作者
焦新涛(1979～)，男，华南师范大学教师，首要研讨方向为工程信号处理与毛病诊断
运用范畴
噪声、振荡与声振粗糙度NVH(Noise、VibrATion、Harshness),是衡量轿车制作质量的 一个归纳性问题，它给轿车用户的感触是最直接和最外表的。它是世界轿车业各大整车制 造企业和零部件企业重视的问题之一。有统计资料显现，整车约有1/3的毛病问题是和车 辆的NVH问题有联系，而各大公司有近20%的研制费用耗费在处理车辆的NVH问题上。对 于轿车而言，NVH问题是处处存在的。研讨规划噪声振荡信号剖析体系，关于处理相应的 NVH问题具有必定含义。
应战
运用凌华科技出产高功用数据收集卡PCI9846和LabVIEW8.6 规划数据收集剖析体系，完结信号的收集，并能对信号进行剖析处理。因为在离散频谱剖析的进程中不可避免的存在各种差错，怎么进步频谱剖析的精度，对信号进行频谱校对，是体系需求处理的问题。
运用产品
数据收集剖析体系选用凌华科技PCI9846，软件选用LabVIEW8.6，操作体系为Windows XP。
处理计划
依据虚拟仪器的长处，运用凌华科技出产的具有4通道，16为采样精度，最高采样率 到达40MS/s的高功用数据收集卡PCI9846和LabVIEW8.6 规划数 据收集剖析体系，在体系中选用比值校对法、能量重心校对法、FFT+FT接连细化剖析 傅立叶改换法和相位差法等离散频谱校对办法对信号进行频谱校对剖析，进步信号剖析精度。
一个完好的信号剖析体系一般由3部分组成：信号的获取与收集、信号的剖析与处理和成果的输出与显现。传统的测验仪器基本上是以硬件或固化的软件方式存在，仪器由出产厂家来界说、制作。传统仪器的规划较杂乱，灵敏性差，没有脱节独立运用，手工操作的形式,整个测验进程简直仅限于简略的仿照人工测验的进程，不适于一些较为杂乱及测验参数较多的场合[1]。与传统仪器比较，虚拟仪器(Virtual Instrument)具有高效、敞开、易用灵敏、功用强大、性价比高、可操作性好等显着长处，具体表现为：智能化程度高，处理才能强，复用性强，体系费用低，可操作性强等[2]。依据虚拟仪器的长处，运用PCI9846和LabVIEW规划数据收集剖析体系，用于轿车NVH剖析。
一、体系组成
虚拟仪器正在成为当今世界盛行的一种仪器构成计划。虚拟仪器以核算机为根底,结合相应的硬件和软件,完结数据的收集和处理。其结构是敞开式的，它把核算机渠道与具有规范接口的硬件模块以及与开发测验软件结合起来构成仪器体系，这种体系具有通用性、灵敏性，便于开发测验运用。
1.1 硬件构成
硬件体系以核算机为主体,以刺进其间的数据收集卡为首要功用部件。被测信号由数据收集卡接纳后,传入核算机内部,由相应的软件进行后续的剖析处理作业，因而数据收集卡是虚拟仪器能否成功规划的关键所在[3]。
本体系选用的数据收集卡是凌华科技出产的PCI9846。PCI9846是凌华科技的一款具有4通道，采样精度到达16位，采样频率到达40MS/s的高速数字化仪，供给高精度、低噪音及高动态规模功用，高密度且高精准度，专为输入信号频率高达20MHz的高频和高动态规模的信号而规划。模仿输入规模能够经过编程设置为±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。装备了容量高达512MB的板载内存的PCI9846，脱节了PCI总线的束缚，使之能贮存更长时刻的波形[4]。
1.2 软件渠道
软件部分是虚拟仪器的心脏，现在，运用较广泛的依据虚拟仪器的图形化编程软件开发渠道首要是美国国家仪器公司NI (National Instrument)开发的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程渠道)。LabVIEW是一种依据G(Graphic)言语的图形编程开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研讨实验室所承受，用作开发数据收集体系、仪器操控软件和剖析软件的规范言语，运用这种言语编程时，基本上不写程序代码，关于科学研讨和工程运用来说是很抱负的言语。它尽或许运用了技能人员、科学家、工程师所了解的术语、图标和概念，因而，LabVIEW是一个面向最终用户的东西。LabVIEW集成了与满意GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据收集卡通讯的悉数功用。它还内置了便于运用TCP/IP、ActiveX等软件规范的库函数[5]。这是一个功用强大且灵敏的软件，运用它能够便利地树立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及运用进程都生动有趣。它能够增强构建运用者的科学和工程体系的才能，供给了完结仪器编程和数据收集体系的快捷途径。运用它进行原理研讨、规划、测验并完结仪器体系时，能够大大进步作业效率。
LabVIEW含有品种丰厚的函数库，在很大程度上缩短了开发周期,并且开发的运用程序易于保护和扩展功用。运用LabVIEW开发环境进行数据收集与剖析运用软件的开发,将数据收集卡PCI9846和灵敏便利的运用软件开发渠道LabVIEW结合起来，能够下降开发本钱，又能够缩短开发周期,使开发变得便利高效。
1.3 LabVIEW操控收集卡
PCI9846供给了LabVIEW驱动，装置驱动时会主动查找LabVIEW目录，然后将必要的文件复制到相应的文件夹中去，假如体系中没有装置LabVIEW或许其版别低于6.0，驱动装置程序会弹出一个对话框提示更新LabVIEW的版别。LabVIEW驱动程序装置完结后，在就能够在LabVIEW中运用PCI9846来进行数据收集了[4]。
LabVIEW驱动装置完结后，在函数选板会添加如图1所示相应的项，在本文中直接运用其间的DAQPilotExpressVI，依据提示完结相应设置后即可完结数据收集(图2)。
二、 信号剖析
数据收集完结后，有必要对数据进行剖析，以从中提取相应信息。本体系数据剖析首要会集在频域。信号剖析处理是LabVIEW的一个重要组成部分，它供给了很多的专业性很强的信号剖析处理函数，关于信号的常见剖析直接运用LabVIEW现成函数即可满意要求，但用来对信号进行较杂乱处理时需自行编写函数。
谐波信号离散傅立叶改换和频谱剖析的频率、幅值和相位都或许存在较大差错，从理论上剖析单频率谐波信号加矩形窗时离散频谱剖析的幅值最大差错可达36.4%;即便加其它窗时，也不能彻底消除此差错，加Hanning窗并只进行幅值康复时的最大幅值差错仍高达15.3%;不管加何种窗函数，离散频谱剖析的相位最大差错高达±90度，频率最大差错为±0.5个频率分辨率。因而，频谱剖析的成果在许多范畴只能定性而不能准确地定量剖析和处理问题，大大约束了该技能的工程运用，特别是在机械振荡和毛病诊断中的运用遭到极大约束。所以要对离散频谱剖析得到的各频率成分参数进行校对，以得到较为准确的频率、幅值和相位估计值。所以需求研讨离散频谱的校对理论和技能以消除或大起伏减小这个差错，进步剖析精度。关于单频率成分或距离较远的多频率成分的离散频谱进行校对[6]。
现在国内外有四种对幅值谱或功率谱进行校对的办法[6]：比值校对法(内插法)，能量重心校对法，FFT+FT接连细化剖析傅立叶改换法和相位差法;相位差法又分为时移法、改动窗长法和归纳法。从理论上剖析，在信号不含噪声的情况下比值法和相位差法是准确的校对办法，而能量重心法和FFT+FT谱接连细化剖析傅立叶改换法是精度很高的近似办法。
跟着离散频谱校对技能的开展和不断完善，越来越广泛地被运用于剖析各种实际问题和各类动态信号剖析体系中。离散频谱校对理论已在或将在下列范畴得到广泛的运用：
(1) 各类动态信号剖析仪及核算机辅助测验体系;
(2) 旋转机械振荡信号，具有滑动轴承的旋转机械，作业转速大多很安稳，且需求相位作为剖析参数，此刻选用比值校对法最佳;
(3) 发动机等扭振信号，关于稳态扭振信号，只需求准确求出各谐次幅值，因为三点卷积校对法不受转速有小动摇的影响，是稳态扭振信号的最佳挑选;
(4) 仪器仪表范畴中的运用，现已运用到涡街流量计和电力体系电参量等需求精细频率丈量核算出物理量的仪器仪表中;
(5) 电力体系谐波剖析;
(6) 激光多普勒测速中进步精度;
(7) 高精度的频率与幅值校准体系，现在国内在准确标定动态信号的频率和幅值的仪器方面仍是空白，运用比值校对法合作高精度A/D板能够研制出标定仪器，添补这方面的空白;
(8) 精细剖析各类振荡信号频谱;
(9) 循环平稳解调剖析，选用离散频谱来校对解调后的调制频率和幅值，大起伏进步剖析精度，能够更准确的提取毛病信息;
(10) 雷达精细测距和电子对抗的军事范畴。
2.1 比值校对法(内插法)
这种办法运用频率归一化后差值为1的主瓣峰顶邻近二条谱线的窗谱函数比值，树立一个以归一化校对频率为变量的方程，解出归一化校对频率，从而进行频率、幅值和相位校对;这种办法适用于已知所加对称窗函数傅立叶改换的理论表达式情况下的离散频谱校对。 校对频率为：比值校对法的特色：
(1) 适用于已知归一化窗函数频谱解析表达式的一种通用离散频谱校对办法;能够准确校对单频率谐波信号离散频谱的频率、幅值和相位，大大进步离散谱剖析的精度;
(2) 从理论和实践上体系地处理了距离较大(5个频率分辨率以上)的多频率成分的参数(频率、幅值和相位)准确求解的问题;
(3) 算法简略，核算速度快;
(4) 不考虑信号中噪声的影响，比值法是一种准确的校对办法，校对后频率、幅值和相位为理论值，但会在数字核算中遭到数字截断差错的影响而发生很小的差错;
(5) 不适用于频率成分过于密布的信号和接连频率成分信号离散频谱剖析的校对。
校对频率为：
2.2 能量重心校对法
该办法是依据对称窗函数离散频谱的能量重心无量迫临坐标原点或在原点邻近的这一特性推导出的一种离散频谱校对办法，是一种适用于加各种对称窗的通用离散频谱校对办法。以Hanning窗为例，因为其窗旁瓣的功率谱值很小，依据其能量重心的特性，若令X为[-0.5,0.5]规模内，就能够用主瓣内功率谱值较大的几条谱线准确地求得主瓣的中心坐标。设采样频率为fs，作谱点数为N，主瓣内峰值的谱线号为m，Yi为功率谱第i条谱线值，x0为主瓣中心,其频率校对公式为：
能量重心校对法的特色：
(1) 适用于任何加对称窗函数频谱的一种通用离散频谱校对办法，可大起伏进步离散频谱的剖析精度;
(2) 与其它校对办法比较，其能对多段平均功率谱直接进行校对;
(3) 算法简略，核算速度快;
(4) 负频率成分和距离较近的多频率成分发生的干与现象所带来的差错对精度的影响小;
(5) 校对精度与窗函数有关，加Hanning窗时具有较高的校对精度;
(6) 校对精度与参加校对的点数有关，点数越多，对单频率成分的校对精度越高，但要求相邻两个谱峰的频率距离越大;
(7) 不考虑信号中噪声的影响，能量重心法是一种精度较高的近似校对办法，校对后频率、幅值和相位不是理论值，但差错很小;
(8) 不适用于频率成分过于密布的信号和接连频率成分信号离散频谱剖析的校对。
2.3 FFT+FT接连细化剖析傅立叶改换法
该办法本质是用FFT作全景谱，针对要细化的部分再用改善的接连傅立叶改换FT进行运算，以得到部分细化精度极高的频谱。对采样信号作FFT后，在指定的一个频率区间[f1,f2]，包含在区间[0，fs]内，进行L点等距离谱剖析。
FFT+FT接连细化剖析傅立叶改换法的特色：
(1) 适用于任何加对称窗函数频谱的一种通用离散频谱校对办法，可大起伏进步离散频谱的剖析精度;能够在不添加采样长度的前提下，大大进步频率分辨率以及幅值和相位的核算精度;
(2) 核算速度比其它办法慢得多，不适合用作实时频谱剖析与校对;
(3) 与复调制细化选带频谱剖析办法不同，因为没有加大窗的长度，所以仅能对信号部分频率的幅值和相位进行细化运算，而不能将现已十分密布、发生主瓣堆叠和干与的多频率信号别离成没有发生主瓣堆叠和干与的多个单频率成分信号，所以也不适用于频率成分过于密布的信号和接连频率成分信号离散频谱剖析的校对。
2.4 相位差法
相位差法分为时移法、改动窗长法和归纳法。其本质是对同一信号进行接连采样得到两段时刻序列，其间第二段时域序列比榜首段滞后必定的点数，对这两段时域加相同或不同的窗函数，别离进行两次不同或相同点数的FFT(或DFT)剖析，运用对应峰值谱线的相位差进行离散频谱校对，该办法适用于加各种对称窗情况下的离散频谱校对。相位差校对法有三种办法：榜首种办法是改动窗长法，第二种办法是时域平移法，第三种办法是归纳校对法，即时域平移+改动窗长+加不同窗函数法，该办法适用于加各种对称窗情况下的离散频谱校对。
这种办法是用两段时刻序列FFT后的相位之差进行频谱校对，原始单频率成分信号采接连两段样本，然后对这两段作傅利叶改换，运用其对应离散谱线的相位差校对出谱峰处的准确频率和相位的校对办法。对两段信号都是加相同的窗函数后再进行离散傅里叶改换，改换后的相频函数在窗函数主瓣内不光都具有线性联系，并且斜率相同，则有：
相位差校对法的特色：
(1) 通用性好，其校对办法不受所加窗函数不同的影响，是适用于加任何对称窗函数的一种通用离散频谱校对办法;
(2) 算法简略，核算速度快;
(3) 抗噪声搅扰的才能较强;
(4) 不考虑信号中噪声的影响，相位差法是一种准确的校对办法，校对后频率、幅值和相位为理论值，但会在数字核算中遭到数字截断差错的影响发生很小的差错;
(5) 不适用于频率成分过于密布的信号和接连频率成分信号离散频谱剖析的校对。
在本体系中，为了进步数据剖析精度，依据比值校对法、能量重心校对法、FFT+FT接连细化剖析傅立叶改换法和相位差法四种常用频谱校对办法原理，在LabVIEW8.6中编写相应函数，对数据进行频谱校对处理。
三、 总结
运用凌华科技高功用数据收集卡PCI9846和LabVIEW，结合四种最新频谱校对办法，规划数据收集与剖析体系，用于轿车振荡数据剖析。
