（一）一般信号分析的虚拟仪器设计一 、 虚拟仿真信号发生器（正弦波为例）设计步骤（1）前面板设计1五个输入型数字控件五个输入型数字控件供使用者键入生成正弦波的频率f x、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率f x。
操作Controls>>Numeric>>Digital Control五次，得到五个输入型数字控件，分别标记为“信号频率”、“采样频率”、“采样点数”、“信号幅值”和“初始相位”。
2一个输出显示型图形控件输出显示型图形控件用来显示所产生的正弦波波形。
执行Controls>>Graph>>Waveform Graph操作，调入图形控件Graph。
其横轴为时间轴。
应考虑到生成的信号频率跨度大，在0.1Hz一10kHz范围内，其周期跨度也大，在10s～0.1ms范围内；纵轴为电压轴，生成信号幅值的范围应充满整个显示画面，故选用“Graph”显示器。
注意：控件参数设置应考虑到采样频率f s：，数字频率f，一个周期采样点数n与总点数N=Samples的关系：f s=nf x，故f s的最大值应是被测信号频率f x最大值的几倍，且N≥n。
③两个开关控件执行Controls>>Boolean>>Vertical Switch操作，调入开关按钮控件，标记为“复位相位”。
执行Controls>>Boolean>>Labeled Round Button操作， 调入开关按钮控件，标记为“OFF"。
如上设计的前面板如图1所示。
(2)流程图设计在流程图中执行Functions>>Structures>>While Loop操作，调入While循环结构。
执行Functions>>Numeric四次，可以分别放置一个除法器，一个倒数器及两个常数0和10。
在流程图中执行Functions>>Signal Processing>>Signal Generation>>Sine Wave．vi操作，可调入Sine Wave．vi图标。
在流程图中执行Functions>>Cluster>>Bundle操作，调入Bundle图标。
在流程图中执行Functions>>Time&Dialog>>Wait操作，调入时钟图标。
在流程图中执行Functions>>Boolean>>Not操作， 调入Not图标。
连线形成的虚拟正弦波发生器的流程图如图2所示。
注；所需的数字频率f由除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采样间隔，便于显示。
(3)运行检验设置正弦波信号f x=0.2Hz，初相位=00，幅值=1.0V，采样频率10Hz，复位相位选为TRUE，采样点数为100。
生成的正弦波如图1所示。
二、虚拟信号频谱分析仪（正弦波为例）(1)前面板设计如上题设计一样，进行前面板设计。
为了显示正弦信号的频谱，另增加一个图形控件Graph，并标记为“正弦波FFT图”。
设计完成的前面板如图3所示。
（2）流程图设计在流程图中执行Functions>>Signal Processing>>Frequency Domain >> Real FFT．Vi 操作，调入Real FFT．vi图标。
在流程图中执行Functions>>Numeric>>Complex>>Complex To Re／Im操作，调入转化为极坐标的图标。
执行Functions>>Cluster>>Bundle操作， 调入Bundle．vi图标。
为了显示频谱，显示器的横轴必须按频率进行分度。
因此，需要引入一个除法器，完成采样频率除以采样点数得到横轴(频率轴)的分度值。
设计完毕流程图如图4所示。
（3）运行检验对正弦信号（幅值A=I．OV，频率fx＝2Hz，初始相位00）进行FFT，信号的采样率lOHz，采样点数为100。
所产生的正弦信号及其频谱图如图3所示。
三、虚拟调制解调器1．调制解调原理(1)调幅波的数学表达式及其特性u(t)＝E m z（t）sinω0t上式中，E m常量；ω0——高频载波角频率；z(t)——低频缓变信号，其上限角频率为Ω。
该式就是调幅波的一般数学表达式，它反映了低频缓变信号Z(t)对一高频(ω0)振荡信号(sinω0t)的控制。
通常ω0=(5-10) Ω。
一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号，载送缓变信号的高频（ω0)振荡信号sinω0t称为载波。
利用信号z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程。
(2)调幅波的解调调幅波u(t)的幅值反映调制信号z(t)数值的变化，在调制器之后加解调器，可将被测的调制信号z(t)与调幅波u（t）分离，并最后提取出来。
解调器由乘法器和低通滤波器组成，其原理框图如下图所示：解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调的调幅波u （t ）：u （t ）＝Ez （t ）× sin ω0t 式中，E ——比例常数。
乘法器的另一个输入信号u r （t ）称为参考信号，它应是与载波频率ω0相同的高频信号，考虑到实际情况，载波信号sin ω0t 会有一个相位差θ，则u r （t ）为：u r （t ）＝Ur × sin（ω0t ＋θ）于是，乘法器输出y（t）为：y（t）＝u （t ）× u r （t ）＝Ez （t ）× sin ω0t ×Ur × sin（ω0t ＋θ）令A＝E Ur ，并根据三角函数关系，上式可写为：y（t）＝A z （t ）sin ω0tsin（ω0t ＋θ） ＝)2cos()(2cos )(2)]2cos()[cos (z 2A 00θωθθωθ+−=+−t t z A t z A t t 当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远远小于频率2ω0，并大于信号z(t)的最高频率Ω时，式中的频率分量)2cos(0θω+t 项将被低通滤波器大大衰减，而只有差频信号θcos )(2t z A 输出，于是解调器的输出f （t ）为：f （t ）＝)(z cos 2t A θ＝kz （t ） 式中，k ＝θcos 2A 为比例常量，可由实验标定得出。
2 设计步骤(1)前面板设计在前面设计的虚拟正弦波信号发生器的基础上再增加一个正弦波发生器这两个正弦波发生器一个做载波，一个做调制信号。
前面板设计同虚拟正弦波信号发生器设计。
需添加参数输入型数字控件，用以设置低通滤波器的低截止频率，增加一个输出显示型控件，用以显示解调波的图形。
前面板如下图5 所示。
(2)流程图设计在设计虚拟正弦波信号发生器的流程图基础上再增加一个正弦波发生器图标， 另外执行Functions >> Signal Processing >> Filter >>Butterworth Filter．Vi 操作，调入巴特沃斯滤波器图标。
流程图如图6所示。
(3)运行检验设置低频调制信号的频率为1Hz，幅值为1V，初始相位00；设置载波高频信号的频率为1OHz，幅值为1V，初始相位00 ；设置巴特沃斯滤波器的低截止频率为2Hz ； 设置对调制和载波信号的采样率均为50Hz，采样点数均为200点。
运行结果如图5所示。
四、虚拟相关法测量相位差仿真仪1．设计原理(1)相关法求相位差的原理相关法利用两同频正弦信号的延时τ=O时的互相关函数值与基相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。
由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而该方法有很好的噪声抑制能力。
假设有两个同频信号x(t)、y(t)，都被噪声污染，描述如下x(t)=Asin(ω0t ＋ψ0)＋N x (t)y(t)=Bsin(ω0t ＋ψ1)＋N y (t) （1）其中，A，B 分别为x(t)和y(t)的幅值；N x ，N y 分别为噪声信号。
显然两信号的相位差为phasedif＝ψ1－ψ0，但实际中是无法知道ψ1和ψ0的。
用相关法求相差的原理如下，周期信号互相关函数的表达式为：dt t y t T )()(x 1R T 0xy ττ+∫）＝（ （2）其中，T为信号周期，将（2）式代入（1）式，可得：dt t B t T )]t (N ))(sin()][t (N )([Asin 1R y 10x 0T 00xy τϕτωϕωτ++∫＋＋＋＋）＝（当τ＝0时，dt t B t T )]t (N )(sin()][t (N )([Asin 10R y 10x 0T00xy ＋＋＋）＝（ϕωϕω+∫理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，积分后得：)(cos 2AB 0R 01xy ϕϕ−）＝（所以有：))0(2arccos(01AB R phasedif xy =−ϕϕ＝ (5-16)另外，信号的幅值和在延时τ＝0时的自相关函数值又有下述关系：)0(R 2A x ＝ )0(R 2B y ＝ （3）这样，通过两信号的直相关、互相关就可以求得它们的相位差。
（3）散时间表达式实际处理的是连续信号采样后的离散点序列，因而，计算相关函数所用的计算式相应地也应该是离散时间表达式，下面是相应酌离散时间计算公式：∑−=∧=10xy ][][1)0(R k n n y n x k (5-18)∑−=∧=102x )(1)0(R k n n x k ∑−=∧=102y )(1)0(R k n n y k 其中，k 为采样点数。
（4）相关法存在的问题1）当信号中存在噪声干扰时，用时延τ＝0时的自相关函数值Rx(0)求取信号幅值会引入较大误差。
●问题的提出根据自相关函数的性质，噪声信号也在τ＝0时取得最大值，因而，当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信号各自的自相关最大值叠加的结果，用式(3)求取有效信号幅值的结果不准确。
具体推证如下：对信号x(t)=Asin(ω0t ＋ψ0)＋N x (t)，其τ=0时的自相关函数值Rx(0)为：dt t t T)]t (N )sin(A )][t (N )([Asin 1lim 0R x 00x 0T 00T x －＋－＋＋）＝（ϕωϕω+∫∞→ )0()0()0(A 212Nx f x N R R R +=＋＝式（3）中给出的信号幅值A 与Rx （0）间的关系式不再成立。
●解决方法含噪声信号的自相关函数如图7所示(假设噪声为白噪声)-由图中可以看到，在τ到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于有效信号的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延τ的增大迅速衰减。
