虚拟频谱分析仪研究

魏 塬，徐武彬

WEI Yuan XU Wu-bin

（广西工学院 机械工程系，柳州 545006）

0 引言

信号分析与处理是测试技术工作的重要组成部分。几乎所有的工程技术领域都涉及到信号处理，频谱分析研究信号的频率结构，是信号处理过程中非常重要的分析手段。一般的频谱分析都需要频谱分析仪完成。目前普遍使用的国内产品存在的主要问题是价格昂贵，加工工艺复杂，体积庞大，且生产技术要求较高。近年来，随着微电子、计算机、网络技术的高速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断出现，虚拟仪器应运而生[1]。虚拟仪器就是以计算机为基础并配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出接口，进行信号的采集、分析、处理及表达，从而完成各种测量功能的一种计算机测试系统。

LabVIEW是美国NI推出的功能强大的虚拟仪器开发平台，采用图形模式的结构框图构建程序代码，由于其灵活而直观的编程效果，操作方便的开发模式，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时可以缩短设计周期，提高工作效率。较之传统仪器更加易于维护，并且成本大大降低。本文设计了一种新型的基于LabVIEW的频谱分析仪，它改变了传统频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件，测试结果可靠，现场使用方便。

1 频谱分析仪的原理

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，信号处理技术通常包括时域分析和频域分析[2]。其中时域分析主要是相关性分析，频域分析包括傅立叶变换、功率谱分析和小波分析等。本文介绍的频谱分析仪通过将连续信号采样变为离散时间信号，再利用LabVIEW强大的数字信号处理功能，对数据进行滤波、加窗、FFT运算处理，进而得到信号的幅度谱、相位谱和自功率谱等，并按要求对测试结果进行显示和存储，其流程如图1所示。

图1 频谱分析仪流程图

2 软件设计

使用LabVIEW开发的测试系统通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来，完成数据采集、数据处理与分析、数据显示、存储、打印等。采用模块化的设计思想，它划分为数据采集、数据分析处理、结果表达三大功能，前面板设计如图2所示。

图2 频谱分析模块前面板

2.1 数字滤波

在对信号进行分析和处理时，往往存在有用信号叠加或干扰，滤波器的原理是根据有用信号与噪声信号的不同特性，消除或减弱干扰信号，提取有用信号。滤波器是一种选频部件，可以使信号中特定的频率成分通过，起着对某段频率成分进行筛选的作用。数字滤波器是是利用离散时间系统的特性，借助数字器件对输入信号进行处理，改变输入信号的波形或频谱，同时保留信号中有用成分、去除信号中无用成分。与模拟滤波器相比较，两者作用相同，实现方法不同，数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成、节约硬件成本等优点。而巴特沃斯、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器是测试工程中应用最广泛也是最经典的三种滤波器[3]。本文采用具有单独带通和阻带的巴特沃斯滤波器。

2.2 加窗处理

窗函数的作用包括截断信号、减少谱泄露和分离频率相近的大幅值与小幅值信号。在实际测量中，采样长度是有限的，而信号可以无限长，且周期与周期之间信号是不连续的，这将造成谱泄漏现象。谱泄漏的能量大小取决于周期延拓时突变的幅度，幅值越大，谱泄漏越多。加窗是指将被计算的振动信号序列跟长度相同的窗函数序列逐点相乘，然后再对相乘后的序列进行FFT变化，进而解决有限时间长度数据分析带来的泄漏问题。

加窗函数类型包括Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、三角窗、高斯窗、指数窗、FlapTop窗、Force窗、Welch窗等。它们的适用条件各不相同，可根据使用需要及输入波形的特点选择适当的窗。在此选择用来分析持续时间比较长的信号，且边缘不趋近于零的Hamming窗，其调用路径为Function→Signal Processing→Windows→Hamming Windows. vi。

2.3 FFT与DFT

频谱分析模块主要是对信号发生器产生的测试信号进行分析与处理。信号的频谱分析包含信号本身的频率特性分析，采集的信号经滤波、加窗处理后，对幅度谱、相位谱、功率谱等进行测量，同时可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择、窗函数类型选择等，从而获得信号在不同频率上的幅度、相位、频率等信息。

为了使计算机完成信号处理工作，需将连续信号进行采样得到离散数据，通过矩形窗将无限离散数据变为有限的离散数据[4]。离散傅立叶变换（DFT）的定义为：

可以实现快速傅立叶变换（FFT），它仅是离散傅立叶变换的快速算法，可以直接用来处理离散信号的数据，也可以用于连续信号的逼近。FFT使傅立叶变换的数字实现速度大大提高。

3 系统功能实现

前面板程序是用于提供用户与任意波形发生器的接口，在用于显示和处理结果的同时，用户也可以通过控制面板上的开关和按钮，模拟传统仪器操作，进而实现对任意波形发生器的控制。该虚拟信号分析仪主要包括信号发生器、频谱分析和数据存储三个主要模块。

3.1 信号发生器

本文实验中采用NI cDAQ9172机箱、NI 9203模拟电流输入模块、NI 9211热电偶输入模块和PC机，通过LabVIEW的DAQ助手进行信号采集，采样率和采样数可以根据需要来设置。由图3可知，含有干扰信号的正弦波信号经过滤波和加窗处理后与没有噪声的正弦波信号几乎相同，消除了很多低频及高频的干扰信号。该分析仪通过点击动态波形键能暂停波形的瞬时变化，并利用函数选板上的工具进行特定部分波形的分析[5]。

图3 处理前后信号的比较

3.2 频谱分析

对信号的分析可以分为时域分析和频域分析，仅仅对信号进行时域分析处理不能够反映信号的全部特征和揭示其全部信息，这时需要对信号进行频域分析[6]。通常将时间域的信号经傅立叶变换转化到频域进行分析，就能得到在时域信号中得不到的信息。

信号的频域分析方法是指根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。信号的频谱分析包括对信号本身的频率特性分析，如对幅度—相位谱、自功率谱等。经过滤波、加窗处理后的信号，用FFT Spectrum. vi 进行快速傅立叶变换，并计算其幅值谱和相位谱[7,8]。

自相关函数满足傅立叶变换条件，如随机信号x(t)的自相关函数为Rx(τ)，Rx(τ)的傅立叶变换为。则定义Px(f)为x(t)的自功率谱密度。由于Px(f)和Rx(τ)之间是傅立叶变换对的关系，两者是唯一对应的，由信号的自功率谱密度分析可以得到信号的频率成分。本文使用FFT Power Spectrum.vi 计算信号的功率谱，如图4所示。

图4 频谱图

3.3 数据存储

对于一个完整的测试系统，需要将采集到的数据以一定格式写入存储在文件中进行保存。数据读取存储的功能是利用文件操作函数库，采用数据表文件的形式对实验数据进行读写操作。采集到的信号既能存储为数据型的历史文件，或存于ACCESS等数据库，供以后分析研究；也可以通过外接打印机直接输出数据。数据的显示与保存可以直接利用‘写入测量文件.vi’进行。此频谱分析仪可以通过用Web服务器，用户可以不需要任何编·程就能在远程计算机上通过网页或LabVIEW连接到该频谱分析仪的程序面板，实现系统的远程监控功能。虚拟信号频谱分析仪的程序图如图5所示。

图5 程序框图

4 结论

基于LabVIEW图形化编程的虚拟频谱分析仪，主要实现了对信号本身的频率特性分析，包括幅值—相位谱、FFT、自功率谱分析等，在本设计中没有提到的频谱分析，只需从函数选板中加入相应的子VI即可。这也是虚拟频谱分析仪相对于传统仪器的一个巨大的优势。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，同一台虚拟频谱分析仪可以应用到更多场合，比如电量测量，以及在振动和图像等非电量测量中应用，甚至应用到远程网络测控中。通过频谱分析，能够找到系统的振动噪声源，进行故障诊断。因此，频域分析具有广泛的实际应用。

虚拟频谱分析仪的设计与实现过程充分运用了计算机强大的运算处理功能，不仅实现了一般的频谱分析仪具有的功能，还增强了分析处理的能力。它的图形界面友好，人机交互性强，具有可扩展性，操作简单，效率高，大大降低了成本，测试结果准确等优点。

[1] 李瑞,周冰,胡仁喜,等.LabVIEW2009中文版虚拟仪器从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2010.

[2] 宋玉杰.基于虚拟仪器的频谱分析研究[D].成都：西华大学,2009.

[3] 张伟刚.基于LabVIEW的转子自动平衡技术[D].上海：上海交通大学,2008.

[4] 申炎华,王汝杰,雷振山.LabVIEW入门与提高范例教程[M].北京：中国铁道出版社,2007.

[5] 马艳艳.基于LabVIEW 7.1多功能信号发生器的设计[J].太原理工大学学报,2008,39(6)：599-602.

[6] 杨奕,沈申生.基于虚拟仪器的机械振动系统边频识别和倒频谱分析[J].制造业自动化,2007,29(12)：23-27.

[7] 王磊,陶梅.精通LabVIEW8.X[M].北京：电子工业出版社,2008.

[8] 杜伟宁,赵晨光,王冕,等.基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计[J].吉林大学学报(理学版).2009,47(3)：548-552.