GHz高頻信號的LabVIEW和MATLAB混合處理新方法

摘要：探討了對高頻信號進行采集和處理的設計難點，提出將LabVIEW的采集數據的特性與MATLAB強大的計算能力相結合的方法，并以此設計了一個系統。然后通過3種不同的方法，分別是將txt文件引入MATLAB、使用MATLAB script、使用Math Script RT，來結合LabVIEW和MATLAB，以采集得到的信號和內部產生信號的均方差及相關系數為標度來分析不同方法的可行性及效率，通過對比結果，最終確定了一種最佳的方案。
關鍵詞：高頻信號；均方差；相關系數；LabVIEW；MATLAB

隨著技術力量的不斷提升，被處理的信號的頻率越來越高。例如，手機的信號便是上GHz的超高頻信號。在采集這類超高頻信號的過程中，系統很容易受到各種電磁波的干擾，從而使有用信號夾帶各式各樣的諧波成分，這就給后續的信號處理帶來了很大的麻煩，諸如數據量過大，計算復雜等。因此設計一套效率高，可用性強的系統來對高頻信號進行采集及處理顯得尤其重要。

1 設計思路
在這篇文章中，作者討論一種可行的方法，即是使用LabVIEW來進行數據采集，使用MATLAB作為數據處理的平臺。那么如何高效的將兩者結合將成為設計的關鍵。本文將對不同的結合方法進行實驗，具體執行步驟如下：首先使用LabVIEW將高頻信號采集回來并暫時保存；鑒于MATLAB強大的計算能力，作者使用它來產生一個用于比較的高采樣率的波形，并將這個波形通過3種不同的技術引入LabVIEW；最后通過均方差與相關性，可行性與速度的對比，分析哪一種方法才是最好的。

2 文獻調查
在文獻中，作者介紹了在LabVIEW平臺如何運用DAQ工具進行基本采集的相關操作。文獻中的作者介紹了在MATLAB上對信號進行各種處理的基本方法。在文獻中，作者展示了在NI平臺上如何運用Math Script RT模塊來開發MATLAB代碼。文獻介紹了在LabVIEW中使用MATLABscript模塊進行接口設計。

3 軟件介紹說明
LabVIEW是一種基于數據流的編程語言，而MATLAB是第四代編程語言，用來執行數字計算的任務。
LabVIEW的數據流編程是一種基于圖標的，因而常被人們稱為G語言。用這些圖標連成的程序叫做VIs(虛擬儀器)。程序的接口是基于前面板的，它能夠接收輸入和提供輸出，在前面板中各部分模塊以圖標連線的方式組成一個結構框架。前面板中的另外一個重要的特性是連線板，它的作用是在一個VI中以圖標的方式使用另一個VI。
人們最初使用LabVIEW只是用來測量，自動化控制，但是隨著LabVIEW集成了越來越多的特性，它逐漸轉變成了一種完善的開發環境。G語言最大的優勢就在于他并行執行的能力。
MATLAB常被人們稱為第四代語言。它具有嚴謹的數字化矩陣操作，如果用一些簡單的語言，如：C，C++，來執行這些操作的話，那不論對編程者還是計算機來說都將是非常困難的。MATLAB起初是用來計算復雜的矩陣的。它也集成了不同的特性來滿足各種各樣的要求。例如，添加的Simulink就是MATLAB朝圖形模塊化發展的重要的一步。
使用LabVIEW還是MATLAB來完成特定的功能，取決于編程者的個人愛好。但是由于某些原因，作者需要將一種編程環境的特性使用在另一種環境中，比如：將一個使用MATIAB寫的代碼使用在并行執行的環境中。本文主要研究了LabVIEW與MATLAB相結合的3種解決方法，并通過一個用來標度的信號發生器來分析使用3種不同方法的優劣。

4 系統
所設計的系統結構如圖1所示。

4．1 產生信號
當要對一個高頻信號(比如高達2 GHz的信號)進行采集和處理的時候，通常會設計一個高速或者超高速硬件采集電路。包括放大部分、濾波部分；A／D和D／A轉換部分等，這對電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時，目前市場上的高頻信號發生器價格普遍昂貴。因此作者使用LabVIEW的DAQmx工具包，產生虛擬高頻信號。
DAQmx產生的虛擬高頻信號可調參數多，且能夠產生諸如正弦波，方波，鋸齒波等波形。作者使用不同參數的信號，以使得結果更具有說服力。例如：頻率范圍：500 M～10 GHz，分辨率為10 Hz。
4．2 LabVIEW進行采集及顯示
先在DAQmx定時VI中設定好采樣模式及采樣率，這里作者設定的是連續采樣模式和1 000的采樣率；接著在DAQmx讀取VI中，作者設定為模擬多通道多采樣2D DBL，超時設為2；最后將DAQmx開始任務VI、DAQmx停止任務VI、DAQmx清除任務VI與前面兩個VI連接，這樣就完成了基本的采集設計。將產生的模擬信號直接連接到波形圖表VI可以很直觀的看到波形。
前面板設計如圖2所示。

其主要部分是顯示采集波形的圖表，和內部產生波形數據的圖表。表盤和其左方的波形圖是均方差的相關表述，數字控件描述的是均方差和相關系數的值。
相比起其他的信號比較法，如：基線信號比較法、信噪比和有效數據位比較法等，采用均方差來比較波形顯得更加的簡便，可靠。而相關性揭示了2個波形的相似度，即是2個數據間的線性關系。
采集的數據在LabVIEW中被保存為一個txt文檔，這只需要將數據連線到寫入文本文件VI即可。保存的數據可以被用來進行處理、分析或者是其它用途，同時這也提供了備份以防止不可遇見的事故發生。
4．3 MATLAB進行處理
MATLAB被用來執行數據計算來比較2個波形。