在Labview下实现数字信号处理

赵树忠，李书娜

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)



在Labview下实现数字信号处理

赵树忠，李书娜

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

LabVIEW；数字信号处理；数字滤波

LabVIEW在数字信号处理中有着重要的作用。信号生成、时域分析、频域分析和各种常用信号处理中的应用方法帮助解决数字信号处理的问题。通过例子介绍LabVIEW中各个模块及计算方法的使用以及如何对数字信号进行滤波处理分析，达到想要的效果。

0 引言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美国虚拟仪器NI(National Instrument)公司的图形化编程开发软件平台，能够实现信号的采集、处理、分析与显示等功能，是集开发、调试、运行于一体的具有强大功能的软件，其中VI(Virtual Instrument)是LabVIEW工作环境下开发出来的应用程序，分为子VI和多态VI，每个VI都是由前面板和后面板组成的，前面板是人机交互界面，而后面板相当于具有源代码功能的程序框图，每个模块都有其相对应的功能，可以直接应用，非常方便[1]。本文阐述了如何利用LabVIEW对数字信号进行分析处理，通过相关的例子更好的掌握LabVIEW在数字信号处理中的应用。

1 数字信号处理

数字信号处理是一种以计算方法解决问题的理论性手段[2]。通过数字信号处理技术的应用来提高对数字信号处理技术的掌握，数字信号处理技术的应用离不开对各种数字信号的分析，主要包括信号的时域分析和频域分析等[3]。一般在实际测试中，信号采集时往往会带有系统本身振动和外界干扰等产生的干扰信号，因此，在数字信号处理过程中对采集信号进行滤波处理是至关重要的，如果不采取相应的滤波处理，采集到的信号中会含有大量的高频信号，严重影响下一步的信号处理，对分析结果产生不利的影响。该项目主要通过对LabVIEW中信号处理的各个模块先进行相关的了解与分析，然后设计了一种滤波器对现有生成的含有噪声干扰的信号进行相关的处理，来获取有用信号。

2 LabVIEW中的信号处理函数

信号处理在测试系统中发挥着重要的作用。其中时域分析是对原始信号进行处理分析的重要一步，信号的时域分析指的是在时间域上对信号的时域参数进行测量和计算。在LabVIEW中时域分析的相关VI主要是指信号处理下波形测量中前6个和信号运算中的VI，其中信号运算中各个函数如图1所示。

图1 信号运算

信号频域分析是指将时域信号通过傅里叶变换(Fourier Transform)等方法转换到频率域上进行分析的方法，有些不能从时域上解决的问题往往可以转化到频域上得到有效的解决。在频域分析中最基本的是傅里叶变换,基本思想就是将信号表示为一系列不同周期、不同相位的正弦信号的集合，从而将信号的频率域信息展示出来。在数字信号处理计算中应用最多的是快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)，简称FFT，是离散傅里叶变换(DFT)的快速算法[4]。在LabVIEW中有许多与FFT相关的VI，如对实时幅度进行谱分析的例子，可以利用逐点计算VI的方法，逐点计算VI的特点就是不用一次将待分析数据组成数组作为参数送入VI，而是可以逐点地将各个数组元素依次作为标量参数送入VI，这种处理的方法特别适合在线计算和实时分析。图2是在LabVIEW2014版本中进行设计的实时幅度谱分析的程序框图，利用2个正弦波(逐点)不同的幅度值和频率值，利用归一化频率。不过，现在随着信号处理技术的发展，除了频域分析也产生了一些新的技术手段如小波分析、时-频联合分析等，它们在某些方面也得到了很好的应用。

图2 程序框图

2个正弦波叠加组成的波形信号，经过幅度谱和相位谱处理，传送给波形图显示。在前面板中设计正弦波形A幅度值为1，频率为0.1，正弦波形B幅值为2，频率为0.3，幅值成2倍的比例关系，从前面板波形图中可以看出，经过谱分析后的幅度图中出现的2个峰值比例和所设定幅值比例相当。如图3所示。

图3 前面板显示

3 LabVIEW下数字信号处理

滤波器设计在频域分析中占有一定的位置，滤波的主要目的是去噪，使处理后的数据图形能够达到平滑的效果。常用滤波器按信号处理方式可以分为：模拟滤波器和数字滤波器；按通频带形式可以分为4种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。在LabVIEW中滤波器处理有数字滤波和模拟滤波。应用比较多的是数字滤波形式，依靠软件实现的数字滤波器与模拟滤波器或与硬件实现的滤波器相比，具有稳定性好、灵活性强、可靠性高、成本比较低等优点，所以依靠LabVIEW设计的滤波器在数字信号处理领域中有着广泛的应用[5]。

在测试信号中，采集到的数字信号中含有大量的高频干扰信号，首先要对信号进行滤波处理才可以进行数据分析，利用LabVIEW提供的滤波器可以对所采集的信号进行滤波，去掉信号中的干扰信号。该项目就是利用LabVIEW强大的信号处理功能，采用信号生成模块中的正弦波，设计有用信号的频率为200 Hz、幅度为2，其中叠加了2个频率不同的干扰信号，一个是频率为50 Hz、幅度为4，另一个是频率为500 Hz、幅度为4，以及均方根值为0.05的白噪声，这个模拟信号利用Tones and Noise Waveform.vi就可以实现。由于有用信号处于2个干扰信号之间，所以采用带通滤波的形式对其进行处理，参数将高低截止频率设置为300 Hz和100 Hz，能够让有用信号通过，正好将干扰信号的频率滤除掉。图4是滤波器设计的程序框图。

图4 滤波器处理设计

从上面的程序框图中可以看出，为带通滤波vi的框图增添频谱分析VI，利用FFT对信号的时域进行处理，在前面板中增添必要的波形图，对原始信号、滤波后的信号以及幅度谱进行显示。得到的结果在前面板中进行显示，如图5所示。

图5 滤波器前面板显示

从前面板中运行的效果图中可以看出，原始信号中位于50 Hz和300 Hz处的干扰信号频谱峰被有效地抑制，而200 Hz处的正常信号频谱峰仍保留了下来，从下面的局部放大的原始信号与滤波后的信号波形比较图中可以清楚地从时域上观察到滤波所产生的显著效果。如图6所示。

图6 放大后的原始信号与滤波后信号局部波形比较图

4 结论

LabVIEW能够很好地实现数字信号采集、处理、分析等功能，通过滤波处理可以看出LabVIEW在信号测试中占有重要的位置，可以帮助测试人员减轻负担、提高测试效率，重要的是测试结果的准确性得到了保障。利用LabVIEW搭建测试系统，可以实现实时地对信号进行处理，能够直接得到想要的结果，简单又方便，省去了事后处理的麻烦。LabVIEW简单易学，具有很好的兼容性，随着自身功能的不断完善，不久的将来LabVIEW会成为通用的软件开发平台。

[1] 赵玉剑,龚邦明.基于LabVIEW的数据处理方法[J].电子测量技术,2006,29(6):99-101.

[2] 祁雪梅,潘冬明,QIXuemei,等.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J].现代电子技术,2006,29(14):152-153.

[3] 张小琴.LabVIEW在数字信号处理中的应用[J].福建电脑,2010,26(11):101-102.

[4] 杨丽娟,张白桦,叶旭桢.快速傅里叶变换FFT及其应用[J].光电工程,2004,31(B12):1-3.

[5] 崔海飞.高性能小型化微带低通滤波器的设计[D].南京：南京理工大学,2013.

Digital Signal Processing with Labview

ZHAO Shu-zhong,LI Shu-na

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

LabVIEW; digital signal processing; digital filtering

LabVIEW plays an important role in digital signal processing.The signal generation,time domain analysis,frequency domain analysis method and application of a variety of commonly used signal transform in digital signal processing will help to solve the problem.LabVIEW in each module and the calculation method and how to filter the collected signal analysis were introduced by examples.The results show that the desired the effect is achieved.

2095-2716(2017)03-0088-05

2017-03-04

2017-05-04

TN911.72

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