基于LabVIEW的混沌信号发生器的设计*

赵小磊,马　珺

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室,太原 030024)



基于LabVIEW的混沌信号发生器的设计*

赵小磊,马珺*

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室,太原 030024)

摘要:介绍了一种新的方法实现对Colpitts混沌信号的产生,该系统是基于虚拟仪器平台并结合MATLAB计算模块实现对Colpitts混沌信号的产生,同时对混沌信号的自相关和功率谱进行分析。并通过USB-6009采集模块外扩高速DAC(数模转换器)芯片AD5405实现对Colpitts混沌信号的单通道输出。系统可根据用户的需求调节参数,实现不同频率混沌信号的产生。结果证明,该发生器结构简单,操作方便,运行稳定可靠,有一定参考和实用价值。

关键词:Colpitts混沌;LabVIEW;MATLAB;采集模块;自相关

对混沌科学的研究已经从理论研究和控制混沌发展到怎样有效的利用混沌。而Colpitts混沌信号是最近的一个研究热点[1],目前对Colpitts混沌信号的研究主要在以下几个方面:Colpitts电路和蔡氏电路的内在联系;通过研究电路微分方程的特征值来分析电路可能工作的状态;对Colpitts混沌信号的微分方程的参数关系进行分析;对Colpitts信号的非线性机理的研究,对信号进行混沌分叉分析。基于Colpitts电路板产生的混沌信号的不稳定性,且调试方法比较繁琐,再加上混沌电路中的寄生电容的影响等缺点。本文利用LabVIEW产生的Colpitts混沌信号来克服以上缺点。

随着现代测试技术的发展,虚拟仪器技术已经成为设计复杂测试系统和测试仪器的主要方法和手段。文献[2]利用虚拟仪器平台设计实现对Lorenz混沌信号发生器。而文献[3-4]主要是对Colpitts混沌电路的研究与仿真。本文利用LabVIEW产生的Colpitts混沌信号,不仅克服了电路板的三极管的寄生电容的影响和调试繁琐的缺点,而且可视化强,能够直观的观察到混沌信号的动态画面,并能在同一个界面上对混沌信号进行自相关和功率谱分析。而且能够根据需要来调节参数产生不同频率的信号等优点。该系统产生的混沌信号更适合作为探物雷达的信号源,增强了探地雷达的稳定性。

1　混沌信号原理

混沌石非线性动力系统所特有的一种运动形式[6],并广泛的存在于自然界,是一类内在确定外在类似随机性的特殊信号。最常见的混沌信号有杜芬混沌信号、Lorenz混沌信号、以及Colpitts混沌信号。其中Colpitts混沌信号是一种典型的类正弦震荡电路混沌信号[7],在一定的电路参数条件下可以实现混沌震荡生成一个单涡卷混沌吸引子。由于Colpitts震荡器电路的系统代数方程较为简单,且方程中只含有一项非线性指数项,因此,在此模型上能实现新的有着重要的理论和工程应用价值的多涡卷混沌系统。

Colpitts混沌系统的归一化状态方程如下:

(1)

其中,n(x2)=exp(-x2)-1。在式(1)所表征的混沌系统中,状态变量的混沌特征性仅与g*Q有关,K只是改变状态变量的幅度,而不会引起混沌系统所处的状态(混沌,平衡点等)的变化。因此要使系统(1)处于混沌状态需要选择合适的g*,Q的值。

设计Colpitts电路使其产生的混沌信号频率带宽分别为100MHz、500MHz和1GHz的系统的归一化状态方程的参数合适的参数值,现在以混沌信号带宽为100MHz为例,设定其方程的参数分别为:g*取值为16.53,Q为1.786为方便起见选取K为0.5。其在MATLAB中仿真产生的时序图和相图如图1所示。

图1　Colpitts混沌信号的时序图和相图

2　基于虚拟仪器的Colpitts混沌信号发生器的设计

混沌信号发生系统主要包括3部分:LabVIEW接口模块,MATLAB算法模块,AD采集模块。系统的流程框图如图2所示。因为LabVIEW调用MATLAB程序是通过MATLAB Script节点[11]实现的,由于MATLAB Script节点是通过ActiveX控件与MATLAB Server进行通信的[5]。因为LabVIEW与MATLAB都支持ActiveX技术[12],实质上是将MATLAB看作一个ActiveX服务器,建立ActiveX通道,将LabVIEW的函数或者命令通过ActiveX通道发给MATLAB,并由MATLAB在后台执行[9]。AD采集模块采用NI公司的USB-6009采集卡外扩高速DAC芯片AD5405对信号采集和数模转换。

系统工作流程:将MATALB混沌方程的算法子模块放置到LabViEW默认路径下,再LabVIEW的MATLAB Script节点中编辑混沌方程的计算模块,并对混沌信号进行自相关和功率谱分析编程,运行LabVIEW,产生的混沌信号将会在LabVIEW波形窗口中显示,并将该信号通过AD采集模块输出。

图2　系统流程图

2.1USB-6009采集卡和DAC芯片AD5405的选取

NI USB-6009提供8个模拟输入(Al)通道、2个模拟输出(AO)通道、12个数字输入/输出(DIO)通道以及一个带全速USB接口的32位计算器。Al分辨率为14位查分,13位单端,最大Al采样率,单个通道为48 ksample/s,多各通道48 ksample/s.其价格低廉,采样速率可以满足需求。

AD5405是一款双通道、CMOS、12 bit、电流输出数模转换器(DAC)。它的特点是:快速并行接口写入周期为58 Msample/s;40引脚LFCSP封装;保证单调性;上电复位;回读功能。AD5405的建立时间为80ns.能够满足要求。

由于USB-6009的DAC输出最高频率只能达到150 Hz;不能满足混沌信号的输出要求。本文在USB-6009采集模块的DIO线上外扩一个AD5405芯片,其外扩原理图如图3所示。将USB-6009采集卡的12 bit DIO数字输出端接到AD5405数据输出端,将混沌信号输出。

图3　外扩AD5405原理图

2.2Colpitts混沌信号的程序设计与实验结果

将MATLAB中编辑好的Colpitts混沌信号的计算模块调入到Labview中的MATLAB Script脚文本中,将Colpitts混沌信号的MATTLAB算子模块放到LabVIEW默认路径下,并作相应的数据类型转换。其在LabVIEW中的程序框图如图4所示,在程序框图中将X,Y,Z作为输出变量,并把X,Y,Z两两相互捆绑成簇,该簇输出的变量就是Colpitts混沌信号的相图。

图4　Colpitts混沌信号的程序框

该信号发生器的前面板如图5所示,在图5中的3个波形图,分别是X时序图、Y时序图、Z时序图。3个XY波形图,分别是XY相图、YZ相图、XZ相图。从波形图中可以看出生成的信号的波形是个周期的波形,从3个相图中可以看出,分别是3个不同的吸引子,因此可以说明产生的信号是个混沌信号。

图5　Colpitts混沌信号的发生器的前面板

将在MATALB模块中产生的变量X、Y、Z的数据通过移位寄存器转换到DAC模块[8](如图6所示)来获得一个连续的混沌信号。为了避免信号超过采集卡的量程和使信号能够示波器上正常显示,要对信号进行归一化处理使其保持在-1和1之间,然后再乘以幅值范围在0～10之间的幅值,然后在其之间选择合适的二三个信号,最后把信号的频率和相位写入AD5405芯片中。

图6　Colpitts混沌信号的DAC模块

安装NI公司的USB-6009数据采集卡并设置参数,并按照AD5405外扩原理图连接采集卡和制作好的电路板,并把电路板与安捷伦的示波器连接,运行程序,产生的信号如图7所示。

图7　数据采集实物图

2.3信号的相关分和功率谱分析

相关分析和功率谱分析分别是在时域和频域分析各种随机信号特征参数分布规律的重要方法[10]。信号的相关性是反应信号波形相互联系紧密性的一种函数。相关分析分为自相关分析和互相关分析。自相关是信号的某一时刻的瞬时值与另一时刻的瞬时值之间的相互依赖关系。由于自相关函数描述的是某一信号波形与它时移后的波形的相似程度,然而,不同类型的信号,他们的自相相关函数的特性是不相同的,如:周期性信号的自相关函数仍为周期性函数。因此,判断一个连续性随机信号是否含有周期性函数成分,通过观察信号的自相关函数波形上的信号的特征进行判断。这一特点对我们判断我们产生的信号是否为混沌信号有着重要的意义。而自功率谱描述信号的功率沿频率轴的分布,即信号功率随频率变化的分布关系。

以图5中的X,Y,Z任意一个变量作为功率谱和自相关函数的变量,对Colpitts电混沌信号的自相关和功率谱分析的程序图如图8所示。

图8　collpitts混沌信号的自相关和功率谱分析程序图

图9是为Colpitts的自相关和功率谱图。从函数的自相关图形上可以得出函数的自相关系数为1,说明产生该信号的相关程度好。从自相关图中看出信号无周期,旁瓣比较低,从而可以说明产生的信号比较好。从函数的自功率谱可以看出,信号的功率在频率为100 MHz左右衰减比较大,以后就比较平滑,可以说明产生的信号的频率为100 MHz。

图9　Colpitts混沌信号的自相关和功率谱图

3　结论

本文提出了一种新的产生colpitts混沌信号的方法,即利用虚拟仪器平台调用MATLAB计算模块实现对Colpitts混沌信号的产生,并通过USB-6009采集卡外扩DAC芯片AD5405把信号输出。实验证明,虚拟仪器技术是设计colpitts混沌信号发生的一种可行的方法。这种混沌信号发生器的优点有:根据用户的需要可以生成不同频率的信号,直观性强,容易实现,与制成的电路板相比它的稳定性强且操作简单,同时提供了一种研究非线性动力学的一种新的途径。由于该系统主要是通过虚拟仪器平台来调用MATLAB程序,因此其时效性不太令人满意,我们将来将会想办法解决这个问题。

参考文献:

[1]史治国.微波混沌电路及其在通信中的应用[D].杭州:浙江大学,2006.

[2]柳平,黄耀龙.基于LabVIEW技术的混沌信号发生器设计[C]//2009年全国微波毫米波会议论文集(下册).2009.

[3]Jiang T,Qiao S,Shi Z G,et al.Simulation and Experimental Evaluation of the Radar Signal Performance of Chaotic Signals Generated from a Microwave Colpitts Oscillator[J].Progress in Electromagnetics Research,2009,90:15-30.

[4]Jiang T,Long J,Wang Z,et al.Experimental Investigation of a Direct Chaotic Signal Radar with Colpitts Oscillator[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2010,24(8-9):1229-1239.

[5]宋扬洁.基于LabVIEW与MATLAB的语言信号的采集与分析[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[6]王云才,钱建军.激光混沌信号相关法测距研究[J].深圳大学学报(理工版),2010(4):379-385.

[7]郑皓洲,胡进峰,何子述.基于Colpitts混沌系统的新型测距算法研究[J].中国电子科学研究院学报,2010,5(5):527-531.

[8]Zuo J,Wang G,Bao X.Design and Implementation of a Fractional Chaos Generator Based on Virtual Instrument Technology[C]//Communication Technology,2008.ICCT 2008.11th IEEE International Conference on IEEE,2008:490-493.

[9]唐建锋,罗湘南.基于LabVIEW与MATLAB混合编程的虚拟仪器设计及实现[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2004,16(1):66-67.

[10]林湘宁,刘沛,杨春明,等.基于相关分析的故障序分量选相元件[J].中国电机工程学报,2002,22(5):16-21.

[11]Chaos D,Chacón J,Lopez-Orozco J A,et al.Virtual and Remote Robotic Laboratory Using EJS,MATLAB and LabVIEW[J].Sensors,2013,13(2):2595-2612.

[12]张华,郑宾,武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统[J].电子器件,2013,36(2):243-246.

马珺(1980-),女,汉族,山西忻州人,副教授,太原理工大学博士,主要从事新型传感器和探地混沌雷达系统的研究,491903319@qq.com;

赵小磊(1987-)男,汉族,河南商丘人,太原理工大学硕士,主要从事基于虚拟仪器的混沌雷达系统设计,zhaohualei2006@126.com。

DesignoftheChaoticSignalGeneratorBasedonLabVIEW*

ZHAOXiaolei,MAJun*

(Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Abstract:We introduces a new method that can achieve the generation of Colpitts chaotic signal The system is based on virtual instrument platform and combined with MATLAB calculation to achieve the generation of Colpitts chaotic signal and make analyse with autocorrelation and power spectrum at the same time.Signal channel output of chaotic signal was realized through USB-6009 acquisition module extending DA5405 high-speed DAC(Digital-to-Analog Converter)chip.This system can adjust parameters according to users demand to achieve different frequency chaotic signal generation.The results demonstrate that the generator has simple structure,convenient operation,stable and reliable running,so it has some reference and practical value.

Key words:Colpitts chaotic circuit;LabVIEW;MATLAB;acquisition module;autocorrelation

doi:EEACC:7250E10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.011

中图分类号:TN702

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0631-04

收稿日期:2013-08-01修改日期:2013-09-11

项目来源:教育部科技研究重点项目(210270);山西省青年科技研究基金项目(2012021013-2)