基于LabVIEW的多功能虚拟频谱分析仪的设计

3.2 特殊功能的分析

3.2.1时频分析

传统的分析方法是信号单独在时域或频域中进行分析，而联合时频分析可以同时在时域和频域中对信号进行分析，确定在某一时刻频率成份的分布情况。

本文利用短时傅里叶变换基本原理进行时频分析，其基本思想是：将信号加窗，加窗后的信号再进行傅里叶变换，窗函数可根据的位置变化在整个时间轴上平移，利用窗函数可以得到任意位置附近的时间段频谱实现时间局域化，e-jwt起频限作用，g(t)起时限作用，合在一起可起到时频双限作用[7]，其变换公式为：

大致反映了f(t)在时刻子时频率成分的分布情况。图6为时频分析程序图。

3.2.2 倒频谱的分析

利用频谱分析分离和提取密集泛频信号中成分较为困难，而倒频谱能够分析复杂频谱图上的周期成分，尤其在同族频谱和异族频谱等复杂信号的分析中运用较多[8]。倒频谱分析包括实倒频谱分析和复倒频谱分析这两类，这里仅介绍实倒频谱。

实倒频谱就是功率倒频谱的模，工程中常取功率倒频谱开方的形式。功率倒频谱即对功率谱作对数转换后进行傅里叶变换。功率倒频谱定义：

若时域信号x(t)的功率谱密度函数为Px(f)，功率倒频谱为：

Cx(?子)=|F[lg(Px(f))]|2(6)

图7为倒频谱程序框图，倒频谱分析的优点：

(1)倒频谱中使用了对数加权扩大频谱的动态范围，提高了再变换的精度，可以把复杂频谱中的各种信号频率成分分开。

(2)去除回波。带多次回波的原始信号可视为原始信号与一系列冲击函数卷积,如果传递路径较近，回波与原始波形叠加会造成原始波形的形状的混淆,利用倒频谱可有效地去掉回波[10]。

(3)倒频谱变换具有较好边频信号的检测能力，可分离各种边带频率。

4 设计要点

4.1 滤波

从采集卡获取的信号在传输过程中可能会叠加无用的噪声信号或干扰信号,为了提取有用信号，在进行FFT变换前需进行滤波处理。选择滤波器时需要考虑应用的需求。

4.2 去混叠

由于各次谐波的调制频谱会相互交叠，出现混叠失真，不能分开和恢复信号，为了避免采样信息的丢失，根据奈奎斯特采样定律可知，在对连续信号采样时必须使采样频率大于或者等于信号中含有的最高频率的两倍，但为更好地恢复信号信息，采样率最好设置为高于信号最高频率的5～10倍。

4.3 加窗

在实际测量中，信号采样长度有限，局限的信号记录将产生谱信息的泄漏。本设计采用加窗的办法抑制谱泄漏，加窗就是将原始采样波形乘以幅度变化平滑且边缘趋零的有限长度窗来减弱每个周期边界处信号的不连贯程度。

5 仪器功能测试结果

虚拟频谱分析仪选用函数信号发生器进行功能测试，该信号发生器可以自行设置输入信号的波形类型、频率及幅值。当测试信号是频率为1 kHz的正弦波时，图8～图11分别为频谱分析图、功率谱分析图、幅相图、时频分析图;当测试信号是频率为1 kHz方波时，图12为其倒频谱分析图。实验结果表明,多功能虚拟频谱分析仪显示的信号较稳定, 输出频谱分量明显, 与理论计算值相符。

6 结论

本文介绍了一款以虚拟仪器为平台，采用LabVIEW图形化编程语言和FPGA技术设计的虚拟频谱分析仪，不仅实现了一般的频谱分析仪所具有的功能,而且增强了分析处理能力，其特点如下：

(1)软件采用LabVIEW图形化编程语言,提高了软件的开发速度和效率。

(2)硬件采用FPGA技术，使其具有开放性，提高了系统灵活性，有利于功能的扩展，在同样硬件基础上，只需更改上层软件的设计就能够实现其他仪器功能，例如：虚拟示波器、频率计等。

(3)功能方面不仅能实现信号的时域分析，还能进行时频联合域的分析。