0 导言
传统频谱剖析仪器硬件结构杂乱，体积粗笨，价格昂贵，并且功用和规划固定、不行进行再开发,使其在高校实验教学中很难遍及。虚拟仪器是现代仪器技能与计算机技能结合的产品，使用计算机软件替代传统仪器的硬件完结信号剖析、数据处理和显现等多种功用[1]。本规划在研讨了传统频谱剖析仪的根本结构和作业原理后，提出了一种依据虚拟仪器技能的频谱剖析仪规划方案，该体系不只可以完结频谱剖析仪的一般功用——幅相谱剖析、功率谱剖析、频谱剖析，还能完结对信号的时频剖析和倒频谱剖析。
1 体系的整体结构规划
本体系选用模块化的构建方法，主操控卡和模块收集卡均插在体系背板进步行数据传输，完结即插即用功用，提高了体系的灵活性和仪器的可重构性;硬件选用FPGA技能，使其具有开放性，有利于功用的扩展;软件选用LabVIEW图形化编程言语，其开发效率高，可维护性好，自界说功用强大。图1为体系整体结构。
上层软件选用LabVIEW言语进行编程，经过驱动把操控指令传递到主操控卡上，主操控卡与模块收集卡经过使用FPGA完结的双口RAM 坚持通讯、传递指令。收集到的信号数据存储到模块收集卡的FIFO存储器中，之后再经过背板总线把数据传送到主操控卡中，主操控卡再把数据传送到上层软件LabVIEW中，经过LabVIEW编写程序来完结对信号的剖析处理[2]，完结多功用虚拟频谱剖析仪的功用开发。
2 频谱剖析仪的硬件结构规划
虚拟频谱剖析仪的硬件部分担任数据收集和数字化，由总线接口通讯模块、信号调度模块、触发电路模块和A/D转化模块四部分构成。图2为硬件规划原理图。
(1)总线接口通讯模块：MCU经过使用FPGA完结的双口RAM与体系总线接口进行通讯。MCU首要担任体系的初始化、处理总线发送过来的指令、操控相应的电路单元。
(2)信号调度模块：对大信号进行衰减、小信号进行扩大，确保将信号调整到适宜的电压范围内。由输入耦合电路、衰减电路、驱动扩大电路等组成，单片机操控各个功用电路。
(3)触发电路模块：触发电路的作用是操控每次信号收集的开始方位，确保用户可以观察到安稳的波形，MCU经过操控多路挑选器来挑选触发信号源，之后经过信号整形电路输入给FPGA，然后进行时序操控[3]。
(4)A/D转化模块：选用ADI公司的双通道数模转化器AD9288，每通道最高采样率为40 MS/s。该模块是多功用虚拟频谱剖析仪的中心模块，完结模数转化功用，并将转化后的数据存放到FPGA内部的FIFO中。
3 频谱剖析仪的软件规划与功用完结
本文规划的虚拟频谱剖析仪结合虚拟仪器技能,选用模块化的规划思维，每个功用模块完结一个功用剖析。首先在前面板进行数据收集的各项设置，上层软件经过调用DLL(动态链接库)与体系总线进行通讯，经数据收集卡收集到的数据经过USB总线上传到上位机，之后经过LabVIEW软件编程处理，终究完结频谱剖析仪的功用剖析。
3.1 一般功用剖析
3.1.1 幅相谱剖析
在丈量信号的幅值和相位时,首要使用快速傅里叶变换,得出信号的FFT谱,然后依据FFT谱计算出幅值谱和相位谱[4]。幅相谱界说：假定x(n)是一个功率有限的输入，它的傅里叶变换为：
称X(?棕)为x(n)的频谱。当x(n)为离散信号时，幅值谱的计算公式：
图3为幅相谱剖析程序图。
3.1.2 功率谱剖析
功率谱表明随机信号频域的计算特性,有显着的物理含义。本文选用直接法，经过对原始数据直接进行快速傅里叶变换,求得DFT谱后再求功率谱密度[5]。功率谱密度公式为：
式中P(k)为输出序列的功率谱，X(k)为输入序列的傅里叶变换;N信号序列的点数。图4为功率谱剖析程序图。
3.1.3 频谱剖析
本规划选用快速傅里叶变换算法来完结信号的频谱剖析。LabVIEW软件包括FFT控件，调用该控件对采样后的离散序列进行 FFT即可得到信号的频谱。当用LabVIEW中的实数 FFT 控件对从数据收集卡中传上来的实数序列进行信号处理时，需求确保采样序列长度是2n;考虑到实数序列经过FFT控件处理后的起伏是对称的，仅需对信号进行单边傅里叶变换;需注意直流序列可直接输出，而沟通输出序列的幅值翻倍后输出才是终究成果[6]。图5为频谱剖析程序图。
