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(duì)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(duì)功率譜作對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)量中，信號(hào)采樣長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。