基于LabVIEW的信号分析与处理系统的设计

赵斌杰 叶国文

摘要：LabVIEW作为最流行的虚拟仪器开发平台，数据采集、信号处理与分析是其强项与优势，本文以混合白噪声的信号的分析与处理为例，构建一个基于LabVIEW的信号分析与处理系统。

关键词：LabVIEW 信号分析与处理

0 引言

随着计算机、电子技术及信息处理技术的发展，以及它们在测量领域的广泛应用，新技术新理论的产生，仪器的概念和设计原理发生了巨大的变化，而虚拟仪器（Virtual Instrumentation，VI）也越来越受到人们的关注。

虚拟仪器起源于20世纪70年代，其有别于传统仪器的概念，主要强调软件在仪器中的作用，由于其结构的多样性及适用范围的广泛性，到现在还没有一个统一的定义。美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）提出了一种定义：虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。并且于1986年10月发布了LabVIEW 1.0（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），随后经过NI公司LabVIEW开发团队不断地改进和更新，已经从最初简单的数据采集和仪器控制的工具发展成为科技人员用来设计、发布虚拟仪器软件的图形化平台，成为测试测量和控制行业的标准软件平台。

LabVIEW的应用前景很广，个人认为好像是一门专业编程语言，就好像C语言一样，C语言是把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。而LabVIEW也包含有类似于C语言的控件，提供了大量的可视化的模块，例如布尔，滤波器等，用连线将其连接；还有LabVIEW有非常方便的硬件接口，可以与C语言等结合起来使用，使用户还有开发者更加灵活地应用和开发。 LabVIEW它针对的使用对象是测试、测量工程师或相关的科学研究人员（当然它的发展也不局限与此，像DSP、FPGA、PDA等），但在测试、测量领域还没有一个比LabVIEW更好的编程语言。

1 系统的实现

1.1 前面板的设计

信号处理与分析系统分为两个部分：

①信号产生部分，是信号的产生部分，通过在信号中参杂均匀白噪声来模拟混叠原始信号，显示信号的波形、幅值和频率，并以均方根（RMS）的形式显示信号的频谱，在面板上设有信号类型选择控件和幅值、频率及噪声幅值设置控件，用户可以根据需要设置各种混杂信号。

②信号处理与分析部分，为信号产生模块中生成的混杂信号提供各种常用处理与分析方法，用图形显示其处理分析结果。用户可以通过各种输入控件选择不同的滤波器的各项参数进行设置。

1.2 程序框图的设计

程序框图分为三个部分：

①信号产生部分，主要是使用“仿真信号”模块，创建“幅值”和“频率”两个输入控件，用来控制仿真信号的幅值和频率。

②信号分析与处理部分，主要是运用“信号的时间与瞬态特性测量”、“频谱测量”和“滤波器”等三个模块，通过选择不同的滤波器来进行滤波处理。

③信号显示部分，主要是使用“波形图”和文本显示控件，输出的数据以均方根（RMS）显示。以下是整个程序框图（图1）。

1.3 设计实例

仿真一个正弦波与白噪声的混叠模拟信号，仿真信号的子VI的属性为信号属性：正弦波；频率：10.1Hz；幅值：1；噪声类型：均匀白噪声；噪声幅值：0.6；采样率：1000Hz；采用点数：1000。

频谱测量子VI的属性为：测量值：幅度谱（均方根）；结果显示：海宁窗；相位：展开相位（Unwrap）。

从信号分析子模板中选择滤波器子VI，对信号滤波，采用四种不同的滤波器来比对滤波效果，分别是Butterworth， Chebyshev， Inverse-Chebyshev ，Bessel，设置参数：滤波器类型：低通；截止频率（Hz）：100；拓扑结构分别为Butterworth， Chebyshev， Inverse-Chebyshev， Bessel。

1.3.1 相同参数下不同类型的滤波器处理后的结果比较，设阶数为3，如图2所示。

从结果看，经过Inverse-Chebyshev滤波器的滤波效果最为理想。通过该课程设计，展示了整个信号分析与处理的过程，并借助于LabVIEW平台，将繁琐的信号处理的过程简单化，并使得吃力后的结果变得直观，有助于更好地理解信号处理的理论。

1.3.2 不同参数下的同一种滤波器的比较：

设置滤波器阶数时，设置不同的值，进行比较分析，下面以巴特沃斯滤波器为例。如图3，图4所示。

经过比较分析，得到阶数为5时，巴特沃斯滤波的滤波效果更为理想。

2 结束语

通过这次实例，我们可以体会到LabVIEW在信号处理与分析方面的强大功能，尤其是与传统的仪器相比：虚拟仪器的软件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点，例如这次实例中，为了提高滤波器的滤波效果，只需提高阶数就可以了，而不必重新购置仪器；一旦硬件平台搭建好后，可以用软件来实现其仪器的具体功能，各种仪器的差异主要还是软件上，这样很大程度上节约了成本；因为与计算机有良好的互联性，可以利用计算机强大的数据处理能力，创造出更好的仪器；用户可以根据自己的需要来定义制造仪器，更加符合实际的需要。总之，虚拟仪器将是测量领域的一个不可逆转的潮流趋势，有可能取代传统仪器的重要地位。

参考文献：

[1]黄松岭.虚拟仪器设计基础教程[M].清华大学出版社，2008.

[2]李福新.基于LabVIEW的OCT信号采集和分析[J].价值工程，2010（07）.

[3]刘婉妮.基于LabVIEW开发通信原理虚拟教辅平台[J].价值工程，2012（33）.