第4章基于LabVIEW的信号发生、分析与处理
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周鹏 安徽工程大学电气工程学院
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4.3.6 LabVIEW中其他频域分析处理VI
• LabVIEW 2011中，除了信号处理子选板下变换、谱分析选板 中的各种频域分析及处理VI，在波形测量选板下也有大量对 信号进行谱分析的基本VI。
• 当然，LabVIEW中还有其它一些用于特定场合的频域分析处 理VI，例如变换子选板下用于将时域实数序列变换为频域实 数序列的Hartley变换FHT.vi，谱分析子选板下用于估计未知 长度正弦信号频率的Buneman频率估计Buneman Frequency Estimator.vi，这些VI虽然不是非常广泛地被使用，但对于某 些特定的处理对象，使用恰当的VI能够更好地分析出被测量 信号或系统的特性。
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4.1.1 基本函数发生器
“基本函数发生器.vi”是LabVIEW中一种常用的用以产生 波形数据的VI，它可以产生4种基本信号，即正弦波、方波、 三角波和锯齿波，可以控制信号的频率、幅值及相位等信息， 其图标和端口如图所示。
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4.2.5 脉冲测量
“脉冲测量.vi”用于测量信号的周期、脉冲宽度以及信号 的占空比。其图标和端口如图所示。
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4.2.6 幅值和电平测量
“幅值和电平测量”Express VI用于测量信号的电压。将 Express VI放置在框图中，会自动弹出一个初始化配置窗口， 如图所示。
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4.1.3 白噪声信号发生器
LabVIEW 2011提供了白噪声、高斯噪声、周期随机噪 声信号等多种常用的噪声信号发生器，这几种噪声信号分布 于波形生成和信号生成两个子选板中。“均匀白噪声发生器 波形.vi”能够产生一定幅值均匀分布的的白噪声信号，其中， 幅值为信号输出的最大绝对值，默认值为1.0。其图标和端口 如图所示。
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4.4.2 信号调理
LabVIEW 2011提供的信号调理功能的是波形调理函数选 板，位于“函数选板”→“信号处理”→“波形调理”子函 数选板中，如图所示。该函数选板提供了数字FIR滤波器、数 字IIR滤波器、按窗函数缩放等函数节点。
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4.5 波形监测与逐点信号分析 4.5.1 波形监测
“基本平均直流-均方根.vi”是从信号输入端输入一个波形 或数组，对其加窗，根据平均类型输入端口的值计算加窗后 信号的平均直流DC及均方根RMS值。此函数对于每个输入的 波形只返回一个直流值和一个均方根值。其图标和端口如图 所示。
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Leabharlann Baidu
4.2.2平均直流-均方根
“平均直流-均方根.vi”同样也是用于计算信号的平均直流 DC及均方根RMS值，只是Averaged DC-RMS.vi的输出是一 个波形数据。其图标和端口如图4-18所示。
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4.2 信号的时域分析与处理
• 对信号的分析与处理可分为在时域和频域中完成，它们从
不同的角度和方面对信号进行分析、反映信号的不同特征。
本节介绍对信号进行时域分析与处理的方法。
•
以时间为自变量描述物理量的变化是信号最基本、最直观
的表达形式。在时域内对信号进行波形变换、缩放、统计特
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4.2.9 卷积积分
• LabVIEW 2011提供实现卷积运算的VI有“卷积.vi”、“反卷 积.vi”、以及卷积和相关Express VI。它们位于“函数选板→ 信号处理→信号运算”子选板中。
• 本节以“卷积.vi”为例进行介绍，卷积VI计算输入序列X和Y 的卷积，连接到输入端的数据类型决定了卷积的数据类型， 能实现对一维信号和二维信号的卷积运算。其图标和端口如 图所示。
在 “波形测量”子函数选板中，有一个“波形监测”子 函数选板，点击后就可以看到LabVIEW 2011提供的波形监测 的函数节点，如图所示。
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4.5.2 逐点信号分析
• 实时数据采集与处理系统需要连续稳定的运行系统。逐点分 析函数VI由于把数据采集与分析连接在一起，因此逐点分析 是高效和连续稳定的，它与数据采集与分析是紧密相连的， 这使得它能够广泛应用于FPGA、DSP芯片、ARM、专用 CPU和专用集成电路ASIC等控制领域。
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4.4 波形测量与信号调理 4.4.1波形测量
波形测量VI位于“函数选板”→“信号处理”→“波形 测量”子函数选板中，如4.2节中图所示。该函数选板提供了 18个普通VI和6个Express VI，主要用于对波形的各种信息进 行测量，包括直流交流分析、振幅测量、瞬态特性测量、脉 冲测量、傅里叶变换、功率谱测量、谐波失真分析、频率响 应、SINAD分析等。一些VI可以计算多次测量的平均值，它 们可以将上次分析的结果保存下来，以供下次使用，这一优 点在处理大规模数据时是非常有用的。另外如果用户处理地 数据规模较大，也可以将数据分成若干小块，每次分析一小 块，通过VI的记忆功能得到整个数据的分析结果。
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4.2.7 提取单频信息
“提取单频信息.vi”用于提取信号的频率、幅值和相位等信 息。其图标和端口如图所示。
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4.2.8 提取混合单频信息
“提取混合单频信息.vi”用于提取幅值超过指定阈值的单频
信号的频率、幅值和相位等信息。其图标和端口如图所示。
• 逐点分析函数VI提供了与数组分析相应的分析功能，它位于 “函数选板”→“信号处理”→“逐点”子函数选板中，如 图所示。
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人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
• LabVIEW 2011中“谐波失真分析.vi”、“SINAD分析.vi”、 “失真测量Express VI”能够实现输入信号的谐波分析，输出 THD、SINAD和各次谐波分量幅值的信息。
• 本节介绍失真测量Express VI，将Express VI放置在框图中， 会自动弹出属性对话框，如图所示。
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4.3.5 窗函数
LabVIEW中，前面涉及到的各种频谱分析、功率谱分 析等的参数设置中都需要选择窗函数，而且这些VI中提供了 丰富的窗函数类型以供选择。在基本函数VI中，LabVIEW 2011也提供了丰富的窗函数类型VI，位于“函数选板→信号 处理→窗”子函数选板中，如图所示。对窗函数的使用要点 是在合适的场合选用合适的窗函数。
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4.3.1 傅里叶变换
“FFT.vi”是计算输入序列X的快速傅立叶变换（FFT）。 通过连线数据至X输入端，可确定要转换的数据类型。其图标 和端口如图所示。
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4.3.2 Hilbert变换
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4.2.10 相关分析
相关分析在信号处理中有着广泛的应用，如信号的时延 估计、信号识别、故障诊断等。LabVIEW 2011提供了“自相 关.vi”与“互相关.vi”分别用于求解输入信号的自相关和互相 关序列。其图标和端口如图所示。
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4.2.11 谐波失真分析
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4.1.4 高斯白噪声信号发生器
“高斯白噪声波形.vi”用来产生一定标准差高斯分布的白 噪声信号，标准差数据端口决定了其偏差值，且输入为绝对 值。其图标和端口如图所示。
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4.1.5周期随机噪声信号发生器
“周期随机噪声信波形.vi”用来产生周期性的随机噪声信号， 频谱幅值数据端口决定了噪声信号的功率谱幅值。其图标和 端口如图所示。
4.1.2 基本多频信号发生器
多频信号是由多种频率成分的正弦波叠加而成的波形信 号，LabVIEW 2011提供了基本混合单频.vi、基本带幅值混 合单频.vi、混合单频信号发生器.vi三个VI专门用来产生多频 信号，它们位于波形生成子选板中。本节介绍基本混合单 频.vi，也称为基本多频信号发生器，可生成整数个周期的单 频正弦之和的波形。其图标和端口如图所示。
第4章 基于LabVIEW的信号发生、分析与处理
本章内容 • 4.1 信号的发生 • 4.2 信号的时域分析与处理 • 4.3信号的频域分析与处理 • 4.4 波形测量与信号调理 • 4.5 波形监测与逐点信号分析
本章例题参考教材，本课件中不再详述。
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4.1 信号的发生
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4.3.4 联合时频分析
LabVIEW 2011提供了两个用于时频分析的VI：“STFT 时频图.vi”，依据短时傅里叶变换（STFT）算法计算联合时 频域中信号的能量分布；“WVD时频图.vi”，依据WignerVille分布（WVD）算法计算输入信号在联合时频域中的能量 分布。其图标和端口分别如图所示。
Hilbert变换是一种重要的变换，它常用于通信系统和数 字信号处理系统中，如提取瞬时频率和相位信息，计算单边 频谱，获取振荡信号的包络，进行回声检测和降低采样速率 等。
快速希尔伯特变换.vi图标和端口如图所示。
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4.3.3 功率谱分析
LabVIEW 2011提供了非常多的用于功率谱分析与计算 的VI，如自功率谱、互功率谱、单边互功率谱、非平均采样 信号频谱等。“自功率谱.vi”用于计算时域信号的单边且已缩 放的自功率谱。“功率谱.vi”用于计算信号的双边功率谱，其 图标和端口如图所示。
征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。通过
时域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信号波形在不同
时刻的相似性和关联性，获得反映系统运行状态的特征参数，
为系统动态分析和故障诊断提供有效地信息。
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4.2.1 基本平均直流-均方根
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4.2.3 周期平均值和均方根
“周期平均值和均方根.vi”可以测量信号在一个周期中的 均值及均方根值。其图标和端口如图所示。
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4.2.4 瞬态特性测量
“瞬态特性测量.vi”用于测量信号的过渡态量：上升时间 以及其超调量。其图标和端口如图所示。
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4.3 信号的频域分析与处理
LabVIEW 2011中提供了丰富的信号频域分析处理节点， 主要分布在信号处理选板中的两个子选板：一个是“变换” 子选板，其实现的函数功能主要有傅里叶变换、希尔伯特变 换、小波变换、拉普拉斯变换等；另一个是“谱分析”子选 板，所包含的函数主要包括功率谱分析、联合时频分析等。
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4.3.6 LabVIEW中其他频域分析处理VI
• LabVIEW 2011中，除了信号处理子选板下变换、谱分析选板 中的各种频域分析及处理VI，在波形测量选板下也有大量对 信号进行谱分析的基本VI。
• 当然，LabVIEW中还有其它一些用于特定场合的频域分析处 理VI，例如变换子选板下用于将时域实数序列变换为频域实 数序列的Hartley变换FHT.vi，谱分析子选板下用于估计未知 长度正弦信号频率的Buneman频率估计Buneman Frequency Estimator.vi，这些VI虽然不是非常广泛地被使用，但对于某 些特定的处理对象，使用恰当的VI能够更好地分析出被测量 信号或系统的特性。
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4.1.1 基本函数发生器
“基本函数发生器.vi”是LabVIEW中一种常用的用以产生 波形数据的VI，它可以产生4种基本信号，即正弦波、方波、 三角波和锯齿波，可以控制信号的频率、幅值及相位等信息， 其图标和端口如图所示。
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4.2.5 脉冲测量
“脉冲测量.vi”用于测量信号的周期、脉冲宽度以及信号 的占空比。其图标和端口如图所示。
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4.2.6 幅值和电平测量
“幅值和电平测量”Express VI用于测量信号的电压。将 Express VI放置在框图中，会自动弹出一个初始化配置窗口， 如图所示。
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4.1.3 白噪声信号发生器
LabVIEW 2011提供了白噪声、高斯噪声、周期随机噪 声信号等多种常用的噪声信号发生器，这几种噪声信号分布 于波形生成和信号生成两个子选板中。“均匀白噪声发生器 波形.vi”能够产生一定幅值均匀分布的的白噪声信号，其中， 幅值为信号输出的最大绝对值，默认值为1.0。其图标和端口 如图所示。
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4.4.2 信号调理
LabVIEW 2011提供的信号调理功能的是波形调理函数选 板，位于“函数选板”→“信号处理”→“波形调理”子函 数选板中，如图所示。该函数选板提供了数字FIR滤波器、数 字IIR滤波器、按窗函数缩放等函数节点。
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4.5 波形监测与逐点信号分析 4.5.1 波形监测
“基本平均直流-均方根.vi”是从信号输入端输入一个波形 或数组，对其加窗，根据平均类型输入端口的值计算加窗后 信号的平均直流DC及均方根RMS值。此函数对于每个输入的 波形只返回一个直流值和一个均方根值。其图标和端口如图 所示。
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4.2.2平均直流-均方根
“平均直流-均方根.vi”同样也是用于计算信号的平均直流 DC及均方根RMS值，只是Averaged DC-RMS.vi的输出是一 个波形数据。其图标和端口如图4-18所示。
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4.2 信号的时域分析与处理
• 对信号的分析与处理可分为在时域和频域中完成，它们从
不同的角度和方面对信号进行分析、反映信号的不同特征。
本节介绍对信号进行时域分析与处理的方法。
•
以时间为自变量描述物理量的变化是信号最基本、最直观
的表达形式。在时域内对信号进行波形变换、缩放、统计特
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4.2.9 卷积积分
• LabVIEW 2011提供实现卷积运算的VI有“卷积.vi”、“反卷 积.vi”、以及卷积和相关Express VI。它们位于“函数选板→ 信号处理→信号运算”子选板中。
• 本节以“卷积.vi”为例进行介绍，卷积VI计算输入序列X和Y 的卷积，连接到输入端的数据类型决定了卷积的数据类型， 能实现对一维信号和二维信号的卷积运算。其图标和端口如 图所示。
在 “波形测量”子函数选板中，有一个“波形监测”子 函数选板，点击后就可以看到LabVIEW 2011提供的波形监测 的函数节点，如图所示。
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4.5.2 逐点信号分析
• 实时数据采集与处理系统需要连续稳定的运行系统。逐点分 析函数VI由于把数据采集与分析连接在一起，因此逐点分析 是高效和连续稳定的，它与数据采集与分析是紧密相连的， 这使得它能够广泛应用于FPGA、DSP芯片、ARM、专用 CPU和专用集成电路ASIC等控制领域。
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4.4 波形测量与信号调理 4.4.1波形测量
波形测量VI位于“函数选板”→“信号处理”→“波形 测量”子函数选板中，如4.2节中图所示。该函数选板提供了 18个普通VI和6个Express VI，主要用于对波形的各种信息进 行测量，包括直流交流分析、振幅测量、瞬态特性测量、脉 冲测量、傅里叶变换、功率谱测量、谐波失真分析、频率响 应、SINAD分析等。一些VI可以计算多次测量的平均值，它 们可以将上次分析的结果保存下来，以供下次使用，这一优 点在处理大规模数据时是非常有用的。另外如果用户处理地 数据规模较大，也可以将数据分成若干小块，每次分析一小 块，通过VI的记忆功能得到整个数据的分析结果。
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4.2.7 提取单频信息
“提取单频信息.vi”用于提取信号的频率、幅值和相位等信 息。其图标和端口如图所示。
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4.2.8 提取混合单频信息
“提取混合单频信息.vi”用于提取幅值超过指定阈值的单频
信号的频率、幅值和相位等信息。其图标和端口如图所示。
• 逐点分析函数VI提供了与数组分析相应的分析功能，它位于 “函数选板”→“信号处理”→“逐点”子函数选板中，如 图所示。
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人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
• LabVIEW 2011中“谐波失真分析.vi”、“SINAD分析.vi”、 “失真测量Express VI”能够实现输入信号的谐波分析，输出 THD、SINAD和各次谐波分量幅值的信息。
• 本节介绍失真测量Express VI，将Express VI放置在框图中， 会自动弹出属性对话框，如图所示。
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4.3.5 窗函数
LabVIEW中，前面涉及到的各种频谱分析、功率谱分 析等的参数设置中都需要选择窗函数，而且这些VI中提供了 丰富的窗函数类型以供选择。在基本函数VI中，LabVIEW 2011也提供了丰富的窗函数类型VI，位于“函数选板→信号 处理→窗”子函数选板中，如图所示。对窗函数的使用要点 是在合适的场合选用合适的窗函数。
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4.3.1 傅里叶变换
“FFT.vi”是计算输入序列X的快速傅立叶变换（FFT）。 通过连线数据至X输入端，可确定要转换的数据类型。其图标 和端口如图所示。
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4.3.2 Hilbert变换
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4.2.10 相关分析
相关分析在信号处理中有着广泛的应用，如信号的时延 估计、信号识别、故障诊断等。LabVIEW 2011提供了“自相 关.vi”与“互相关.vi”分别用于求解输入信号的自相关和互相 关序列。其图标和端口如图所示。
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4.2.11 谐波失真分析
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4.1.4 高斯白噪声信号发生器
“高斯白噪声波形.vi”用来产生一定标准差高斯分布的白 噪声信号，标准差数据端口决定了其偏差值，且输入为绝对 值。其图标和端口如图所示。
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4.1.5周期随机噪声信号发生器
“周期随机噪声信波形.vi”用来产生周期性的随机噪声信号， 频谱幅值数据端口决定了噪声信号的功率谱幅值。其图标和 端口如图所示。
4.1.2 基本多频信号发生器
多频信号是由多种频率成分的正弦波叠加而成的波形信 号，LabVIEW 2011提供了基本混合单频.vi、基本带幅值混 合单频.vi、混合单频信号发生器.vi三个VI专门用来产生多频 信号，它们位于波形生成子选板中。本节介绍基本混合单 频.vi，也称为基本多频信号发生器，可生成整数个周期的单 频正弦之和的波形。其图标和端口如图所示。
第4章 基于LabVIEW的信号发生、分析与处理
本章内容 • 4.1 信号的发生 • 4.2 信号的时域分析与处理 • 4.3信号的频域分析与处理 • 4.4 波形测量与信号调理 • 4.5 波形监测与逐点信号分析
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4.1 信号的发生
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4.3.4 联合时频分析
LabVIEW 2011提供了两个用于时频分析的VI：“STFT 时频图.vi”，依据短时傅里叶变换（STFT）算法计算联合时 频域中信号的能量分布；“WVD时频图.vi”，依据WignerVille分布（WVD）算法计算输入信号在联合时频域中的能量 分布。其图标和端口分别如图所示。
Hilbert变换是一种重要的变换，它常用于通信系统和数 字信号处理系统中，如提取瞬时频率和相位信息，计算单边 频谱，获取振荡信号的包络，进行回声检测和降低采样速率 等。
快速希尔伯特变换.vi图标和端口如图所示。
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4.3.3 功率谱分析
LabVIEW 2011提供了非常多的用于功率谱分析与计算 的VI，如自功率谱、互功率谱、单边互功率谱、非平均采样 信号频谱等。“自功率谱.vi”用于计算时域信号的单边且已缩 放的自功率谱。“功率谱.vi”用于计算信号的双边功率谱，其 图标和端口如图所示。
征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。通过
时域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信号波形在不同
时刻的相似性和关联性，获得反映系统运行状态的特征参数，
为系统动态分析和故障诊断提供有效地信息。
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4.2.1 基本平均直流-均方根
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4.2.3 周期平均值和均方根
“周期平均值和均方根.vi”可以测量信号在一个周期中的 均值及均方根值。其图标和端口如图所示。
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4.2.4 瞬态特性测量
“瞬态特性测量.vi”用于测量信号的过渡态量：上升时间 以及其超调量。其图标和端口如图所示。
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LabVIEW 2011中提供了丰富的信号频域分析处理节点， 主要分布在信号处理选板中的两个子选板：一个是“变换” 子选板，其实现的函数功能主要有傅里叶变换、希尔伯特变 换、小波变换、拉普拉斯变换等；另一个是“谱分析”子选 板，所包含的函数主要包括功率谱分析、联合时频分析等。