利用虛擬儀器進行數(shù)字信號處理設(shè)計

利用虛擬儀器進行數(shù)字信號處理設(shè)計工程設(shè)計可以從虛擬儀器中獲得什么?即便您對虛擬儀器并不熟悉，了解儀器如何影響工程設(shè)計也十分自然的。例如示波器等傳統(tǒng)儀器在測試和測量應(yīng)用中的不同階段及電子系統(tǒng)的設(shè)計、驗證和測試階段都被廣泛地應(yīng)用。但是，憑借快速開發(fā)工具、交互式設(shè)計功能以及與實際信號的自然關(guān)聯(lián)特性，虛擬儀器可以將工程設(shè)計帶入到一個新的時代。例如數(shù)字信號處理(DSP)以及它與儀器之間的關(guān)系。數(shù)字信號處理器(DSP)，是一種針對數(shù)字信號進行實時數(shù)學(xué)工程設(shè)計可以從虛擬儀器中獲得什么?即便您對虛擬儀器并不熟悉，了解儀器如何影響工程設(shè)計也十分自然的。例如示波器等傳統(tǒng)儀器在測試和測量應(yīng)用中的不同階段及電子系統(tǒng)的設(shè)計、驗證和測試階段都被廣泛地應(yīng)用。但是，憑借快速開發(fā)工具、交互式設(shè)計功能以及與實際信號的自然關(guān)聯(lián)特性，虛擬儀器可以將工程設(shè)計帶入到一個新的時代。例如數(shù)字信號處理(DSP)以及它與儀器之間的關(guān)系。數(shù)字信號處理器(DSP)，是一種針對數(shù)字信號進行實時數(shù)學(xué)運算的微處理器。要使用DSP處理模擬信號，首先要用抗鋸齒濾波器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對模擬信號進行數(shù)字化，并將它送入到傳入DSP的數(shù)據(jù)流中。之后，DSP會以某種方式修改數(shù)據(jù)流，并通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)以及抗假象濾波器將信號轉(zhuǎn)回模擬信號。通常而言，類似示波器等傳統(tǒng)獨立儀器會使用定制的固定嵌入式DSP系統(tǒng)。除此之外，示波器其實還可以通過虛擬儀器技術(shù)在個人電腦(PC)上實現(xiàn)。利用PC的強大性能，使用PCI數(shù)據(jù)采集設(shè)備對實際輸入信號進行數(shù)字化，然后使用PC對信號進行處理。這種虛擬儀器的方式可以使用戶依靠自行開發(fā)的軟件程序和在PC或者實時操作系統(tǒng)上完成自定義的儀器功能。虛擬儀器提供的強大設(shè)計工具使得具有不同技能層次和不同教育背景的人都可以快速設(shè)計并開發(fā)自定義測試和測量系統(tǒng)。相反，過去的工程設(shè)計要求開發(fā)人員使用不相關(guān)的開發(fā)工具，還需要在領(lǐng)域設(shè)計和實現(xiàn)都具備一定的工程專業(yè)知識。本文描述了如何將虛擬儀器設(shè)計工具應(yīng)用到信號處理工程設(shè)計中，從而消除在設(shè)計和最終系統(tǒng)實現(xiàn)之間的障礙。我們將通過研究數(shù)字信號處理的設(shè)計與發(fā)布，并作為工程實例，來進一步討論這個問題。數(shù)字信號處理與虛擬儀器首先，我們來討論一下虛擬儀器的概念，它的出現(xiàn)是為了解決傳統(tǒng)獨立儀器的局限性。過去，測試和測量工具通常由例如示波器和波形發(fā)生器等獨立儀器組成，它們?yōu)橛邢薜臏y量應(yīng)用提供了有限的功能集合。這種傳統(tǒng)儀器具有三個基本局限性：1)硬件對信號采集提供有限的精度與速度;2)儀器中內(nèi)建的廠商定義的有限的測量與分析函數(shù);3)用戶操作界面的局限性。如果這些局限性中有任何一點無法滿足項目規(guī)范的要求，那么就需要一個新的獨立儀器，這樣會大大增加最終系統(tǒng)成本。自1976年以來，NI通過將傳統(tǒng)的獨立儀器分成兩個基本部分為儀器帶入了一種新的觀念，這兩個部分是：對信號進行數(shù)字化所需的硬件和分析顯示結(jié)果所需的軟件。允許最終用戶使用用戶定義的軟件為其應(yīng)用建立最終儀器，這樣儀器的局限性就被解決了，虛擬儀器的概念就是這樣誕生的。將軟件作為儀器，儀器就可以擴展到測試、控制和設(shè)計中。相對于傳統(tǒng)的獨立儀器而言，虛擬儀器的優(yōu)點與數(shù)字信號處理相對于模擬信號處理而言的優(yōu)點是相似的。例如，模擬濾波器通常使用運算放大器、電容和電阻等模擬電子元件實現(xiàn)，相對于使用浮點或定點機器實現(xiàn)的數(shù)字濾波器而言靈活性十分有限。盡管模擬濾波器比較便宜、易于建立，模擬濾波器的標(biāo)定和維護十分困難。要對設(shè)計進行修改也十分難以實現(xiàn)。例如，如果后來發(fā)現(xiàn)需要一個更高階的濾波器，就必須改動硬件實現(xiàn)新的設(shè)計。由于數(shù)字濾波器是用軟件建立的，并沒有這個問題，從而在單一硬件上提供了可以實現(xiàn)多種應(yīng)用的靈活平臺。除了虛擬儀器和數(shù)字信號處理都發(fā)揮了基于軟件平臺的優(yōu)點，虛擬儀器通過利用圖形化編程開發(fā)環(huán)境NILabVIEW使得易用性的優(yōu)點得到進一步的發(fā)展，它能夠讓更多人參與到軟件開發(fā)和儀器設(shè)計中去。LabVIEW不僅提供了完全與傳統(tǒng)的基于文本的編程語言所不同的圖形化編程方式，使得編程過程變得更加直觀與方便，同時還通過自帶的Mathscript兼容了文本的編程語言，使得用戶可以兼容已有的算法，或者根據(jù)實際應(yīng)用來選擇合適的編程方式。這樣大大節(jié)省了需要熟悉編程環(huán)境和語法所需要的大量的時間。這也是缺乏足夠的設(shè)計工具對數(shù)字信號處理所產(chǎn)生的影響?對于DSP工程師而言，使用傳統(tǒng)工具實現(xiàn)基于軟件的解決方案十分痛苦。典型的開發(fā)過程從算法設(shè)計開始，它需要使用多種數(shù)學(xué)建模環(huán)境，這要求對基于文本的命令和語法有著足夠的熟悉程度。在完成算法之后，嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來了新的困難。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需要對實時處理概念、板載內(nèi)存可用性以及在軟件開發(fā)中所需的基于文本的編程語言和語法有深入的知識。在傳統(tǒng)的基于文本的設(shè)計工具中，調(diào)試又是相當(dāng)困難的。如果嵌入式系統(tǒng)沒有能夠按照期望的方式進行工作，如何才能找出數(shù)學(xué)設(shè)計的錯誤如何對應(yīng)到具體的嵌入式系統(tǒng)代碼呢?例如量化、下溢出和上溢出等關(guān)于定點設(shè)計的問題很難進行跟蹤，因為他們常常在實時執(zhí)行的前幾個循環(huán)中出現(xiàn)。例如斷點、單步執(zhí)行、監(jiān)視可用寄存器和變量等常用的簡單調(diào)試工具是不夠的，因為他們需要用戶舍棄實時執(zhí)行，這樣也就無法使得問題重現(xiàn)。在最近20年中，來自成千上萬家公司的工程師、科學(xué)家和技術(shù)員通過使用LabVIEW加速并簡化了開發(fā)過程，LabVIEW相比傳統(tǒng)設(shè)計工具而言更加強大，更加易于使用。LabVIEW具有通用編程語言所有的廣度和深度，其易用性提高了用戶效率，縮短了開發(fā)應(yīng)用程序所需的時間。

簡化DSP設(shè)計的參數(shù)選擇以數(shù)字濾波器設(shè)計為例，它是用NILabVIEW和數(shù)字濾波器設(shè)計工具包進行開發(fā)與實現(xiàn)的。在這個應(yīng)用和其他應(yīng)用中，虛擬儀器方法的一個優(yōu)點是提供了交互性——可以直接看到制定修改設(shè)計參數(shù)的結(jié)果。數(shù)字濾波器設(shè)計首先要為濾波器類型(低通、帶通、帶阻和高通)定義濾波器規(guī)范，確定是有限脈沖響應(yīng)(FIR)或是無限脈沖響應(yīng)(IIR)，確定采樣速率以及浮點機器上所需的濾波器響應(yīng)。圖1給出了用于設(shè)計典型濾波器的交互式界面，例如巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫、橢圓、凱塞窗、多爾夫—切比雪夫窗以及等波紋FIR設(shè)計方法。圖1