虚拟频谱分析仪的设计

摘要

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言，利用LabVIEW可以方便地建立各种虚拟仪器。

本文首先概述了虚拟仪器技术和频谱分析仪在国内外的发展及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LabVIEW开发平台，然后介绍了数据采集的相关理论，给出了数据采集系统的硬件结构图。在分析本系统功能需求的基础上，介绍了程序模块化设计、数据库、Web、多线程等设计中用到的技术，最后一章给出了本设计的前面板图。

频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤器输出。滤波输出信号作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一，无论测量连续信号或调制信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是传统的频谱分析仪只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器，而且体积庞大。利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，可实现基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪功能，采用数字方法直接由模拟／转换器(ADC)数字对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱图，可以解决传统频谱分析仪价格昂贵，携带不便等缺点。本文设计了基于LabVIEW的频谱分析仪，以LabVIEW为软件平台，设计了一个简单的频谱分析仪，该仪器能实时显示由声卡采集到的信号的波形和仿真信号波形并进行FFT变换后的频谱图。

关键字：虚拟仪器；LabVIEW；FFT ；频谱分析；声卡；

第一章绪论

1.1 研究的背景和意义

随着科学技术的迅猛发展，需要处理的问题越来越复杂，信号处理中对于频谱分析的要求也越来越高，分析的方法也更加灵活。传统的频谱分析仪也越来越力不从心，尤其是对窗函数得操作比较复杂，而频谱仪本身的信号处理电路的设计也十分复杂且很很难更新。当新的计算方法出来后，传统的频谱分析仪根本无法升级，满足不了科研人员的要求，给科研工作带来额外的科研成本。传统测试系统中，信号的采集与控制、分析与处理、结果的表达与输出等功能全是以硬件或固化形式的软件来完成。因此面对复杂的测试对象，组成一套完整的测试系统需要大量的仪器；过多的连线使得系统不稳定，抗干扰性能差；测试系统造价高、系统形式固定，通用性差，无法适应工程变化的需要；测试速度缓慢，系统开发与组建周期长。在以自动化、高速化为特征的现代工业当中，传统测试技术的这些缺陷己逐步成为测试技术发展的“瓶颈”。

传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力并有固定的用户接口。有时为了构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，对其中的某些仪器，只用到了其中一部分功能，而将它作其他功能使用时，却不具备或达不到所需指标，若另配置一套仪器，则比较浪费，需对原有的仪器进行改动，才可以扩大其使用范围。但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不能任意更改，用户如按自己的要求定制仪器，则价格比较昂贵。虚拟仪器的设想正是出于人们对这种仪器的需求，基于软件的易于修改性，利用软件来实现信号的处理算法部分和人机接口部分，这两部分可以根据科研人员的要求做出不同的方案，而对于信号放大、信号传输等部分采用固定的硬件接入，这样既保证了信号的传输不失真，又能按要求设计出不同的人机界面，并且在将来需要的情况下可以对软件算法进行升级且不增加硬件成本，这样既降低了科研的成本又保证了科研工具可以和理论发展同步，这样的仪器具有十分巨大的现实意义和商业价值。

随着微电子、计算机、网络通信和软件技术的高速发展，一些传统仪器开始向计算机化方向发展，虚拟仪器（VI）的营运而生，虚拟仪器可借助PC机强大的计算及处理能力，以软件代替硬件，由用户自定义和扩展功能，且价格低廉，应用广泛。有关专家指出，在今后几年中，数据系统的设计和开发还将面临一个非常重要的时期，无论是开发高速通信系统，还是其他计算机系统等，用户都会越来越倾向于使用一台示波器和一台频谱分析仪，来同时从不同的角度全方位地捕获和分析系统中的信号，从而解决来源不同角度的问题。因此频谱分析仪对于测试方面来说是非常重要的。在测试领域中[1]，频谱分析仪是一种重要的常用仪器。本文基于LabVIEW设计了一台虚拟频谱分析仪，并用软件代替硬件，基于计算机强大的分析处理能力，将一些先进的数字信号处理方法运用于软件设计中，实现了虚拟仪器代替传统频谱分析仪，并得到很好的效果。在已有的硬件基础上，通过软件重构，还可以构成虚拟示波器、虚拟失真度测试仪、虚拟频率特性测试仪等其他仪器。

1.2 虚拟仪器的国内外发展现状

虚拟仪器(Virtual Instrument)是随着微电子技术、计算机技术、软件技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，它经历了电磁指针式仪器、分立元件式仪器、数字式仪器、智能式仪器发展的一步步进程，特别是上个世纪80年代术以来，新的测试理论，新的测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，测量仪器的功能和作用发生了质的变化。虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正地融合在一起，是计算机技术和现代测量技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新技术。它的出现对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。

如今，虚拟仪器[2]已成为许多发达国家所重点研究的领域，以美国国家仪器公司(National Instrument)简称NI、惠普公司Hewlet Packard，简称HP)、Tektronix和Racal

等公司为首的虚拟仪器在测试领域呈现出越来越大的影响力。其中，又以美国国家仪器公司的图形化编程语言LabVIEW及其配套硬件市场占有率最高、最具有代表性。国内方面，各高等学校及科研机构从90年代开始也积极开展虚拟仪器的研究工作，研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发相应的虚拟仪器设备，其中有代表性的是清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、国防大学、成都电子科技大学、中国科技大学等，他们在引进和消化美国NI公司和HP公司产品方面做了一系列有益的工作，并取得了一批较好的成果。目6U虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图像的采集和分析处理、系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。可以看出，虚拟仪器开发及应用已经进入高速发展的时期。

80年代初期，美国惠普(HP)公司开发出了仪器编程语言HP-VEE，尝试用软件编写仪器。但程序的代码比较冗长，普及比较缓慢。随后，美国NI（National Instrument）公司在1986年设计出第一套图形化的编程语言LabVIEW,真正意义上实现了虚拟仪器编程的设想，之后又推出了基于C语言编程的语言Labwindows/CVI。及后来的各个升级版本，“使得软件就是仪器”的概念成为现实。本课题就是在“软件就是仪器”的思路下，用软件的方法完成基础模块的设计，实现虚拟频谱分析仪的功能。NI的虚拟频谱分析仪通过数据采集卡并配合专门用于虚拟仪器设计的软-LabVIEW

设计出相应的频谱分析仪。

上世纪70年代，频谱分析仪快速的发展，出现了百花齐放的局面。如美国惠普（HP）公司的HP8553B、8554B、8554A／8552R／141T系列等，Tek公司的7L14，日本TR公司的TR4110／4113系列等。到了80年代后，随着计算机、微处理器的发展和医用，频谱仪向智能化、自动化方向发展。如：HP8568A、8566D，Tek496P、494P 等。从上世纪末到本世纪初，频谱分析仪的发展速度更加迅猛，在技术、工艺等方面都达到了很高的水平，如HP8562A／B、70000系列的分析仪都有上百个功能，HP8562集小型化与高性能为一体，使其具有更快、更精确的测量能力。而且HP70000系列是模块化的频谱仪，它还可以随时增加或替换模块，以此实现频段扩展或指标的提升等。而国内由于在这方面起步比较晚，因此与国外相比还有一定的差距，不过随着国内学习国外技术步伐的加快，国内已有一些企业或研究所做出了不错的成绩，如中电41所，前锋电器等[4]。

NI公司的虚拟频谱分析仪在很多方面都具有领先地位。另外荷兰TiePie