基于LabVIEW 的干涉仪测向实验教学系统设计

陈良兵，邓贞宙，王玉皞，周辉林

（南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031）

由信号与系统、数字信号处理等课程构成的信号处理课程群是信息工程大类本科的核心专业课程群[1-3]，其基础理论与算法在遥感、雷达、通信等领域有非常广泛的应用，也是人工智能、5G 通信及无人驾驶等当前热点技术发展的基石。但是由于该课程群偏重理论基础、概念抽象、数学公式较多，本科学生在课堂上难以透彻理解相关知识点。因此，迫切需要配套实验课程为本科生提供好的工程实践环境，以便于他们将物理概念与工程实践联系起来，达到熟练掌握并运用相关知识解决实际问题的目的。

当前的信号处理课程群辅助实验课程，在设计上多以知识点的软件仿真为主，比较零散，缺少硬件平台支撑，也缺乏系统性的实际工程应用将各知识点相关实验串联起来[4-7]，因而实验效果有限。学生很难通过纯粹的软件仿真，建立起对信号处理相关基础知识的深刻认识。

针对目前信号处理课程群实验课程中的不足，立足科研平台，结合信号处理课程知识体系结构，对现有的毫米波阵列系统科研平台进行改造，设计了基于LabVIEW 的干涉仪测向实验教学系统，围绕核心知识点及测向信号处理过程，开发了配套的LabVIEW 实验软件，并设计了以测向为应用实例、将各知识点相关实验串联起来的综合实验。该实验教学平台软硬结合，可使学生直观感受相关知识在工程实践中的具体应用，有效激发了学生对实验课程的兴趣。

1 干涉仪测向应用与信号处理课程群知识点之间的联系

干涉仪测向是利用多通道接收机接收辐射源发射的信号，并通过信号处理实现对辐射源方向的测量，是一种比较成熟的测向方法，在军事领域应用广泛[8-10]。干涉仪测向系统与相关知识点的联系如图1 所示。测向系统的基本单元为构成干涉仪的一对天线，天线接收的信号经通道放大、滤波后，被ADC 采集量化转换为数字信号，对各通道数字信号进行傅里叶变换、频域检测完成鉴相，然后根据相位差与辐射源方向之间的关系获得辐射源的方向。

图1 干涉仪测向系统与知识点联系图

可以发现，干涉仪测向系统的建模与设计涉及连续信号的抽样、Nyquist 采样定理、傅里叶时域平移特性、傅里叶频域平移特性、频域滤波、傅里叶变换等多种信号处理问题。因此，干涉仪测向的每一个步骤都可以作为一个单独的实验，而干涉仪测向系统将信号处理中的许多关键仿真串联起来了，能够帮助学生对相关知识点的概念及应用形成更深刻的认识。

图2 毫米波8 单元阵列接收系统硬件组成框图

2 毫米波阵列接收系统

毫米波天线阵列接收系统硬件组成框图如图2 所示。系统由天线、毫米波前端及下变频模块、中频模块、频率源模块、功分模块以及ADC 采集卡等构成。系统工作中心频率为33.5 GHz，带宽为100 MHz，天线阵列由8 单元天线构成，前端部分对天线接收的微弱信号进行放大并滤波。为减少系统噪声、保证信号恢复质量，信号放大采用的是低噪声放大器，低噪放在33.5 GHz 左右的噪声系数约为2 dB，增益为21 dB。下变频采用一次变频方案，天线接收频率主要为33.45~33.55 GHz，利用频率源的33.125 GHz 的信号经功分模块与前端信号进行混频，可将原本的毫米波信号下变频至中频信号，中频中心频率为187.5 MHz，中频范围为137.5~237.5 MHz，带宽为100 MHz。

中频模块对下变频后的中频信号进行处理，可实现镜像频率抑制、放大、滤波，放大增益为20 dB,滤波器为带通滤波器。利用NI-5171R 采集卡对信号进行采样数字化。NI-5171R 是NI 公司研发的采集卡，包含了一块可编程的Kintex7 410T FPGA，能实现8个通道同步采样，采样频率为250 MHz，大于2 倍系统带宽，满足Nyquist 带通采样定律。采样信号数据通过PXIe 总线传输至PC 机。硬件系统实物组成及连线图如图3 所示。

图3 毫米波8 单元阵列接收系统

干涉仪测向的阵列需求与科研实验的阵列需求有一定差异。为满足干涉仪测向阵列需求，购置了导轨与滑块，将天线及前端安装在滑块上，各滑块可在导轨上滑动（见图4），这样可以获得不同天线间距，以满足干涉仪测向实验需求。此外，系统有8 个天线，基于滑块的位置调整，可将8 阵列接收系统拆分为3、4 个干涉仪测向系统，多组学生可同步进行数据采集及硬件实验，提高实验效率。

硬件实物一方面为学生提供了对5G 通信、毫米波雷达等系统组成的直接展示，另一方面也为他们对电磁信号转化为电信号，并经放大、滤波、变频的过程有直观的认识。可帮助学生将信号与系统的关键概念与实际系统联系起来，激发实验动力，改善实验效果。

图4 8 通道毫米波样机系统天线阵列、导轨及滑块

3 LabVIEW 实验软件设计

LabVIEW 为图形化编程开发环境，其将函数图形化为虚拟仪器（VI），图形连线代表数据流入流出，简化了传统语言编程过程。其庞大丰富的函数库为快速实现数据采集与处理提供了便利，在测试测量、工业控制、仿真等领域有广泛应用[11-12]。在信号处理课程群中，可利用LabVIEW 的信号分析功能，并可利用控件构造虚拟示波器、虚拟频谱仪等直观显示信号的波形、频谱及处理前后变化，有利于学生加深对数字信号处理概念的理解。

本系统的LabVIEW 实验软件设计主要包括程序设计以及前面板设计。程序设计根据测向信号处理过程，分为信号采集存储及波形显示、傅里叶变换及频谱分析、测向算法处理三部分。程序设计流程如图5所示。

图5 程序设计流程

对于信号采集部分，从LabVIEW 中ACQ 选板及FPGA 选板，选择与采集卡进行数据传输必需的函数VI 以及FPGA 调用VI，设置必需的设备地址、采样带宽、采样数等参数，实现与采集卡通信并获取信号数据，该部分程序写入子VI（SubVI）中，然后利用LabVIEW 自带的波形图控件构建虚拟示波器显示时域波形。

对于傅里叶变换及频谱分析部分，采用子VI 方式输入通道数据，利用LabVIEW 提供的信号处理函数库，对通道数据进行FFT 以及频谱分析，并利用波形图控件构造虚拟频谱仪显示信号的幅度谱。

算法处理部分是对各通道数据的频域信息进行梳理，根据幅频数据进行信号检测，然后根据检测的信号频率，提取各通道该信号频率处的相位，并根据相位差计算出二元干涉仪测量的辐射源入射角，利用波形图画出测向结果。

前面板是LabVIEW 中用户与程序结果进行交互的界面，包含了参数设置、信号时域图、幅度谱图、测向结果图，如图6 所示。在前面板中选择保存文件并设置好文件存储路径后，可把通道信号数据以二进制文件形式存储至本地，也可利用其他软件如MATLAB 进行后续数据处理。

图6 程序前面板界面

4 实验设计及验证

基于该硬件系统与开发的软件平台，可完成常规的周期信号波形实验、Nyquist 采样实验、FFT 及幅频特性实验，帮助本科学生建立起对信号处理概念的物理认识。在此基础上，可完成一个测向综合实验，帮助他们进一步认识信号处理相关知识在实际工程问题中的应用。为了保证这些常规实验的正常开展，利用科研环境对该干涉仪测向实验教学系统进行了实验验证。

验证实验在室内进行，由发射源、阵列接收系统以及实验软件构成。发射源利用科研仪表罗德与施瓦茨公司的SMW200A 矢量信号发生器产生毫米波信号，并经圆喇叭天线发射，发射源距离接收阵列3.6 m，实验中可在光具座上左右移动发射天线形成不同的发射角。接收端选择阵列左端第1 个与第2 个天线构成一对干涉仪，两个天线距离2 cm。根据干涉仪测向原理，该系统无模糊测向范围为–13~13°，因此需在实验中控制发射天线的移动范围，以免产生测向模糊，出现错误测向。

设置信号源，产生频率为33.5 GHz、功率为–30 dBm的毫米波信号，调整发射天线距离偏移阵列视轴40 cm，对应的入射角约为6.35°。软件显示时域波形如图7 所示，频域幅度如图8 所示，测量信号频率为187.5 MHz，与预期一致。测向结果如图9 所示，为6.33°，与实际设置角度非常接近，表明该测向实验平台达到设计目标。

图7 信号时域波形

图8 信号频域幅度

图9 测向结果

5 结语

本实验教学系统设计充分发挥科研平台优势，为信号处理课程群实验教学提供了很好的硬件实物支撑，并通过LabVIEW 软件开发，很好地将信号处理与实际系统糅合在一起，为本科学生提供了一个理论联系实际的工程实践环境，弥补了当前实验课程重仿真、轻实践的不足。今后将在现有基础上，进一步围绕测向应用深入挖掘，探讨信号处理在长短基线干涉仪、虚拟基线干涉仪等复杂工程系统中的应用，并尝试将其引入实验课程教学，培养锻炼本学科生解决复杂工程问题的能力。