GHz高頻信號的LabVIEW和MATLAB混合處理新方法

摘要：探討了對高頻信號進行采集和處理的設計難點，提出將LabVIEW的采集數(shù)據(jù)的特性與MATLAB強大的計算能力相結合的方法，并以此設計了一個系統(tǒng)。然后通過3種不同的方法，分別是將txt文件引入MATLAB、使用MATLAB script、使用Math Script RT，來結合LabVIEW和MATLAB，以采集得到的信號和內部產(chǎn)生信號的均方差及相關系數(shù)為標度來分析不同方法的可行性及效率，通過對比結果，最終確定了一種最佳的方案。
關鍵詞：高頻信號；均方差；相關系數(shù)；LabVIEW；MATLAB

    隨著技術力量的不斷提升，被處理的信號的頻率越來越高。例如，手機的信號便是上GHz的超高頻信號。在采集這類超高頻信號的過程中，系統(tǒng)很容易受到各種電磁波的干擾，從而使有用信號夾帶各式各樣的諧波成分，這就給后續(xù)的信號處理帶來了很大的麻煩，諸如數(shù)據(jù)量過大，計算復雜等。因此設計一套效率高，可用性強的系統(tǒng)來對高頻信號進行采集及處理顯得尤其重要。

1 設計思路
    在這篇文章中，作者討論一種可行的方法，即是使用LabVIEW來進行數(shù)據(jù)采集，使用MATLAB作為數(shù)據(jù)處理的平臺。那么如何高效的將兩者結合將成為設計的關鍵。本文將對不同的結合方法進行實驗，具體執(zhí)行步驟如下：首先使用LabVIEW將高頻信號采集回來并暫時保存；鑒于MATLAB強大的計算能力，作者使用它來產(chǎn)生一個用于比較的高采樣率的波形，并將這個波形通過3種不同的技術引入LabVIEW；最后通過均方差與相關性，可行性與速度的對比，分析哪一種方法才是最好的。

2 文獻調查
    在文獻中，作者介紹了在LabVIEW平臺如何運用DAQ工具進行基本采集的相關操作。文獻中的作者介紹了在MATLAB上對信號進行各種處理的基本方法。在文獻中，作者展示了在NI平臺上如何運用Math Script RT模塊來開發(fā)MATLAB代碼。文獻介紹了在LabVIEW中使用MATLABscript模塊進行接口設計。

3 軟件介紹說明
    LabVIEW是一種基于數(shù)據(jù)流的編程語言，而MATLAB是第四代編程語言，用來執(zhí)行數(shù)字計算的任務。
    LabVIEW的數(shù)據(jù)流編程是一種基于圖標的，因而常被人們稱為G語言。用這些圖標連成的程序叫做VIs(虛擬儀器)。程序的接口是基于前面板的，它能夠接收輸入和提供輸出，在前面板中各部分模塊以圖標連線的方式組成一個結構框架。前面板中的另外一個重要的特性是連線板，它的作用是在一個VI中以圖標的方式使用另一個VI。
    人們最初使用LabVIEW只是用來測量，自動化控制，但是隨著LabVIEW集成了越來越多的特性，它逐漸轉變成了一種完善的開發(fā)環(huán)境。G語言最大的優(yōu)勢就在于他并行執(zhí)行的能力。
    MATLAB常被人們稱為第四代語言。它具有嚴謹?shù)臄?shù)字化矩陣操作，如果用一些簡單的語言，如：C，C++，來執(zhí)行這些操作的話，那不論對編程者還是計算機來說都將是非常困難的。MATLAB起初是用來計算復雜的矩陣的。它也集成了不同的特性來滿足各種各樣的要求。例如，添加的Simulink就是MATLAB朝圖形模塊化發(fā)展的重要的一步。
    使用LabVIEW還是MATLAB來完成特定的功能，取決于編程者的個人愛好。但是由于某些原因，作者需要將一種編程環(huán)境的特性使用在另一種環(huán)境中，比如：將一個使用MATIAB寫的代碼使用在并行執(zhí)行的環(huán)境中。本文主要研究了LabVIEW與MATLAB相結合的3種解決方法，并通過一個用來標度的信號發(fā)生器來分析使用3種不同方法的優(yōu)劣。

4 系統(tǒng)
    所設計的系統(tǒng)結構如圖1所示。

4．1 產(chǎn)生信號
    當要對一個高頻信號(比如高達2 GHz的信號)進行采集和處理的時候，通常會設計一個高速或者超高速硬件采集電路。包括放大部分、濾波部分；A／D和D／A轉換部分等，這對電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時，目前市場上的高頻信號發(fā)生器價格普遍昂貴。因此作者使用LabVIEW的DAQmx工具包，產(chǎn)生虛擬高頻信號。
    DAQmx產(chǎn)生的虛擬高頻信號可調參數(shù)多，且能夠產(chǎn)生諸如正弦波，方波，鋸齒波等波形。作者使用不同參數(shù)的信號，以使得結果更具有說服力。例如：頻率范圍：500 M～10 GHz，分辨率為10 Hz。
4．2 LabVIEW進行采集及顯示
    先在DAQmx定時VI中設定好采樣模式及采樣率，這里作者設定的是連續(xù)采樣模式和1 000的采樣率；接著在DAQmx讀取VI中，作者設定為模擬多通道多采樣2D DBL，超時設為2；最后將DAQmx開始任務VI、DAQmx停止任務VI、DAQmx清除任務VI與前面兩個VI連接，這樣就完成了基本的采集設計。將產(chǎn)生的模擬信號直接連接到波形圖表VI可以很直觀的看到波形。
    前面板設計如圖2所示。

    其主要部分是顯示采集波形的圖表，和內部產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的圖表。表盤和其左方的波形圖是均方差的相關表述，數(shù)字控件描述的是均方差和相關系數(shù)的值。
    相比起其他的信號比較法，如：基線信號比較法、信噪比和有效數(shù)據(jù)位比較法等，采用均方差來比較波形顯得更加的簡便，可靠。而相關性揭示了2個波形的相似度，即是2個數(shù)據(jù)間的線性關系。
    采集的數(shù)據(jù)在LabVIEW中被保存為一個txt文檔，這只需要將數(shù)據(jù)連線到寫入文本文件VI即可。保存的數(shù)據(jù)可以被用來進行處理、分析或者是其它用途，同時這也提供了備份以防止不可遇見的事故發(fā)生。
4．3 MATLAB進行處理
    MATLAB被用來執(zhí)行數(shù)據(jù)計算來比較2個波形。
4．3．1 均方差
    均方差的代碼實現(xiàn)了將2個波形數(shù)據(jù)按照矩陣的形式代入方程中，然后將所得結果返回給LabVIEW并顯示出來。均方差的公式由下式給出
    
4．3．2 相關系數(shù)
    相關系數(shù)可以用以下命令實現(xiàn)
    R=corrcoef(X)        (2)
    這條命令將2個矩陣(一個是采集得到的，一個是內部生成的)建立相關性，并輸出計算得到的相關系數(shù)。
    相關系數(shù)的公式如下
    
4．3．3 參考信號
    參考信號用來與采集得到的信號數(shù)據(jù)進行均方差與相關性的對比。它由MATLAB產(chǎn)生，因為MATLAB擁有豐富的數(shù)學函數(shù)庫及強大的各種工具箱(ToolBox)，這就使得作者可以很方便靈活的產(chǎn)生各種參數(shù)的不同信號，而且使用MATLAB能得到較高的采樣率，并且對信號的處理也比較簡單，同時也避免了將參考信號引入MATLAB script模塊的麻煩。

5 3種方法
5．1 第一種
    為了實現(xiàn)第一種方法，作者運用LabVIEW的DAO工具包，設定好產(chǎn)生虛擬信號的參數(shù)，再將信號采集回來，并將數(shù)據(jù)保存為一個txt文件。將這個txt文件引入MATLAB，并與MATLAB內部產(chǎn)生的信號進行對比，通過計算得到均方差和相關系數(shù)。
5．2 第二種方法
    第二種方法只使用LabVIEW一個軟件，首先采集信號數(shù)據(jù)并保存，接著使用LabVIEW的MATLAB script模塊產(chǎn)生內部信號，最后將倆信號對比并計算均方差和相關系數(shù)，如圖3所示。

5．3 第三種方法
    第三種方法借助LabVIEW內部的Math Script RT來完成，具體步驟和第二種方法類似，如圖4所示。

6 結果分析
    實驗環(huán)境為CPU：Intel Pentium D 2．8 GHz，內存：1G，顯卡：GT220。系統(tǒng)：Windows XP。
    產(chǎn)生高頻信號為1 GHz，深度為1 024 M，重復實驗10次。
    對于一些小誤差，如校準誤差，幾乎可以忽略不計，因為都是在同一個環(huán)境下試驗完成的。因此作者集中分析方法的可行性，然后對比3種方法，最后得出結論哪一種是最好的。
6．1 引入txt文件
    這種方法非常耗時。首先，使用LabVIEW采集得到數(shù)據(jù)并將之保存為一個txt文件，然后再將這個文件引入MATLAB。即是用戶需要在打開一個軟件后再打開另外一個軟件來完成操作，這是很繁瑣的。
    從開發(fā)者的角度來說，這種方法也許很簡單或者說是不那么復雜。但是，這種方法可行性最低。因為除了耗時，它還需要對這兩種軟件有一定的認識，因此花在查找文獻上的時間也相應的增多了。
    另外，這種方法增加了電腦的負擔，畢竟是開了兩個程序。如果你使用的是一臺老電腦的話，那么這可能會降低你的工作效率。
    綜上，作者不建議使用這種方法。
6．2 使用MATLAB script
    這種方法經(jīng)過驗證比上一種要好。因為用戶不必打開兩個應用程序來執(zhí)行程序，所以相對的比較可行。
    但是，這種方法也需要安裝MATLAB軟件，才能在LabVIEW中調用MATLAB script模塊。這樣就導致了程序執(zhí)行的緩慢，因為用戶必須等待一段時間讓計算機進行切換計算。
    除了操作性的難題，這種方法最主要的問題還是不能夠實時計算。采集的數(shù)據(jù)必須先保存為矩陣的形式，然后再調用MATLAB script模塊進行處理。這樣就不僅浪費了時間，而且還需要另外的算法來臨時保存數(shù)據(jù)。
6．3 使用Math Script RT
    這種方法使用了內嵌的Math Script模塊，它集合了LabVIEW和MATLAB的優(yōu)點，而且還不需要安裝另外的軟件。Math Script模塊沒有必要調用MATLAB軟件，因為它本身就能夠識別800多條命令，也就是說使用。Math Script模塊的話就不需要再安裝MATLAB軟件了。
    相比上一種方法，最主要的優(yōu)勢除了運行快還有就是能夠進行實時處理。因為其不需要對數(shù)據(jù)進行臨時的數(shù)據(jù)存儲，也沒有丟失實時的信息，這就使得它的運行速度是最快的。測試結果如圖5所示。

7 結論
    為了最優(yōu)化系統(tǒng)的性能，本文提倡對不同目的使用不同的軟件。使用LabVIEW進行數(shù)據(jù)采集，運用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理，這是很多項目的需要，也是很多程序員的需要。文中使用3種方法將LabVIEW與MATLAB的特性相結合：引入txt文件到MATLAB，使用MATLAB script模塊，使用Math Script RT。通過分析得到的結果，證實了使用Math Script RT無論在速度和可行性方面都是最好的。