GHz高頻信號的LabVIEW和MATLAB混合處理新方法

摘要：探討了對高頻信號進(jìn)行采集和處理的設(shè)計難點，提出將LabVIEW的采集數(shù)據(jù)的特性與MATLAB強(qiáng)大的計算能力相結(jié)合的方法，并以此設(shè)計了一個系統(tǒng)。然后通過3種不同的方法，分別是將txt文件引入MATLAB、使用MATLAB script、使用Math Script RT，來結(jié)合LabVIEW和MATLAB，以采集得到的信號和內(nèi)部產(chǎn)生信號的均方差及相關(guān)系數(shù)為標(biāo)度來分析不同方法的可行性及效率，通過對比結(jié)果，最終確定了一種最佳的方案。
關(guān)鍵詞：高頻信號；均方差；相關(guān)系數(shù)；LabVIEW；MATLAB

隨著技術(shù)力量的不斷提升，被處理的信號的頻率越來越高。例如，手機(jī)的信號便是上GHz的超高頻信號。在采集這類超高頻信號的過程中，系統(tǒng)很容易受到各種電磁波的干擾，從而使有用信號夾帶各式各樣的諧波成分，這就給后續(xù)的信號處理帶來了很大的麻煩，諸如數(shù)據(jù)量過大，計算復(fù)雜等。因此設(shè)計一套效率高，可用性強(qiáng)的系統(tǒng)來對高頻信號進(jìn)行采集及處理顯得尤其重要。

1 設(shè)計思路
在這篇文章中，作者討論一種可行的方法，即是使用LabVIEW來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用MATLAB作為數(shù)據(jù)處理的平臺。那么如何高效的將兩者結(jié)合將成為設(shè)計的關(guān)鍵。本文將對不同的結(jié)合方法進(jìn)行實驗，具體執(zhí)行步驟如下：首先使用LabVIEW將高頻信號采集回來并暫時保存；鑒于MATLAB強(qiáng)大的計算能力，作者使用它來產(chǎn)生一個用于比較的高采樣率的波形，并將這個波形通過3種不同的技術(shù)引入LabVIEW；最后通過均方差與相關(guān)性，可行性與速度的對比，分析哪一種方法才是最好的。

2 文獻(xiàn)調(diào)查
在文獻(xiàn)中，作者介紹了在LabVIEW平臺如何運(yùn)用DAQ工具進(jìn)行基本采集的相關(guān)操作。文獻(xiàn)中的作者介紹了在MATLAB上對信號進(jìn)行各種處理的基本方法。在文獻(xiàn)中，作者展示了在NI平臺上如何運(yùn)用Math Script RT模塊來開發(fā)MATLAB代碼。文獻(xiàn)介紹了在LabVIEW中使用MATLABscript模塊進(jìn)行接口設(shè)計。

3 軟件介紹說明
LabVIEW是一種基于數(shù)據(jù)流的編程語言，而MATLAB是第四代編程語言，用來執(zhí)行數(shù)字計算的任務(wù)。
LabVIEW的數(shù)據(jù)流編程是一種基于圖標(biāo)的，因而常被人們稱為G語言。用這些圖標(biāo)連成的程序叫做VIs(虛擬儀器)。程序的接口是基于前面板的，它能夠接收輸入和提供輸出，在前面板中各部分模塊以圖標(biāo)連線的方式組成一個結(jié)構(gòu)框架。前面板中的另外一個重要的特性是連線板，它的作用是在一個VI中以圖標(biāo)的方式使用另一個VI。
人們最初使用LabVIEW只是用來測量，自動化控制，但是隨著LabVIEW集成了越來越多的特性，它逐漸轉(zhuǎn)變成了一種完善的開發(fā)環(huán)境。G語言最大的優(yōu)勢就在于他并行執(zhí)行的能力。
MATLAB常被人們稱為第四代語言。它具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)字化矩陣操作，如果用一些簡單的語言，如：C，C++，來執(zhí)行這些操作的話，那不論對編程者還是計算機(jī)來說都將是非常困難的。MATLAB起初是用來計算復(fù)雜的矩陣的。它也集成了不同的特性來滿足各種各樣的要求。例如，添加的Simulink就是MATLAB朝圖形模塊化發(fā)展的重要的一步。
使用LabVIEW還是MATLAB來完成特定的功能，取決于編程者的個人愛好。但是由于某些原因，作者需要將一種編程環(huán)境的特性使用在另一種環(huán)境中，比如：將一個使用MATIAB寫的代碼使用在并行執(zhí)行的環(huán)境中。本文主要研究了LabVIEW與MATLAB相結(jié)合的3種解決方法，并通過一個用來標(biāo)度的信號發(fā)生器來分析使用3種不同方法的優(yōu)劣。

4 系統(tǒng)
所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4．1 產(chǎn)生信號
當(dāng)要對一個高頻信號(比如高達(dá)2 GHz的信號)進(jìn)行采集和處理的時候，通常會設(shè)計一個高速或者超高速硬件采集電路。包括放大部分、濾波部分；A／D和D／A轉(zhuǎn)換部分等，這對電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時，目前市場上的高頻信號發(fā)生器價格普遍昂貴。因此作者使用LabVIEW的DAQmx工具包，產(chǎn)生虛擬高頻信號。
DAQmx產(chǎn)生的虛擬高頻信號可調(diào)參數(shù)多，且能夠產(chǎn)生諸如正弦波，方波，鋸齒波等波形。作者使用不同參數(shù)的信號，以使得結(jié)果更具有說服力。例如：頻率范圍：500 M～10 GHz，分辨率為10 Hz。
4．2 LabVIEW進(jìn)行采集及顯示
先在DAQmx定時VI中設(shè)定好采樣模式及采樣率，這里作者設(shè)定的是連續(xù)采樣模式和1 000的采樣率；接著在DAQmx讀取VI中，作者設(shè)定為模擬多通道多采樣2D DBL，超時設(shè)為2；最后將DAQmx開始任務(wù)VI、DAQmx停止任務(wù)VI、DAQmx清除任務(wù)VI與前面兩個VI連接，這樣就完成了基本的采集設(shè)計。將產(chǎn)生的模擬信號直接連接到波形圖表VI可以很直觀的看到波形。
前面板設(shè)計如圖2所示。

其主要部分是顯示采集波形的圖表，和內(nèi)部產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的圖表。表盤和其左方的波形圖是均方差的相關(guān)表述，數(shù)字控件描述的是均方差和相關(guān)系數(shù)的值。
相比起其他的信號比較法，如：基線信號比較法、信噪比和有效數(shù)據(jù)位比較法等，采用均方差來比較波形顯得更加的簡便，可靠。而相關(guān)性揭示了2個波形的相似度，即是2個數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系。
采集的數(shù)據(jù)在LabVIEW中被保存為一個txt文檔，這只需要將數(shù)據(jù)連線到寫入文本文件VI即可。保存的數(shù)據(jù)可以被用來進(jìn)行處理、分析或者是其它用途，同時這也提供了備份以防止不可遇見的事故發(fā)生。
4．3 MATLAB進(jìn)行處理
MATLAB被用來執(zhí)行數(shù)據(jù)計算來比較2個波形。