在高校實驗教學中，普遍使用傳統(tǒng)頻譜分析儀對信號進行頻域分析和測量。傳統(tǒng)頻譜分析儀一般由信號采集和控制、分析與處理、結(jié)果表達與輸出這3大功能模塊構(gòu)成，而這些模塊只能由廠家來制造定義，具有功能固定化、靈活性差并且開發(fā)周期相對比較長的缺點。在計算機技術(shù)與電子科學技術(shù)快速發(fā)展的背景下，虛擬頻譜分析儀兼顧了虛擬儀器的優(yōu)點，具有虛擬儀器的便捷性和靈活性，可以解決傳統(tǒng)頻譜分析儀靈活性差及攜帶不方便的缺點。設計的虛擬頻譜分析儀通過對輸入被測量信號的處理，能達到對信號進行頻域分析的目的。

1 頻譜分析儀功能需求分析

虛擬頻譜分析儀應具有對仿真信號、聲音信號、外部采集信號進行時域和頻域分析的功能。時域分析包括測量時域波形，計算均值、方差、均方根值等參數(shù)。頻域分析通過對信號進行傅立葉變換，使用相關(guān)頻譜測量VI測量并顯示信號的幅度譜，功率譜以及相位譜。文中設計的頻譜分析儀功能框圖如圖1所示。

2 頻譜分析儀前面板設計

虛擬頻譜分析儀前面板如圖2所示，主要由信號參數(shù)設置模塊、濾波器參數(shù)設置模塊、波形顯示模塊、數(shù)值輸出模塊和開關(guān)控制模塊組成。信號參數(shù)設置模塊包含各信號的類型、幅值、頻率、相位等參數(shù)設置控件。濾波器參數(shù)設置模塊用來調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率。波形顯示模塊使用6個波形圖來分別顯示時域和頻域分析結(jié)果，頻域分析結(jié)果包括信號的幅度譜、功率譜和相位譜。數(shù)值輸出模塊用來顯示信號的均值、方差和均方根值大小。開關(guān)控制模塊包含1個翹板開關(guān)和1個停止按鈕，翹板開關(guān)通過控制條件結(jié)構(gòu)來選擇合成仿真信號的噪聲類型。當翹板開關(guān)亮時，表示選擇疊加的噪聲類型為均勻白噪聲，滅則表示選擇疊加基本信號。程序運行時，可以通過單擊翹板開關(guān)使其亮滅來選擇條件結(jié)構(gòu)中真假分支對應的信號類型，亮表示選擇“真”，滅表示選擇“假”。停止按鈕存在于循環(huán)結(jié)構(gòu)中，單擊停止，程序停止運行。

3 頻譜分析儀程序框圖設計

與前面板對應的頻譜分析儀的程序框圖主要由信號模塊、濾波器模塊、時域分析模塊和頻域分析模塊組成。程序框圖設計中使用執(zhí)行過程控制面板中的條件結(jié)構(gòu)VI，可以方便地選擇信號的類型，將整個過程置放于循環(huán)結(jié)構(gòu)中，保證程序的連續(xù)運行。

3.1 信號模塊設計

信號模塊包含單頻信號、仿真信號、聲音采集信號以及從通過數(shù)據(jù)采集卡從外部采集得到的信號;信號模塊使用條件結(jié)構(gòu)VI，條件結(jié)構(gòu)包含4個分支，分別是單頻信號、仿真信號、聲音信號和外部采集;噪聲選擇結(jié)構(gòu)包含真假2個分支，真分支代表均勻白噪聲，假分支代表基本函數(shù)發(fā)生器。條件結(jié)構(gòu)的選擇器值分別使用翹板開關(guān)和枚舉型數(shù)值輸入控件來控制，翹板開關(guān)亮表示選擇條件結(jié)構(gòu)的“真”分支，滅選則“假”分支。仿真信號包含兩個分支，用基本單頻信號疊加或基本單頻信號與噪聲來實現(xiàn)。程序運行時，在選擇器值中可分別選擇單頻信號、仿真信號或者聲音采集信號。

3.2 濾波器模塊

濾波器模塊是在頻譜分析之前對加噪信號進行濾波處理，使輸出信號中存在的干擾噪聲盡量減小，提高頻譜測量的精準度。該模塊包含低通、高通、帶通和帶阻濾波器;濾波器模塊使用條件選擇VI，包含3個分支，每個分支代表一種類型濾波器，分別是低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器。程序運行時，可通過選擇前面板上濾波器控件選擇濾波器類型。

3.3 時域分析模塊設計

時域分析模塊能夠?qū)崟r測量信號的時域波形，并且通過使用LabVIEW中的均值、方差、均方根值函數(shù)來計算信號特征值。

3.4 頻域分析模塊設計

頻域分析模塊通過對信號進行傅立葉變換，經(jīng)過數(shù)組處理來得到信號的頻域特性，包括信號的幅度譜、功率譜和相位譜。該模塊包含F(xiàn)FT VI和頻譜測量VI，能夠?qū)r域離散信號進行FFT變換，并通過測量得到到信號的幅度譜，幅度譜結(jié)果以峰值或者均方根形式顯示，直接使用頻譜測量VI，通過設置所選測量為功率和相位來分別得到信號的功率譜和相位譜信息。當選擇幅度測量時候，可以同時選擇測量信號的相位譜，相位的單位默認為弧度，也可以選擇轉(zhuǎn)換為度。

程序設計總框圖如圖3所示。

4 測試分析

4.1 信號時域分析

1)單擊運行，在信號選擇器中選擇單頻信號，在信號參數(shù)中設置信號1類型為正弦波，幅值為2 V，頻率為15Hz，對正弦波的時域參數(shù)進行測量，結(jié)果顯示在前面板上，如圖4所示，其中均值、方差、均方根值與理論計算結(jié)果相同。

2)使用數(shù)據(jù)采集卡USB6009借助DAQ助手VI從外部采集信號到LabVIEW中，設置信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形類型為正弦波，頻率為15 Hz，幅值為2 V。單擊運行按鈕，信號分析結(jié)果與圖4相同。對外部采集信號的分析表明LabVIEW能夠?qū)崿F(xiàn)軟件與硬件的通信，體現(xiàn)了LabVIEW強大的硬件兼容優(yōu)勢，也說明此次設計虛擬的頻譜分析儀具有功能可擴展性的優(yōu)點。

4.2 信號頻域分析

單擊運行，選擇信號模塊條件結(jié)構(gòu)的單頻信號分支，即選擇基本函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的單頻信號。設置信號1類型為正弦波，幅值為3 V，頻率為15 Hz。經(jīng)過頻域處理模塊分析測量后得到信號的幅值、功率、相位隨頻率分布圖。頻域測量結(jié)果如圖5所示。

在信號模塊選擇信號類型為聲音信號，通過聲卡采集鋼琴曲《夢中的婚禮》其中一段聲音來進行測試，設置聲音采集VI的通道數(shù)量為2、分辨率為16位、持續(xù)時間為1s、采樣率為1 1025 Hz，對該聲音信號進行濾波，設置濾波器類型為低通濾波器，截止頻率為1500Hz，聲音信號頻域分析的結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論

基于LabVIEW圖形化軟件，通過設置各個模塊的參數(shù)，本文設計的虛擬頻譜分析儀能夠完成對仿真信號、音頻信號以及其它信號的采集、濾波、并能測量信號的時域波形圖、計算信號的特征值，并且能夠?qū)π盘栠M行傅立葉變換、分析信號的頻譜特性，達到了對信號時域和頻域進行測量分析的目的，完成了設計任務的要求，改善了硬件的信號頻譜分析儀的功能擴展弱點，大大節(jié)約了設備成本，而且滿足了測試效率和精度要求。