基于LabVIEW和DSP技術的FFT頻譜分析儀

　　1 虛擬儀器概念和特點
　　
　　虛擬儀器是虛擬技術在儀器儀表領域中的一個重要應用。它是日益發展的計算機硬件、軟件和總線技術在向其他技術領域密集滲透的過程中，與測試技術、儀器儀表技術密切結合孕育出的一項新的成果。20世紀80年代，NI公司首先提出了虛擬儀器的概念，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統。虛擬儀器是以計算機作為儀器統一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示以及與文件管理等基本智能化功能，同時把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使其與計算機融為一體，構成了從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統。由于儀器的專業化功能和面板控件都由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”[1]。
　　
　　目前在虛擬儀器技術領域，使用較為廣泛的計算機語言是NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發環境，類似于C和BASIC開發環境，但較之不同的是，LabVIEW使用的是圖形化的編輯語言，又稱為“G”語言。這種編程語言的特點是用具有框圖結構的VI代替繁瑣的程序代碼，產生的程序是框圖的形式，同時它盡可能利用了技術人員、工程師、專家所熟悉的術語、概念和圖標，因而廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受。LabVIEW逐漸成為一種標準的數據采集和儀器控制軟件，在進行研究、設計、測試并實現儀器系統時，可大大提高工作效率。
　　
　　2 DSP在虛擬儀器中的應用
　　
　　在PC虛擬儀器領域，采用高速DSP和局部總線的結構將成為PC虛擬儀器的主流結構。虛擬儀器作為儀器發展的新階段，雖然其專業化功能和面板控件都是以軟件形式所表現出來，但其硬件采集仍需要硬件設備來完成。
　　
　　DSP芯片是專門用于數字信號處理的芯片，它能獨立于CPU單獨運行，同時又有豐富的接口處理功能。更為重要的是，DSP芯片對數字信號的處理由其裝載的程序控制，開發人員可根據實際的需求自行開發程序，再將程序裝載入芯片，從而達到數字信號處理的目的。然而直接使用DSP來開發頻譜分析儀有諸多不便，這主要是因為當系統運行在WINDOWS等多任務操作系統時，特別在處理如FFT等大容量、高精度運算時，CPU資源會造成嚴重不足，這給底層硬件系統的設計應用帶來一定的不便。但使用虛擬儀器能很好地解決這個問題，虛擬儀器能借助DSP處理系統，將采集來的數據在DSP中進行預處理，然后再將數據傳遞給軟件部分，這樣不但沒有增加系統的負擔，相反，可以讓系統資源用更多的時間來處理其他事情。數據的處理是由軟件控制計算機系統來完成,虛擬儀器主要處理由USB數據采集器所采集到的數字信號，對其進行分析、運算和顯示。
　　
　　3 頻譜分析儀的應用和發展
　　
　　頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進行處理、分析及顯示。目前，頻譜分析在生產實踐與科學研究中獲得了日益廣泛的應用。例如，在聲納系統中，為了尋找海洋水面艦艇或潛艇，需要對噪聲信號進行頻譜分析，以提取有用信息，從而判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小；對飛機、汽車、電機、機床等主體或部件進行實際運行的頻譜分析，可以提供設計數據、檢驗設計效果，或者尋找振源和診斷故障，以便及時排除潛在故障因素，保證安全運行。
　　
　　早期的頻譜分析儀實質上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，經過一組并聯的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。由于帶通濾波器由電感、電容等多種無源、有源元件構成，頻譜分析儀顯得很笨重，且頻率分辨率不高。隨著電子電路技術的發展，出現了以傅里葉變換為基礎的現代頻譜分析儀，這類頻譜分析儀以電子電路來實現傅里葉變換，從而實現頻譜分析。但是，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實現的傳統意義上的頻譜分析儀，存在復雜性、封閉性等自身無法克服的缺點。隨著計算機技術的發展和普及，虛擬儀器技術應用到頻譜分析儀中，克服了傳統硬件化的頻譜分析儀自身無法克服的缺點。