基于LabVIEW的多功能虛擬頻譜分析儀的設計

傳統頻譜分析儀器硬件結構復雜，體積笨重，價格昂貴，而且功能和規模固定、不可進行再開發,使其在高校實驗教學中很難普及。虛擬儀器是現代儀器技術與計算機技術結合的產物，利用計算機軟件代替傳統儀器的硬件實現信號分析、數據處理和顯示等多種功能[1]。本設計在研究了傳統頻譜分析儀的基本結構和工作原理后，提出了一種基于虛擬儀器技術的頻譜分析儀設計方案，該系統不僅能夠實現頻譜分析儀的一般功能——幅相譜分析、功率譜分析、頻譜分析，還能實現對信號的時頻分析和倒頻譜分析。

1 系統的總體結構設計

本系統采用模塊化的構建方式，主控制卡和模塊采集卡均插在系統背板上進行數據傳輸，實現即插即用功能，提高了系統的靈活性和儀器的可重構性;硬件采用FPGA技術，使其具有開放性，有利于功能的擴展;軟件采用LabVIEW圖形化編程語言，其開發效率高，可維護性好，自定義功能強大。圖1為系統總體結構。

上層軟件采用LabVIEW語言進行編程，通過驅動把控制命令傳遞到主控制卡上，主控制卡與模塊采集卡通過利用FPGA實現的雙口RAM 保持通信、傳遞命令。采集到的信號數據存儲到模塊采集卡的FIFO存儲器中，之后再通過背板總線把數據傳送到主控制卡中，主控制卡再把數據傳送到上層軟件LabVIEW中，通過LabVIEW編寫程序來實現對信號的分析處理[2]，完成多功能虛擬頻譜分析儀的功能開發。

2 頻譜分析儀的硬件結構設計

虛擬頻譜分析儀的硬件部分負責數據采集和數字化，由總線接口通信模塊、信號調理模塊、觸發電路模塊和A/D轉換模塊四部分構成。圖2為硬件設計原理圖。

(1)總線接口通信模塊：MCU通過利用FPGA實現的雙口RAM與系統總線接口進行通信。MCU主要負責系統的初始化、處理總線發送過來的命令、控制相應的電路單元。

(2)信號調理模塊：對大信號進行衰減、小信號進行放大，保證將信號調整到合適的電壓范圍內。由輸入耦合電路、衰減電路、驅動放大電路等組成，單片機控制各個功能電路。

(3)觸發電路模塊：觸發電路的作用是控制每次信號采集的起始位置，保證用戶能夠觀察到穩定的波形，MCU通過控制多路選擇器來選擇觸發信號源，之后經過信號整形電路輸入給FPGA，從而進行時序控制[3]。

(4)A/D轉換模塊：選用ADI公司的雙通道數模轉換器AD9288，每通道最高采樣率為40 MS/s。該模塊是多功能虛擬頻譜分析儀的核心模塊，實現模數轉換功能，并將轉換后的數據存放到FPGA內部的FIFO中。

3 頻譜分析儀的軟件設計與功能實現

本文設計的虛擬頻譜分析儀結合虛擬儀器技術,采用模塊化的設計思想，每個功能模塊實現一個功能分析。首先在前面板進行數據采集的各項設置，上層軟件通過調用DLL(動態鏈接庫)與系統總線進行通信，經數據采集卡采集到的數據通過USB總線上傳到上位機，之后通過LabVIEW軟件編程處理，最后實現頻譜分析儀的功能分析。

3.1 一般功能分析

3.1.1 幅相譜分析

在測量信號的幅值和相位時,主要利用快速傅里葉變換,得出信號的FFT譜,然后根據FFT譜計算出幅值譜和相位譜[4]。幅相譜定義：假設x(n)是一個功率有限的輸入，它的傅里葉變換為：

稱X(?棕)為x(n)的頻譜。當x(n)為離散信號時，幅值譜的計算公式：

圖3為幅相譜分析程序圖。

3.1.2 功率譜分析

功率譜表示隨機信號頻域的統計特性,有明顯的物理意義。本文采用直接法，通過對原始數據直接進行快速傅里葉變換,求得DFT譜后再求功率譜密度[5]。功率譜密度公式為：

式中P(k)為輸出序列的功率譜，X(k)為輸入序列的傅里葉變換;N信號序列的點數。圖4為功率譜分析程序圖。

3.1.3 頻譜分析

本設計采用快速傅里葉變換算法來實現信號的頻譜分析。LabVIEW軟件包含FFT控件，調用該控件對采樣后的離散序列進行 FFT即可得到信號的頻譜。當用LabVIEW中的實數 FFT 控件對從數據采集卡中傳上來的實數序列進行信號處理時，需要保證采樣序列長度是2n;考慮到實數序列通過FFT控件處理后的幅度是對稱的，僅需對信號進行單邊傅里葉變換;需注意直流序列可直接輸出，而交流輸出序列的幅值翻倍后輸出才是最終結果[6]。圖5為頻譜分析程序圖。