基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀的設計與實現

O 引言
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言，集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP／IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。利用LabVIEW可以方便地建立各種虛擬儀器。
頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的必備手段，是從事電子產品研發、生產、檢驗的常用工具，應用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表。傳統的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內可調諧的接收機，輸入信號經變頻器變頻后由低通濾器輸出。濾波輸出信號作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，所以頻潛分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一，無論測量連續信號或調制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是傳統的頻譜分析儀只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量儀器，而且體積龐大。利用LabVIEW強大的虛擬儀器開發功能，可實現基于快速傅里葉變換(FFT)的現代頻譜分析儀功能，采用數字方法直接由模擬／數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣，再經FFT處理后獲得頻譜圖，可以解決傳統頻譜分析儀價格昂貴，攜帶不便等缺點。

1 虛擬頻譜分析儀總體設計方案
虛擬頻譜分析儀由數據采集卡、計算機和在其上運行的用LabVIEW開發的應用軟件組成，如圖1所示。

虛擬頻譜分析儀利用數據采集卡的模擬輸入和模擬輸出兩個功能，用模擬輸出功能產生所需的激勵信號，并將其加到被測網絡上，再用兩個模擬輸入通道將激勵信號和網絡輸出端的響應信號同時采集到計算機中，經處理后，構成幅頻和相頻特性曲線，并顯示在計算機屏幕上，最后對模擬生成的信號進行分析，在計算機屏幕上輸出模擬信號的幅頻／相頻特性。

2 虛擬頻譜分析儀組成及功能
2．1 虛擬儀器和頻譜分析儀組成
本文設計的虛擬頻譜分析儀由周期性信號發生器、濾波器以及幅頻／相頻特性、頻譜分析結果三個子模塊組成。信號發生器子模塊生成兩路模擬輸入信號，一路是可調頻率、相位和振幅的正弦信號，另一路是指可調頻率、相位和振幅的余弦信號，最后利用信號合成器把兩路信號混合起來作為生成的2路模擬信號；頻譜分析和濾波器子模塊利用LabVIEW強大的數字信號處理功能，對這組數據進行濾波、加窗、FFT運算處理，得到信號的實部譜和虛部譜，最重要的是得到信號的幅頻特性曲線和相頻特性曲線；在頻譜分析的結果子模塊中，對生成信號的頻譜進行分析，并將均方根值、一個周期內的信號均值等參數在系統退出時保存到文本文件中。其中，在濾波設置中可以控制濾波的通過方式以及截止頻率，最后顯示出頻譜分析結果，系統退出時提示保存當前數據到文本文件。
虛擬頻譜分析儀前面板分為3部分：周期性信號發生器、周期性信號濾波器及幅頻／相頻特性和周期性信號頻譜分析結果，如圖2所示。圖中顯示的是周期性信號發生器的界面，圖中正弦波和余弦波信號可以通過鼠標拖拽和旋轉按鈕來改變信號的頻率、振幅及相位。當拖拽的時候可以發現下方的2路原始模擬信號波形會發生變化，而且橫坐標軸的最大值也會發生變化。程序內部通過調用后面介紹的XScaleControl.VI就可以實現這個功能；對于周期性信號濾波器及幅頻／相頻特性和周期性信號頻譜分析結果這兩個功能模塊界面限于篇幅不再贅述。