趙樹(shù)忠，李書娜

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

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在Labview下實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理

趙樹(shù)忠，李書娜

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

LabVIEW；數(shù)字信號(hào)處理；數(shù)字濾波

LabVIEW在數(shù)字信號(hào)處理中有著重要的作用。信號(hào)生成、時(shí)域分析、頻域分析和各種常用信號(hào)處理中的應(yīng)用方法幫助解決數(shù)字信號(hào)處理的問(wèn)題。通過(guò)例子介紹LabVIEW中各個(gè)模塊及計(jì)算方法的使用以及如何對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理分析，達(dá)到想要的效果。

0 引言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國(guó)虛擬儀器NI(National Instrument)公司的圖形化編程開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的采集、處理、分析與顯示等功能，是集開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體的具有強(qiáng)大功能的軟件，其中VI(Virtual Instrument)是LabVIEW工作環(huán)境下開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序，分為子VI和多態(tài)VI，每個(gè)VI都是由前面板和后面板組成的，前面板是人機(jī)交互界面，而后面板相當(dāng)于具有源代碼功能的程序框圖，每個(gè)模塊都有其相對(duì)應(yīng)的功能，可以直接應(yīng)用，非常方便[1]。本文闡述了如何利用LabVIEW對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過(guò)相關(guān)的例子更好的掌握LabVIEW在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用。

1 數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理是一種以計(jì)算方法解決問(wèn)題的理論性手段[2]。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用來(lái)提高對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的掌握，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用離不開(kāi)對(duì)各種數(shù)字信號(hào)的分析，主要包括信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析等[3]。一般在實(shí)際測(cè)試中，信號(hào)采集時(shí)往往會(huì)帶有系統(tǒng)本身振動(dòng)和外界干擾等產(chǎn)生的干擾信號(hào)，因此，在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理是至關(guān)重要的，如果不采取相應(yīng)的濾波處理，采集到的信號(hào)中會(huì)含有大量的高頻信號(hào)，嚴(yán)重影響下一步的信號(hào)處理，對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。該項(xiàng)目主要通過(guò)對(duì)LabVIEW中信號(hào)處理的各個(gè)模塊先進(jìn)行相關(guān)的了解與分析，然后設(shè)計(jì)了一種濾波器對(duì)現(xiàn)有生成的含有噪聲干擾的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理，來(lái)獲取有用信號(hào)。

2 LabVIEW中的信號(hào)處理函數(shù)

信號(hào)處理在測(cè)試系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。其中時(shí)域分析是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理分析的重要一步，信號(hào)的時(shí)域分析指的是在時(shí)間域上對(duì)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。在LabVIEW中時(shí)域分析的相關(guān)VI主要是指信號(hào)處理下波形測(cè)量中前6個(gè)和信號(hào)運(yùn)算中的VI，其中信號(hào)運(yùn)算中各個(gè)函數(shù)如圖1所示。

圖1 信號(hào)運(yùn)算

信號(hào)頻域分析是指將時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅里葉變換(Fourier Transform)等方法轉(zhuǎn)換到頻率域上進(jìn)行分析的方法，有些不能從時(shí)域上解決的問(wèn)題往往可以轉(zhuǎn)化到頻域上得到有效的解決。在頻域分析中最基本的是傅里葉變換,基本思想就是將信號(hào)表示為一系列不同周期、不同相位的正弦信號(hào)的集合，從而將信號(hào)的頻率域信息展示出來(lái)。在數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算中應(yīng)用最多的是快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform)，簡(jiǎn)稱FFT，是離散傅里葉變換(DFT)的快速算法[4]。在LabVIEW中有許多與FFT相關(guān)的VI，如對(duì)實(shí)時(shí)幅度進(jìn)行譜分析的例子，可以利用逐點(diǎn)計(jì)算VI的方法，逐點(diǎn)計(jì)算VI的特點(diǎn)就是不用一次將待分析數(shù)據(jù)組成數(shù)組作為參數(shù)送入VI，而是可以逐點(diǎn)地將各個(gè)數(shù)組元素依次作為標(biāo)量參數(shù)送入VI，這種處理的方法特別適合在線計(jì)算和實(shí)時(shí)分析。圖2是在LabVIEW2014版本中進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)幅度譜分析的程序框圖，利用2個(gè)正弦波(逐點(diǎn))不同的幅度值和頻率值，利用歸一化頻率。不過(guò)，現(xiàn)在隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，除了頻域分析也產(chǎn)生了一些新的技術(shù)手段如小波分析、時(shí)-頻聯(lián)合分析等，它們?cè)谀承┓矫嬉驳玫搅撕芎玫膽?yīng)用。

圖2 程序框圖

2個(gè)正弦波疊加組成的波形信號(hào)，經(jīng)過(guò)幅度譜和相位譜處理，傳送給波形圖顯示。在前面板中設(shè)計(jì)正弦波形A幅度值為1，頻率為0.1，正弦波形B幅值為2，頻率為0.3，幅值成2倍的比例關(guān)系，從前面板波形圖中可以看出，經(jīng)過(guò)譜分析后的幅度圖中出現(xiàn)的2個(gè)峰值比例和所設(shè)定幅值比例相當(dāng)。如圖3所示。

圖3 前面板顯示

3 LabVIEW下數(shù)字信號(hào)處理

濾波器設(shè)計(jì)在頻域分析中占有一定的位置，濾波的主要目的是去噪，使處理后的數(shù)據(jù)圖形能夠達(dá)到平滑的效果。常用濾波器按信號(hào)處理方式可以分為：模擬濾波器和數(shù)字濾波器；按通頻帶形式可以分為4種：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。在LabVIEW中濾波器處理有數(shù)字濾波和模擬濾波。應(yīng)用比較多的是數(shù)字濾波形式，依靠軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器與模擬濾波器或與硬件實(shí)現(xiàn)的濾波器相比，具有穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)、可靠性高、成本比較低等優(yōu)點(diǎn)，所以依靠LabVIEW設(shè)計(jì)的濾波器在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[5]。

在測(cè)試信號(hào)中，采集到的數(shù)字信號(hào)中含有大量的高頻干擾信號(hào)，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用LabVIEW提供的濾波器可以對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，去掉信號(hào)中的干擾信號(hào)。該項(xiàng)目就是利用LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)處理功能，采用信號(hào)生成模塊中的正弦波，設(shè)計(jì)有用信號(hào)的頻率為200 Hz、幅度為2，其中疊加了2個(gè)頻率不同的干擾信號(hào)，一個(gè)是頻率為50 Hz、幅度為4，另一個(gè)是頻率為500 Hz、幅度為4，以及均方根值為0.05的白噪聲，這個(gè)模擬信號(hào)利用Tones and Noise Waveform.vi就可以實(shí)現(xiàn)。由于有用信號(hào)處于2個(gè)干擾信號(hào)之間，所以采用帶通濾波的形式對(duì)其進(jìn)行處理，參數(shù)將高低截止頻率設(shè)置為300 Hz和100 Hz，能夠讓有用信號(hào)通過(guò)，正好將干擾信號(hào)的頻率濾除掉。圖4是濾波器設(shè)計(jì)的程序框圖。

圖4 濾波器處理設(shè)計(jì)

從上面的程序框圖中可以看出，為帶通濾波vi的框圖增添頻譜分析VI，利用FFT對(duì)信號(hào)的時(shí)域進(jìn)行處理，在前面板中增添必要的波形圖，對(duì)原始信號(hào)、濾波后的信號(hào)以及幅度譜進(jìn)行顯示。得到的結(jié)果在前面板中進(jìn)行顯示，如圖5所示。

圖5 濾波器前面板顯示

從前面板中運(yùn)行的效果圖中可以看出，原始信號(hào)中位于50 Hz和300 Hz處的干擾信號(hào)頻譜峰被有效地抑制，而200 Hz處的正常信號(hào)頻譜峰仍保留了下來(lái)，從下面的局部放大的原始信號(hào)與濾波后的信號(hào)波形比較圖中可以清楚地從時(shí)域上觀察到濾波所產(chǎn)生的顯著效果。如圖6所示。

圖6 放大后的原始信號(hào)與濾波后信號(hào)局部波形比較圖

4 結(jié)論

LabVIEW能夠很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)采集、處理、分析等功能，通過(guò)濾波處理可以看出LabVIEW在信號(hào)測(cè)試中占有重要的位置，可以幫助測(cè)試人員減輕負(fù)擔(dān)、提高測(cè)試效率，重要的是測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了保障。利用LabVIEW搭建測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，能夠直接得到想要的結(jié)果，簡(jiǎn)單又方便，省去了事后處理的麻煩。LabVIEW簡(jiǎn)單易學(xué)，具有很好的兼容性，隨著自身功能的不斷完善，不久的將來(lái)LabVIEW會(huì)成為通用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

[1] 趙玉劍,龔邦明.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)處理方法[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(6):99-101.

[2] 祁雪梅,潘冬明,QIXuemei,等.LabVIEW在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(14):152-153.

[3] 張小琴.LabVIEW在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].福建電腦,2010,26(11):101-102.

[4] 楊麗娟,張白樺,葉旭楨.快速傅里葉變換FFT及其應(yīng)用[J].光電工程,2004,31(B12):1-3.

[5] 崔海飛.高性能小型化微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué),2013.

Digital Signal Processing with Labview

ZHAO Shu-zhong,LI Shu-na

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

LabVIEW; digital signal processing; digital filtering

LabVIEW plays an important role in digital signal processing.The signal generation,time domain analysis,frequency domain analysis method and application of a variety of commonly used signal transform in digital signal processing will help to solve the problem.LabVIEW in each module and the calculation method and how to filter the collected signal analysis were introduced by examples.The results show that the desired the effect is achieved.

2095-2716(2017)03-0088-05

2017-03-04

2017-05-04

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