基于LabVIEW的虛擬頻譜分析儀

　　1 引言



　　信號處理幾乎涉及到所有的工程技術(shù)領(lǐng)域,而頻譜分析正是信號處理中一個非常重要的分析手段。一般的頻譜分析都依靠傳統(tǒng)頻譜分析儀來完成,價格昂貴,體積龐大,不便于工程技術(shù)人員的攜帶。虛擬頻譜分析儀改變了原有頻譜分析儀的整體設(shè)計思路,用軟件代替了硬件。使工程技術(shù)人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場就可輕松完成信號的采集、處理及頻譜分析。



2 分析儀的一般分析功能



　　2.1 時間域分析



　　時間域（時域）分析是最直觀也是第一步的分析。從時域分析中既可做出一些原始判斷，又可確定進(jìn)一步分析的方向和目標(biāo)。



　　2.2 幅值域分析



　　幅值域分析一般用直方圖表示。



　　2.3 頻率域分析之一——頻譜分析



　　將時域信號變換成頻域信號再分析稱為頻譜分析。由于時域信號分為連續(xù)信號和離散信號，連續(xù)信號又可分為絕對可積、平方可積和均方可積；離散信號又可分為絕對可和、科方可和和均方可和，故對應(yīng)的頻譜也可分為多種。



　　2.4 頻率域分析之二——頻響函數(shù)



　　頻率響應(yīng)函數(shù)FRF(Frequency Response Function)是分析儀最常用的分析功能,它可作為原始數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用者作模態(tài)分析或在曲線擬合時使用。



　　以上功能其原理及分析均較簡單,限于篇幅,本文不作詳細(xì)闡述。



3 分析儀的特殊分析功能



　　3.1 倒頻譜分析



　　輸入x(t)和輸出y(t)的關(guān)系用公式y(tǒng)(t)=x(t)×h(t)表示。系統(tǒng)自然也包括傳遞途徑,此時x(t)為信號源(振源或聲源〉,h(t)為路徑特性,y(t)為傳遞后失真的信號,失真包括衰減、頻散、反射和回波等。



　　倒頻譜在力學(xué)、聲學(xué)等各方面得到以下應(yīng)用:



　　1)把信號源和路徑分離,得到信號源原始波和路徑特性(例如傳遞路徑的長度),有多個傳遞路徑時還能加以區(qū)分。


　　2)去除回波或回聲。帶多次回波的原始信號可理解為原始信號與一系列δ函數(shù)卷積,當(dāng)傳遞路徑較近時,回波與原始波形疊加,混淆了原始波形的形狀,利用倒頻譜可去掉回波。


　　3)把復(fù)雜的頻譜中各種信頻分開。例如某種機(jī)器有兩個不同轉(zhuǎn)速的軸產(chǎn)生了兩個不同的基頻和大量倍頻。設(shè)f1=30Hz,f2=31Hz,則譜圖中將出現(xiàn)頻率為30,31,60,62,90,93,...一大堆波峰,利用倒頻譜就可將它們清晰地分離開來。同理,倒頻譜也可分離各種邊帶頻率。



　　3.2 希爾伯特變換



　　希爾伯特變換又簡稱希氏變換在信號的包絡(luò)檢測、系統(tǒng)的非線性分析、相關(guān)分析等方面都有重要的用途。希氏變換將信號從時域變到時域,或從頻域變到頻域,以時域變換為例,公式為:







時域單邊信號,傅立葉譜的實部和虛部互為希氏變換。漸近穩(wěn)定的LTI(線性非時變)系統(tǒng),其單位脈響函數(shù)h(t)為絕對可積的單邊函數(shù),其傅立葉變換即頻響函數(shù)的實部和虛部Rr[H(f)]和Im[H(f)]互為頻域希氏變換。利用這個特性可以判斷系統(tǒng)是否存在非線性。求出頻響函數(shù)后,對其實部(或虛部)作希氏變換再與實測的虛部(或?qū)嵅?做重疊比較,如兩者有差異,則為非線性,差異越大,非線性越嚴(yán)重。



4 分析儀的輔助功能



　　4.1 加窗



　　時域加窗可減少泄漏,頻域加窗可去除波形中毛刺(平滑),本文只介紹分析儀一些時域窗的功能,它除用于減少泄漏還有其他用途,加窗可加矩形窗,海窗、平頂窗、力窗和指數(shù)窗等,注意每種窗都是既有優(yōu)點、又有缺點。



　　4.1.1 矩形窗(也叫均勻窗、不加窗)它的功能僅為以采樣時間為窗長度截斷原始信號,它的泄漏較大,僅用于無泄漏場合。



　　4.1.2 海窗 用于減少泄漏,缺點在于頻域主瓣比矩形窗主瓣寬,確定峰值頻率時誤差較大。加海窗會降低峰值高度。



　　4.1.3 平頂窗 平頂窗主要用于提高分析儀的幅值讀數(shù)精度。輸入一個峰值已知的正弦波,用平頂窗在頻域讀數(shù),就可發(fā)現(xiàn)它的讀數(shù)最接近于真正峰值。



　　4.1.4 力窗和指數(shù)窗 用于瞬態(tài)測試中的錘擊法,力窗去掉脈沖力持續(xù)時間以外的噪聲,指數(shù)窗可使小自尼系統(tǒng)采樣結(jié)束時尚未衰減完的響應(yīng)變零以避免撞漏,它也對響應(yīng)大處加大權(quán),響應(yīng)小處加小權(quán)以提高情噪比。



　　4.2 平均



　　平均的目的在于：


　　1)隨機(jī)噪聲污染的確定性信號,通過平均提高倍噪比。


　　2)對純隨機(jī)信號,通過平均提高置信度。



5 系統(tǒng)設(shè)計與編程



　　5.1 系統(tǒng)主界面



　　系統(tǒng)主界面如圖1所示。






圖1 主界面圖



　　5.2 虛擬頻譜分析儀的功能框圖



　　圖2為分析儀儀器框圖。






圖2 分析儀的分析功能



　　5.3 系統(tǒng)編程



　　本程序是在LabVIEW平臺上設(shè)計編制的,由于改進(jìn)傅立葉變換的算法很多,用LabVIEW中的數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊完成比較繁雜,而現(xiàn)在如VC++,MATLAB等高級語言更適于編制復(fù)雜運(yùn)算方法,運(yùn)算更快,效果更理想。要想達(dá)到這個目的,必定要在LabVIEW中調(diào)用某種高級編程語言。圖3為頻譜分析模塊程序圖。






圖3 頻譜分析儀總程序框圖


摘自《儀器儀表學(xué)報第3期增刊》