基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪的设计与实现

O 引言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言，集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP／IP、ActiveX等软件标准的库函数。利用LabVIEW可以方便地建立各种虚拟仪器。

频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤器输出。滤波输出信号作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率，例如30Hz-30GHz，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，所以频潜分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一，无论测量连续信号或调制信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是传统的频谱分析仪只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器，而且体积庞大。利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，可实现基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪功能，采用数字方法直接由模拟／数字转换器(ADC)对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱图，可以解决传统频谱分析仪价格昂贵，携带不便等缺点。

1 虚拟频谱分析仪总体设计方案

虚拟频谱分析仪由数据采集卡、计算机和在其上运行的用LabVIEW开发的应用软件组成，如图1所示。

虚拟频谱分析仪利用数据采集卡的模拟输入和模拟输出两个功能，用模拟输出功能产生所需的激励信号，并将其加到被测网络上，再用两个模拟输入通道将激励信号和网络输出端的响应信号同时采集到计算机中，经处理后，构成幅频和相频特性曲线，并显示在计算机屏幕上，最后对模拟生成的信号进行分析，在计算机屏幕上输出模拟信号的幅频／相频特性。

2 虚拟频谱分析仪组成及功能

2．1 虚拟仪器和频谱分析仪组成

本文设计的虚拟频谱分析仪由周期性信号发生器、滤波器以及幅频／相频特性、频谱分析结果三个子模块组成。信号发生器子模块生成两路模拟输入信号，一路是可调频率、相位和振幅的正弦信号，另一路是指可调频率、相位和振幅的余弦信号，最后利用信号合成器把两路信号混合起来作为生成的2路模拟信号；频谱分析和滤波器子模块利用LabVIEW强大的数字信号处理功能，对这组数据进行滤波、加窗、FFT运算处理，得到信号的实部谱和虚部谱，最重要的是得到信号的幅频特性曲线和相频特性曲线；在频谱分析的结果子模块中，对生成信号的频谱进行分析，并将均方根值、一个周期内的信号均值等参数在系统退出时保存到文本文件中。其中，在滤波设置中可以控制滤波的通过方式以及截止频率，最后显示出频谱分析结果，系统退出时提示保存当前数据到文本文件。

虚拟频谱分析仪前面板分为3部分：周期性信号发生器、周期性信号滤波器及幅频／相频特性和周期性信号频谱分析结果，如图2所示。图中显示的是周期性信号发生器的界面，图中正弦波和余弦波信号可以通过鼠标拖拽和旋转按钮来改变信号的频率、振幅及相位。当拖拽的时候可以发现下方的"2路原始模拟信号波形"会发生变化，而且横坐标轴的最大值也会发生变化。程序内部通过调用后面介绍的"XScaleControl.VI"就可以实现这个功能；对于"周期性信号滤波器及幅频／相频特性"和"周期性信号频谱分析结果"这两个功能模块界面限于篇幅不再赘述。

虚拟频谱分析仪后面板由五个子模块组成：波形生成模块，波形分析模块，控制X轴范围，滤波器以及幅频／相频特性和数据保存模块，如图3所示。

2．2 虚拟频谱分析仪子模块的设计

(1)波形生成子模块

要进行频谱分析，首先得生成模拟信号，本文采取系统的两个子模块：Triangle waveform.VI和Sinewaveform.VI生成2路模拟输入信号，为了实现模拟信号的频率、相位和幅度的调节增加了几个控制输入，引脚图4和图5所示。

在图4和图5中，输入引脚和输出引脚完全相同，"offset"是指波形的偏移量，一般不进行设置；"resetsignal"是一个布尔型的输入控制，若加载为True时则可以复位波形，若为False则不对波形进行复位；"frequency"是指生成信号的频率；"amplitude"是指想要生成信号的振幅；"phase"是指生成信号的相位；"error in"和"error out"是指当程序有异常发生时的输入和输出；"sampling info"是指要生成信号的采样率，缺省设定为1000，即一秒采样1000个点；"Duty Cycle"即占空比，是指一串理想的脉冲序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。