個輸入控件，用來控制仿真信號的幅值和頻率。

②信號分析與處理部分，主要是運用“信號的時間與瞬態(tài)特性測量”、“頻譜測量”和“濾波器”等三個模塊，通過選擇不同的濾波器來進行濾波處理。

③信號顯示部分，主要是使用“波形圖”和文本顯示控件，輸出的數(shù)據(jù)以均方根（RMS）顯示。以下是整個程序框圖（圖1）。

1.3 設(shè)計實例

仿真一個正弦波與白噪聲的混疊模擬信號，仿真信號的子VI的屬性為信號屬性：正弦波；頻率：10.1Hz；幅值：1；噪聲類型：均勻白噪聲；噪聲幅值：0.6；采樣率：1000Hz；采用點數(shù)：1000。

頻譜測量子VI的屬性為：測量值：幅度譜（均方根）；結(jié)果顯示：海寧窗；相位：展開相位（Unwrap）。

從信號分析子模板中選擇濾波器子VI，對信號濾波，采用四種不同的濾波器來比對濾波效果，分別是Butterworth， Chebyshev， Inverse-Chebyshev ，Bessel，設(shè)置參數(shù)：濾波器類型：低通；截止頻率（Hz）：100；拓撲結(jié)構(gòu)分別為Butterworth， Chebyshev， Inverse-Chebyshev， Bessel。

1.3.1 相同參數(shù)下不同類型的濾波器處理后的結(jié)果比較，設(shè)階數(shù)為3，如圖2所示。

從結(jié)果看，經(jīng)過Inverse-Chebyshev濾波器的濾波效果最為理想。通過該課程設(shè)計，展示了整個信號分析與處理的過程，并借助于LabVIEW平臺，將繁瑣的信號處理的過程簡單化，并使得吃力后的結(jié)果變得直觀，有助于更好地理解信號處理的理論。

1.3.2 不同參數(shù)下的同一種濾波器的比較：

設(shè)置濾波器階數(shù)時，設(shè)置不同的值，進行比較分析，下面以巴特沃斯濾波器為例。如圖3，圖4所示。

經(jīng)過比較分析，得到階數(shù)為5時，巴特沃斯濾波的濾波效果更為理想。

2 結(jié)束語

通過這次實例，我們可以體會到LabVIEW在信號處理與分析方面的強大功能，尤其是與傳統(tǒng)的儀器相比：虛擬儀器的軟件具有開放性、模塊化、互換性以及可重復(fù)使用等特點，例如這次實例中，為了提高濾波器的濾波效果，只需提高階數(shù)就可以了，而不必重新購置儀器；一旦硬件平臺搭建好后，可以用軟件來實現(xiàn)其儀器的具體功能，各種儀器的差異主要還是軟件上，這樣很大程度上節(jié)約了成本；因為與計算機有良好的互聯(lián)性，可以利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，創(chuàng)造出更好的儀器；用戶可以根據(jù)自己的需要來定義制造儀器，更加符合實際的需要?？傊?，虛擬儀器將是測量領(lǐng)域的一個不可逆轉(zhuǎn)的潮流趨勢，有可能取代傳統(tǒng)儀器的重要地位。

參考文獻：

[1]黃松嶺.虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].清華大學(xué)出版社，2008.

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[3]劉婉妮.基于LabVIEW開發(fā)通信原理虛擬教輔平臺[J].價值工程，2012（33）.