基于LabVIEW的信号处理演示及实验系统设计

刘 霞，刘 均，殷海双，邹彦艳，陆敬祎

（东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318）

信号处理的目标是突出或提取隐藏在时间序列里的特征，这就需要对时域信号进行转换和处理。而实际信号又大多是非平稳信号，因此对非平稳信号的处理已成为信号处理的研究热点[1]。而目前，关于信号处理的实验系统多是分析和处理平稳信号的[2-5]。因此，本系统采用美国NI公司推出的LabVIEW软件，利用其直观的图形化开发环境和功能强大的数据分析库函数[6]设计开发了一套虚拟信号处理演示与实验平台，可对平稳和非平稳信号进行时域、频域以及时频域分析。该系统具有很强的交互性、实时性和可视性，有助于激发学生的学习兴趣和创新意识，提高教学质量。

1 虚拟信号处理演示及实验系统的构架

1.1 设计方案

由LabVIEW通过波形发生器和噪声发生器产生多种可选信号作为原始信号，传递给LabVIEW相应的功能函数，完成所设置的信号分析和处理，并实时显示处理结果。设计方案框图如图1所示。

图1 系统设计框图Fig.1 System design scheme

1.2 系统前面板及各功能区

虚拟信号处理系统前面板由3个选择区组成，如图2所示。

图2 虚拟信号处理系统的仪器面板Fig.2 Instrument panal of the virtual signal processing system

信号类型选择区：可以对信号产生方式进行选择，包括基本信号、公式信号、任意信号、混合单频信号、提取信号。

噪声类型及参数选择区：该子面板提供3种白噪声（高斯白噪声、均匀白噪声和周期性随机噪声），给信号进行加噪处理。同时用3个波形图显示工具显示“原始波形”、“含噪声信号”和“噪声信号柱状图”。

信号处理功能选择区：单击该区选项卡控件可以选择信号滤波、信号加窗、自功率谱、傅里叶变换、FFT频谱、时频图等信号处理功能。

2 虚拟信号发生器设计及仿真

虚拟信号发生器包括信号发生器和噪声发生器两部分。信号发生器通过选项卡控件选择信号发生器类型，通过调节控件改变所选信号的幅值和频率等参数。基本信号发生器中可产生正弦信号、方波信号、锯齿波信号、三角波信号，并可对频率、幅值等参数进行调节；公式信号发生器中可以输入所需波形的表达式，可以设置频率、幅值及偏置量；任意信号发生器可以通过波形表输入控件设定波形；混合单频信号发生器中可通过设置起始频率、单频个数、间隔频率、相位关系等参数产生信号；提取信号可以从文件中读取波形，实现对外界信号的的处理。噪声发生器可选择加噪类型、噪声幅值/方差可以对生成的信号进行加噪。其中基本信号发生器和噪声发生器程序流程图如图3、图4所示。仿真产生加入均匀白噪声的正弦波，幅值为1，频率为5，输出的信号波形如图5所示。

图3 基本信号发生器程序流程图Fig.3 Flow chart of basic signal generator

3 虚拟信号处理器设计与仿真

虚拟信号处理器前面板如图6所示，单击该区选项卡控件可以选择信号滤波、信号加窗、自功率谱、傅里叶变换、FFT频谱、时频图以及时域描述功能，根据需要对信号进行时域分析、频域分析以及时频域分析。信号滤波模块设计了IIR和FIR两种滤波器类型，可以实现高通、低通、带通和带阻4种类型的滤波器，滤波器的截止频率、采样频率、阶次以及切比雪夫滤波器的通带波纹可根据实际情况由用户自行设置，并有独立的开关控制开始和停止；信号加窗模块有窗函数的类型选择、窗属性显示、窗函数和加窗后信号波形显示，可实现汉宁窗、矩形窗、高斯窗等多种窗函数的选择；自功率谱模块分别对原始信号、含噪信号、巴特沃夫滤波后信号求自功率谱，不仅反映了噪声信号对功率分布的影响，而且表现出滤波器在不同滤波类型下对信号自功率分布的作用；傅里叶变换模块对信号进行了傅里叶变换，并把变换后结果作为输入进行了傅里叶反变换，这样验证傅里叶变换的正确性和可逆性；FFT频谱模块选用FFT频谱 （幅度-相位）VI得到原始信号的幅频谱和相频谱，可实现对信号的频域分析；时频图模块中含有两种时频分析方式：短时傅立叶变换（STFT）和WVD时频分析，可实现对信号时频域分析；时域描述中主要对信号进行时域的特征值描述，包括时间特征值和幅值特征值。

图4 噪声发生器程序流程图Fig.4 Flow chart of noise generator

图5 信号加噪及波形显示Fig.5 Signal with noise and waveform display

图6 信号处理功能区Fig.6 Signal processing region

其中傅里叶变换程序如图7所示，STFT和WVD两种时频分析程序如图8所示。

仿真信号为：x（t）=Asin（2π ft）+Asin（4π ft），t∈[0，1]

取 f=20 Hz，幅度A=2，采样点数为 500，对其进行傅里叶变换及反变换，如图9所示。对其进行STFT和WVD变换，如图10所示。

图7 傅里叶变换程序流程图Fig.7 Flow chart of Fourier transform

图8 时频分析程序流程图Fig.8 Flow chart of time-frequency analysis

图10 STFT和WVD变换仿真图Fig.10 Simulation chart of STFT and WVD

从图9中可以看出原始信号是在t∈[0，1]区间由20 Hz和40 Hz正弦波合成，从FT变换中可以看出所包含的两个频率成分，但不知该频率成分所在的时间范围，因此FT缺乏时间和频率的定位功能。

从图10中STFT时频图中可以看出该信号在t∈[0，1]区间包含20 Hz和40 Hz的频率成分，所以STFT具有良好的时频定位功能。从WVD时频图中可以看出WVD也具有时频定位功能，但却出现了交叉干扰项。

通过该实验可以使学生更深刻的理解信号的傅里叶变换、短时傅里叶变换等分析方法。

4 结 论

该系统充分利用了LabVIEW易于编程和调试的图形化平台、丰富的数学和信号处理库函数以及独特完整的信号变换方法，设计了该信号处理演示及实验系统。弥补了传统的信号发生器只能产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等基本波形，并实现了对虚拟信号以及实际信号的时域、频域以及时频域分析。该系统界面友好、操作简单、交互性好，便于学生实验以及对实际信号进行分析处理，有利于提高学生的学习兴趣及创新能力。

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