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摘 要：本文用LabVIEW软件设计了一款虚拟信号检测仪，可以从强噪声背景下检测出微弱信号，对于频率较低的信号，系统直接产生随机共振，对于频率较高的信号，使用移频随机共振系统，检测效果良好。相对传统仪器，虚拟仪器在测量上、应用上和二次开发上都体现出了很大的优越性。因此，本虚拟信号检测仪在信号检测中具有较好的应用前景。
关键词：LabVIEW软件；虚拟信号检测仪；随机共振；移频随机共振
1 引言
强噪声背景下的微弱信号检测，一直是人们关注的课题，起初人们采用线性放大和线性滤波，但当噪声很强时，微弱信号几乎被“淹没”，采用一般的线性系统技术已无能为力。后来人们采用非线性处理技术，在线性滤波中加入非线性放大环节。由于它没有从根本上摆脱滤波抑噪的限制，因此在背景噪声较强的场合仍不能发挥有效作用。再后来，人们利用随机共振，把部分噪声转换为有用信号，实现强噪声背景下微弱信号的检测。对这种方法，很多学者已做了大量的研究，也做了大量仿真和实验，但大都还局限在对已知信号中加入已知噪声的研究，通过这样的研究来确定系统参数，但这样的系统对完成含有未知噪声的实际信号处理还有些力不从心。本文利用LabVIEW强大的信号处理能力和便捷的操作，设计了一款基于随机共振原理的信号检测仪。既能对含有预知噪声的预知信号进行检测，又能对含有未知噪声的实际信号进行检测，既能对低频信号进行检测，又能对高频信号进行检测。在进行信号检测中，能够随着检测信号的不同，便捷地从前面板上调节系统参数，以使系统发生随机共振，达到最好的检测效果。
2 系统原理
随机共振机理表明，对于幅度、频率和噪声强度均小于1的小参数信号，根据绝热近似或线性响应理论，双稳态系统的输出在时域和频域中有着明显的随机共振表现形式。合适的噪声强度可以使得弱周期信号驱动下的非线性系统的输出信噪比达到某一最佳值。在一定噪声强度范围内，输出信噪比随噪声强度的增强而增大。其本质是部分噪声能量转化为信号能量的结果，是输入信号与噪声的协作效应。
在高频段，没有足够的噪声能量使布朗粒子越过势垒以在双稳态系统的两势阱之间以信号频率跃迁，很难观察到随机共振现象。针对这种现象，本文采用频移随机共振，即利用傅立叶变换的频移特性，先将信号的频率搬移到一个较小的值，再利用随机共振系统中噪声和信号的协同作用，实现强噪声背景下大频率周期信号的检测。
随机共振系统特点是随着输入噪声信号幅值的增加，输出信号的信噪比也会增加。能够描述随机共振现象的最简单模型是郎之万（Langevin）方程。本文采用LabVIEW中一些数学函数和信号检测与处理子VI实现郎之万方程，其中，方程用来描述简单的双稳态系统，代表高斯分布的白噪声，均值为0，方差为1，D是噪声强度，x（t）是双稳态系统的输出信号。
3 系统实现
信号检测仪由前面板和后面板组成。
前面板是人机交换、用户界面，包括控制对象和显示对象。控件主要有数值输入控件、数值显示控件、布尔开关和枚举常量等。显示对象主要有波形图表和波形图。从系统的角度来看，主要有三大类，一是被测信号相关设置，被测信号可通过开关选择内部信号或实际信号。内部信号是由软件内部产生的，由正弦信号和噪声叠加而成，正弦波的幅值、频率，噪声的幅值、类型可在前面板左侧相应控件里直接输入或选择。实际信号是由硬件采集卡直接采集到的信号，不需要设置参数。被测信号也可以通过开关选择低频信号或高频信号，低频信号直接使用随机共振系统，高频信号使用移频随机共振系统。在使用时高低频没有严格的界线，需根据检测效果比较结果而定。二是波形显示对象，包括输入输出信号波形、功率谱密度、信号平均值、有效值以及信噪比。三是与波形显示相关的一些参数设置。有时域波形显示的采样信息，有功率谱密度相关的窗函数、平均模式、加权模式和平均数目，还有与信噪比相关的起始频率、终止频率和频率范围等。这些控件按功能分类排列，清晰有序，便于操作和显示。
后面板是程序框图。内外部信号的选择、高低频信号的选择使用条件结构。系统的搭建主要使用软件中的数学和信号处理函数，包括加法、乘法、积分等。功率谱密度、信噪比以及输入输出信号幅值的计算和显示直接使用FFT Power Spectrum and PSD、SV Multitone THD IMD SNR以及Cycle Average and RMS子VI。整个程序放在一个while循环结构中，确保系统能够连续执行，直至按下停止按钮。
由于LabVIEW中包含丰富的函数和子VI，而且又使用图形化编程语言，因此，实现起来比较容易。但本系统具体调试起来比较麻烦，需根据具体信号选择合适参数，使系统发生随机共振，达到最佳检测效果。如果检测信号不常变动，那么参数一旦调试好，也不必大幅度变动，使用起来也方便。另外，该仪器属于虚拟仪器，改动系统只需改动流程图即可，不用改动硬件电路，再次开发方便。
4 总结
本文用LabVIEW软件设计了一款基于随机共振原理的虚拟信号检测仪，一台电脑配上一个采集卡就可以完成强噪声背景下弱信号的检测。对于不同测试信号，参数设置可在仪器前面板上直接输入或选择，测量结果也可直观显示，省掉大量传统仪器以及复杂的测量工作，且仪器二次开发方便，适应性很广。
参考文献：
[1]周冀馨.虚拟仪器技术.北京.机械工业出版社.2014.
[2]李强，王太勇，冷永刚，胥永刚.基于变步长随机共振的弱信号检测技术，《天津大学学报》2006年04期.
作者简介：刘苏英，女，汉，硕士，副教授，研究方向为电子信息
关键词：LabVIEW软件；虚拟信号检测仪；随机共振；移频随机共振
1 引言
强噪声背景下的微弱信号检测，一直是人们关注的课题，起初人们采用线性放大和线性滤波，但当噪声很强时，微弱信号几乎被“淹没”，采用一般的线性系统技术已无能为力。后来人们采用非线性处理技术，在线性滤波中加入非线性放大环节。由于它没有从根本上摆脱滤波抑噪的限制，因此在背景噪声较强的场合仍不能发挥有效作用。再后来，人们利用随机共振，把部分噪声转换为有用信号，实现强噪声背景下微弱信号的检测。对这种方法，很多学者已做了大量的研究，也做了大量仿真和实验，但大都还局限在对已知信号中加入已知噪声的研究，通过这样的研究来确定系统参数，但这样的系统对完成含有未知噪声的实际信号处理还有些力不从心。本文利用LabVIEW强大的信号处理能力和便捷的操作，设计了一款基于随机共振原理的信号检测仪。既能对含有预知噪声的预知信号进行检测，又能对含有未知噪声的实际信号进行检测，既能对低频信号进行检测，又能对高频信号进行检测。在进行信号检测中，能够随着检测信号的不同，便捷地从前面板上调节系统参数，以使系统发生随机共振，达到最好的检测效果。
2 系统原理
随机共振机理表明，对于幅度、频率和噪声强度均小于1的小参数信号，根据绝热近似或线性响应理论，双稳态系统的输出在时域和频域中有着明显的随机共振表现形式。合适的噪声强度可以使得弱周期信号驱动下的非线性系统的输出信噪比达到某一最佳值。在一定噪声强度范围内，输出信噪比随噪声强度的增强而增大。其本质是部分噪声能量转化为信号能量的结果，是输入信号与噪声的协作效应。
在高频段，没有足够的噪声能量使布朗粒子越过势垒以在双稳态系统的两势阱之间以信号频率跃迁，很难观察到随机共振现象。针对这种现象，本文采用频移随机共振，即利用傅立叶变换的频移特性，先将信号的频率搬移到一个较小的值，再利用随机共振系统中噪声和信号的协同作用，实现强噪声背景下大频率周期信号的检测。
随机共振系统特点是随着输入噪声信号幅值的增加，输出信号的信噪比也会增加。能够描述随机共振现象的最简单模型是郎之万（Langevin）方程。本文采用LabVIEW中一些数学函数和信号检测与处理子VI实现郎之万方程
3 系统实现
信号检测仪由前面板和后面板组成。
前面板是人机交换、用户界面，包括控制对象和显示对象。控件主要有数值输入控件、数值显示控件、布尔开关和枚举常量等。显示对象主要有波形图表和波形图。从系统的角度来看，主要有三大类，一是被测信号相关设置，被测信号可通过开关选择内部信号或实际信号。内部信号是由软件内部产生的，由正弦信号和噪声叠加而成，正弦波的幅值、频率，噪声的幅值、类型可在前面板左侧相应控件里直接输入或选择。实际信号是由硬件采集卡直接采集到的信号，不需要设置参数。被测信号也可以通过开关选择低频信号或高频信号，低频信号直接使用随机共振系统，高频信号使用移频随机共振系统。在使用时高低频没有严格的界线，需根据检测效果比较结果而定。二是波形显示对象，包括输入输出信号波形、功率谱密度、信号平均值、有效值以及信噪比。三是与波形显示相关的一些参数设置。有时域波形显示的采样信息，有功率谱密度相关的窗函数、平均模式、加权模式和平均数目，还有与信噪比相关的起始频率、终止频率和频率范围等。这些控件按功能分类排列，清晰有序，便于操作和显示。
后面板是程序框图。内外部信号的选择、高低频信号的选择使用条件结构。系统的搭建主要使用软件中的数学和信号处理函数，包括加法、乘法、积分等。功率谱密度、信噪比以及输入输出信号幅值的计算和显示直接使用FFT Power Spectrum and PSD、SV Multitone THD IMD SNR以及Cycle Average and RMS子VI。整个程序放在一个while循环结构中，确保系统能够连续执行，直至按下停止按钮。
由于LabVIEW中包含丰富的函数和子VI，而且又使用图形化编程语言，因此，实现起来比较容易。但本系统具体调试起来比较麻烦，需根据具体信号选择合适参数，使系统发生随机共振，达到最佳检测效果。如果检测信号不常变动，那么参数一旦调试好，也不必大幅度变动，使用起来也方便。另外，该仪器属于虚拟仪器，改动系统只需改动流程图即可，不用改动硬件电路，再次开发方便。
4 总结
本文用LabVIEW软件设计了一款基于随机共振原理的虚拟信号检测仪，一台电脑配上一个采集卡就可以完成强噪声背景下弱信号的检测。对于不同测试信号，参数设置可在仪器前面板上直接输入或选择，测量结果也可直观显示，省掉大量传统仪器以及复杂的测量工作，且仪器二次开发方便，适应性很广。
参考文献：
[1]周冀馨.虚拟仪器技术.北京.机械工业出版社.2014.
[2]李强，王太勇，冷永刚，胥永刚.基于变步长随机共振的弱信号检测技术，《天津大学学报》2006年04期.
作者简介：刘苏英，女，汉，硕士，副教授，研究方向为电子信息