基于LabVIEW的同步平均降噪系统
摘要:为了检测被强背景噪声污染的微弱信号，同时降低硬件系统的成本，建立了基于LabVIEW软件平台的有效降噪系统。本文设计了基于同步平均算法的虚拟仪器程序，有效地实现了信号的降噪，并成功地实现了信号的提取，实验证明了这一点。数据采集卡PCI 5112由国家仪器公司生产，并经系统处理。利用该技术，得到了较好的信号，明显降低了背景噪声。
关键词:LabVIEW；数据采集卡；同步平均；降噪；信号处理
1．引言
在微弱信号检测的情况下，有用信号通常在信号采集、传输和处理之前被强噪声和其他失真所合并。为了检测出有用的信号，有必要寻找一种有效的弱信号降噪方法。理论上，当信噪比处于理想状态时，信噪比可以无限提高，但实际情况下，信噪比只能是有限的。在我们的实验中，信号处理包括两个过程。一种是信号采集，由数据采集设备完成；另一种是信号降噪处理，可由数字信号处理器（DSP）[1]、现场可编程门阵列（FPGA）[2]等硬件实现。
虽然信号检测完全可以用硬件实现，但成本相对较高，硬件电路的设计需要专业知识。对于不熟悉硬件的人来说，构建这样的硬件系统变得更加困难[2]。因此，寻找合适的软件降噪算法具有重要意义。降噪算法有同步平均法、小波变换、快速傅立叶变换等，其中同步平均法以其简单实用的特点在微弱信号处理中得到了广泛的应用。
基于LabVIEW软件平台，采用同步平均算法，设计了一个虚拟仪器（VI）程序，有效地实现了信号降噪。结果表明，该技术具有实用价值。
2．信号处理系统
实验系统如图1所示，所需的设备和工具如下:
计算机:安装LabVIEW的Pentine IV；
信号采集设备:（DAQ卡）PCI-5112，用于数据采集；
软件:LabVIEW7.1；
硬件:使用BNC电缆和放泄电路SUING 3000的函数发生器。
该系统的工作原理是:首先由函数发生器产生信号，然后与噪声混合；其次由数据采集装置对信号进行采样；最后将采样信号传输到同步平均系统进行降噪处理，检测有用信号。最后将数据存入计算机。
图1信号处理系统原理
3．同步平均理论
一般来说，有噪声的原始信号可以写成如下:
其中为噪声信号，为有用信号，功率为，为高斯白噪声，服从分布。输入信噪比可以表示为:
被测信号每T秒采样一点，第k次重复采样时第i点的采样值为:
其中T为采样周期，为第k次重复采样的时间，为第k次重复采样第i点的采样值。
经m次采样和积累后，有用信号的幅度将增加m倍。因此，累积m次后第i点处测量信号的振幅可以表示为:
然后平均信号可以写成:
由于噪声是随机信号，经过同步平均处理后，输出的高斯白噪声变为:
N(t)的平均值可从以下公式中获得:
其方差可由以下公式计算:
因此，输出信噪比可以表示为:
从上面的分析可以看出，经过m次平均处理后，信噪比可以放大到m倍。理论上，当累积时间趋于无穷大时，可以近似消除高斯白噪声。但在实际应用中，由于计算机和数据采集卡的性能限制，无法实现无限次积累。在实验中，积累时间主要取决于所需的信噪比。
4．平均系统的实现
在该系统中，正弦信号由信号发生器产生，然后与噪声混合，作为被测信号。为了验证该系统的可行性和实用性，该系统不仅可以实现白噪声的去除，而且还可以减小由电阻和电容组成的分压电路对测量信号引入的非线性失真，如图2所示。
图2放泄回路电路图
放泄电路提供幅频失真和相频失真。从而建立了由微弱待测信号和强背景噪声组成的被测信号模型。
- 实验
实验过程可分为三个阶段:
第一部分:设置数据采集卡的垂直参数、水平参数、触发参数等参数，准确采集高频信号；
第二部分:对被强噪声污染的信号进行同步平均，并在前面板显示；
第三部分:将波形以文本格式保存到计算机中，以便后续处理。
前面板和同步平均处理框图如图3和图4所示。
图3同步平均处理的方框图
图4前面板
- 结果和讨论
为了证明同步平均算法的实用性，我们选择了高频弱信号作为信号源。我们在每个信号周期内采集100个采样点。
图5所示的波形分别是带噪声的正弦信号和不同时间同步平均后提取的波形。“干净”信号是一个正弦波，峰峰值为10毫伏，频率为20兆赫。
图5
图5所示的结果表明，随着同步平均次数的增加，信号波形与正弦信号波形匹配良好，信噪比大大提高。实验验证了该算法的有效性和实用性，同时明显降低了硬件成本。
5．结论
基于LabVIEW软件平台，采用同步平均算法，设计了一个降噪系统，开发了一个基于同步平均算法的虚拟仪器程序，以更有效地实现信号降噪。通过比较不同平均时间下的实验结果，验证了该方法的有效性。实验结果表明，随着同步平均运算次数的增加，信噪比可以逐渐增大。该技术效率高，硬件成本低。实践证明，该技术具有较高的实用价值。
参考文献
[1] X. G. Yang, Y. Guo, and H. X. Ma, “Design and realization of sampling digital multipoint average of signal with DSP,” Journal of Data Acquisition amp; Processing, vol. 3, pp. 367-370, 2006.
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基于LabVIEW的噪声测试系统的设计
HE Wenhai
西安理工大学机械工程学院
wenhai_he@yahoo.com.cn
摘要:噪声等级是评价工业设备质量和生活环境质量的重要参数。传统的噪声测试设备存在各种缺陷，如测试效率低、测试精度低。基于虚拟仪器技术，包含测试技术、计算机技术、和网络技术，开发了一种新的噪声测试技术。在该系统中，利用个人计算机的声卡作为数据采集卡来获取噪声信号。因此，整个测试系统将更加经济。在测试系统中，该系统同时采集和处理噪声信号。用户可以获得噪声信号的时域和频域信息。从实际测试中可以看出，新系统提高了测试效率和测试精度。
关键词:噪声测试系统；虚拟；仪器；声卡；LabVIEW；数据获取
1．引言
在工业领域中，噪声水平是评价工业设备质量的重要参数。在生活领域，噪声水平也被用来评价生活环境的质量。噪声测试越来越重要。世界上许多国家都有专门的机构来监测和控制噪音，因为噪音会影响人们的健康，污染环境。
在传统的噪声测试系统中，需要使用大量的离散一起对信号进行采集、显示和保存，然后对采集到的信号进行手工处理。因此，不能提高测试精度和测试效率。开发先进的噪声测试系统是必要的。
目前，虚拟仪器技术由测试技术、计算机技术和网络技术组成，已经在许多工业领域的得到应用[1,2],因此，本文开发了一种虚拟噪声测试系统。在这个新系统中，测试软件取代了传统的测试系统。信号采集与数据处理同步，可以很大程度上提高测试精度和测试效率。
2．测试系统原理
如图1所示，麦克风用作获取信号的传感器。采集的信号通过声卡输入计算机。所有这些信号都经过处。
基于LabVIEW建立的测试程序。模拟/数字（A/D）接口和数字/模拟（D/A）接口是实时信号采集和数字信号处理所必需的。近年来，商用数据采集卡（DAQ）价格昂贵。随着数字信号处理（DSP）技术的发展，具有模拟/数字和数字/模拟接口的声卡已成为个人计算机（PC）的标准配置，价格低廉。因此，声卡可以作为测试系统中的数据采集卡。
图1测试系统原理
图2声卡原理简图
图3前面板
3．声卡的功能和结构
声卡是连接环境和计算机的桥梁。例如，计算机发出的数字信号经声卡处理后，可以转换成模拟信号。另一方面，将模拟信号转换成数字信号是声卡的另一项功能。因此，声卡可以作为数据采集卡（DAQ卡）来采集频率分布在音频域的信号。
如图2所示，声卡有五个端口。Wave Out和SPK Out是输出端口。波形输出端口的信号不会被放大。但是SPK输出的信号被放大了。所有这些端口都可以作为双通道信号产生的输出端口。
声卡也有两个输入端口，即线路输入和麦克风输入。来自传感器的声音信号，例如麦克风，可以通过这些端口输入声卡。如果采集信号的电压高于相应端口的额定输入电压，则传感器和声卡之间需要一个减速机。
4．测试程序
基于LabVIEW的测试程序由前面板和框图两部分组成。
4.1前面板
如图3所示的前面板与传统仪表的面板相同。前面板用户和测试系统。用户可以设置测试系统的初始参数，前面板也可以为用户显示测试结果。
从图3可知，前面板可分为若干部分。
第一部分用于设置数据采集卡的初始参数，即声卡。“采样率”对话框用于定义每秒采集的信号数。如果该值较高，则获取的噪声波形更精确。近年来，声卡采样率的最大值为48 kHz。商用声卡按采样率水平可分为44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz和8kHz四种。
“声道数”对话框用于定义将采集的信号输入计算机的声道序列号。声道分为单声道8位、单声道16位、立体声8位和立体声16位四种类型。如果采集的信号是单声道输入，则左声道和右声道的信号是相同的，信号的幅度是原始噪声的一半。如果声音信号通过立体声通道传输，左声道和右声道可以同时获得两个不同的信号，并且这两个声道中信号的幅度等于原始噪声。
前面板的第二部分用于定义过滤器。本文的滤波器类型是带通滤波器。此部分中的按钮用于定义滤波器的最高和最低频率。
在前面板的第三部分中，列表框用于定义一个补丁，该补丁存储采集的信号。第四部分用于显示采集到的信号。这部分包括四个波形窗口。在波形窗口（1）中显示已被滤波的所采集的噪声信号。当这些信号从时域转换到频域时，结果显示在波形窗口（2）中。当用汉宁窗口处理原始信号时，结果显示在波形窗口（3）中。噪声的功率谱显示在波形窗口（4）中。
图4方框图
图5数据流程
4.2方块图
处理所获取的信号是图4所示的框
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