瞬态脉冲信号测量与处理系统设计

申春龙,郭 锋,朱成银

(1.西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川 绵阳 621900)

瞬态脉冲信号测量与处理系统设计

申春龙1,郭 锋1,朱成银2

(1.西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川 绵阳 621900)

针对高强度脉冲中子控制系统的测试，需要对通过LabVIEW控制的数字示波器所捕获到的大量相似瞬态脉冲信号进一步测量与处理，以便筛选出符合系统控制要求的瞬态脉冲信号。考虑到瞬态脉冲信号的控制与采集设计也是通过LabVIEW进行控制，然而单独采用Matlab对信号进行分析处理，难以同时满足对海量数据进行测量与处理的设计需求。由于LabVIEW具有自动多线程技术、图形化设计语言和丰富信号处理模块，并且Matlab软件在对信号进行小波降噪方面具有优势，利用LabVIEW软件与Matlab软件混合编程，实现集时域测量、频域测量和小波降噪处理于一体的海量信号分析处理系统。实测结果验证了该系统应用于处理海量脉冲数据并筛选出有用信号的正确性及可行性，同时也表明了该系统具有操作简单、响应速度快、测量精度高的优点，具有较高的实用价值。

数据采集； 脉冲信号； LabVIEW； Matlab； 时域测量； 频域测量； 有限长序列； 小波降噪

0 引言

在许多实际工程应用中，经常需要对瞬态脉冲信号进行分析和处理，例如：高强度脉冲中子控制系统、机械故障诊断、机器部件的瞬态冲击等[1]。由于瞬态脉冲信号具有短时、频带宽和能量集中等特点，然而在高强度脉冲中子控制系统的测试中会在短时间内产生大量的相似瞬态脉冲信号，凭借传统的示波器与频谱分析仪难以快速和准确地对大量数据进行测量与处理。因此，能够快速准确地对瞬态脉冲信号进行测量与处理是快速寻找到符合控制探测信号要求的重要工作。

本文在充分研究了现有信号测量与处理技术的基础上，提出利用LabVIEW软件与Matlab软件混合编程[2-3]对信号进行测量与处理，从而从大量信号数据中快速筛选出符合设计要求的脉冲信号。

1 系统信号来源

在瞬态脉冲信号测量与处理中，需要产生脉宽为微秒至毫秒级的脉冲信号来验证信号测量与处理的精准性，所以需要对脉冲信号的来源有简单的了解，以便对测试结果作进一步的对比。在此简单介绍信号来源以及存储方式，并通过一个简单的硬件连接框图来表达信号的产生过程。硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构图

硬件结构主要包括安装有LabVIEW、Matlab和DAQmx软件的工业控制计算机和与工业控制计算机相连的显示器、输入设备、数据采集卡和屏蔽接线盒，以及需要控制的泰克DPO7000系列示波器。

首先，需要通过输入设备以及显示器向工控机内的LabVIEW软件设置脉冲宽度。其次，通过LabVIEW对数据采集卡的控制产生脉冲信号，通过屏蔽接线盒将脉冲信号引出，并使用特殊探头将信号接入示波器；同时需要通过LabVIEW对示波器进行控制，等待满足触发条件的脉冲信号。最后，将满足基本条件的脉冲信号通过LabVIEW存储到工控机内，以便后续分析[4]。

2 软件设计

LabVIEW软件作为人机交互的纽带，是整个设计系统的核心[5]。脉冲信号的分析主要包括时域测量和频域分析，对脉冲信号的处理包括滤波和降噪。为了能够简单高效地实现对脉冲信号的分析和处理，采用对程序进行分析和处理的模块化设计。由于通过LabVIEW对示波器的控制将示波器显示的波形存储为有限长的数字信号序列，因此为后续的分析和处理提供了便利[6]。因为LabVIEW不仅可以通过“条件结构”VI设置并同时选择需要分析处理的任意多个数据文件，而且LabVIEW具有高效性和并行执行的能力，所以能够实现对多个不同脉冲信号进行时域测量、频域测量与信号处理。因为需要快速地对海量数据进行挖掘，所以通过对需要测量的某一参数与其参考值进行比较。如果超出阀值，那么该组数据则无效；反之则有效，并且对有效数据进行标注，从而高效实现了海量数据的筛选工作。系统工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程图

2.1 时域测量

通过LabVIEW中“从文件读取波形”VI的选择，并通过“文件路径”控件指定波形文件的位置，将存储在计算机内的脉冲数据进行波形还原(波形回放)，还原脉宽为1 ms的脉冲波形如图3所示。

图3 脉冲波形还原图

脉冲信号的时域测量根据信号时域的表达式或者观察的数据进行计算，以实现对信号的稳定性、瞬态特性和稳态性能进行分析。对瞬态脉冲的时域测量包括以下几个方面：脉冲宽度、上升沿时间、下降沿时间、脉冲幅度[7]。

时域测量如表1所示。

表1 时域测量参数表

2.2 频域测量

因为硬件产生的瞬态信号非常相似，直接从时域对信号进行观测难以区分，所以需要对频域进行进一步的观测。一方面，频谱分析方法能够有效地抑制干扰信号对频率测量的影响；另一方面，频谱分析方法在频率测量时不存在电平阈值的问题，所以测量精度较高[8]。由于针对瞬态脉冲信号的采集所选择的高性能的示波器，能提供最低为10 GS/s、最高达40 GS/s的实时采样率，因此所存储的采样数据点数非常多。在频域测量中，快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)方法是一种行之有效的方法。

软件使用LabVIEW调用原始的采集数据，通过FFT方法将信号从时域转换至频域，从而更加方便直接地从频域对信号进行观测。为了验证设计的正确性，选择RIGOL公司的信号发生器产生频率为1 kHz、峰-峰值为5 V的正弦波，将其作为与脉冲信号对比和验证信号。通过对正弦波信号和图3所示的1 ms脉冲信号进行FFT得到的频谱图如图4所示。

图4 信号FFT频谱图

为了能与正弦波频谱进行对比，将正弦波频率与脉冲信号频谱进行放大观察。通过对比验证，对脉冲信号的FFT符合频谱测量要求。

3 脉冲信号处理

从图3可以直观看出，脉冲信号中存在噪声干扰，为了降低脉冲信号中的噪声，以此获得更加清晰的脉冲信号，需要对脉冲信号降噪处理。从图4可以看出，脉冲信号主要由低频部分组成，可以采用低通滤波器对其进行处理，这样噪声集中的高频部分就被去除掉了。但是由于低通滤波器在通带和阻带之间有不连续性，所以选择比低通滤波器更具优势的巴特沃斯低通滤波器。它不会像理想低通滤波器一样将一些有用的高频信息也滤除。如果想要得到好的滤除效果，就要提高巴特沃斯滤波器的滤波阶数，但随着高巴特沃斯滤波器的滤波阶数增加会出现明显的振铃现象[9]。为了更好地对脉冲信号进行噪声处理，引入小波变换降噪。

3.1 小波降噪处理

通过图4的频谱分析可以看出，利用传统滤波器的设计思想难以对信号进行降噪处理，以获取有用信息。然而小波变换具有低熵性、多分辨率特性和选基的灵活性等特点，所以小波变换在信号降噪方面得到了广泛使用[10]。

由于波形信号存储的格式为离散时间信号，所以对于小波变换主要讨论的是离散小波变换。下文先从连续小波变换分析入手[11-13]。

3.1.1 连续小波变换

(1)

式中：a为尺度因子；b为平移因子。

(2)

对于任意函数在某一尺度a、平移点b上的小波变换系数，实质上表征的是在b位置处，时间段aΔt内，包含在中心频率为ω0/a、带宽为Δω/a的频窗内的频率分量大小。随着尺度a的变化，对应窗口中心频率ω*/a及窗口宽度Δω/a也发生变化[13]。

3.1.2 离散小波变换

在实际情况下，由于f(t)的连续小波变换系数Wψf(a,b)的信息量是冗余的，所以一般会对信号f(t)进行离散化。具体做法就是将尺度因子a和平移因子b离散化，只取一些特定的值，便可以减少小波变换系数的冗余度，这样用计算机分析和处理将会很方便。

(3)

从而式(2)的连续小波变换变为如式(4)所示的离散小波变换：

(4)

式中：m,n分别为频率范围指数和时间步长变化指数。

3.2 LabVIEW与Matlab联合编程

Matlab软件更加清晰直观地表达对信号的降噪要求，同时结合LabVIEW图形化的编辑语言的优点实现对脉冲信号的降噪处理。Matlab程序通过LabVIEW调用Matlab-Script的节点，实现对脉冲信号的小波降噪处理。

为了选取更适合系统信号来源的降噪处理方式通过巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器，对Daubenchies小波降噪、Symlets小波降噪、Coiflets小波降噪进行对比。切比雪夫滤波如图5所示。Daubenchies小波降噪如图6所示。

图5 切比雪夫滤波图

图6 Daubenchies小波降噪图

对比图5、图6，可以看出：小波降噪的效果比滤波降噪效果明显，因此小波降噪更加适合受噪声干扰情况下的瞬态脉冲信号的降噪处理。

4 结束语

瞬态脉冲信号的测量和处理在许多领域中具有重要实用价值。本研究不仅通过LabVIEW实现了存储在工控机内的海量脉冲信号时域的测量、频域的分析，而且通过LabVIEW与Matlab联合编程实现了对信号的小波降噪处理。

试验结果表明，该信号测量与处理系统具有较高的精确性和实用性，对信号测量的各项参数和对信号处理的性能均满足对信号筛选的要求。该信号测量与处理系统的设计与实现可以为今后的实际工程和教学研究提供新方法。

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DesignoftheMeasurementandProcessingSystemofTransientPulseSignal

SHEN Chunlong1,GUO Feng1,ZHU Chengyin2

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China；2.Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

For the test of high intensity pulsed neutron control system,in order to sieve out the transient pulse signals that are fit the requirement of the control of the system,it is necessary to make further measurement and processing for a large number of similar transient pulse signals captured by the digital oscilloscope which is controlled by LabVIEW.Considering that the design of control and collection for transient pulse signals are also controlled by LabVIEW software,while using Matlab alone to analyze and process the signal is difficult to simultaneously satisfy the design demands for measurement and processing of massive amounts of data.Due to LabVIEW software has automatic multithreading technology,graphical design language and rich signal processing module,and Matlab software has advantage in wavelet noise reduction of signals,so the mixed programming of LabVIEW and Matlab is proposed to integrate time domain measurement,frequency domain measurement,and wavelet noise reduction processing,for implementing the design of massive signal analysis and processing system.The results of practical tests verify the correctness and feasibility of the system for processing massive pulsed data,and sieving out useful signals; these also indicate that the system has advantages of simple operation,fast response speed,and high measurement accuracy; thus possesses higher practical value.

Data acquisition; Pulse signal; LabVIEW; Matlab; Time domain measurement; Frequency domain measurement; Finite length sequence; Wavelet noise reduction

TH865；TP274

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709013

修改稿收到日期：2017-02-07

国家自然科学基金资助项目(51475453)

申春龙(1990—)，男，在读硕士研究生，主要从事信号检测与信号处理方向的研究。E-mail：1415725868@qq.com。 郭锋(通信作者)，男，教授，主要从事智能仪器等方向的研究。E-mail：guofen9932@163.com。