基于LabVIEW的虚拟数字滤波器的设计

基于LabVIEW的虚拟数字滤波器的设计摘要:通过对IIR数字滤波器算法的研究，得出IIR数字滤波器的设计方案经过仿真实脸表明该滤波器能够滤除信号中的噪声，滤波效果良好，可与其它大型虚拟电子测量系统兼容以完成不同环境下的测量要求.关键词:虚拟仪器;LabVIEW;数字滤波器随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，为虚拟仪器技术的发展提供了广阔的前景.在世界范围内，汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过LabVIEW提高了应用开发的效率，其应用涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段.虚拟数字滤波器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用.1数字滤波器概述滤波器是一种选频装置，它对某一个或几个频率范围(频带)内的电信号给以很小的衰减，使这部分信号能顺利通过;对其它频带内的电信号则给以很大的衰减，从而尽可能地阻止这部分信号的通过.在更多的情况下，滤波器被狭义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻.所谓数字滤波器是指输人、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输人信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分的器件.数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中，相对于模拟滤波器，数字滤波器具有以下显著优点:(1)精度高;(2)灵活性大;(3)可靠性高;(4)易于大规模集成;(5)并行处理.数字滤波器的这些优势使它的应用越来越广泛，在数字通信、语音图像处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用.数字滤波器总的说来可以分成两大类.一类称为经典滤波器，即一般的滤波器，特点是输人信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带，通过一个合适的选频滤波器达到滤波的目的.而另一类现代滤波器，例如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等最佳滤波器.1.1滤波频率特性的逼近准则以低通滤波器的幅频特性为例来分析滤波频率特性的逼近准则.巴特沃斯滤波器(Butterworth)这种滤波器的特征是其通带和阻带都有平坦的幅度响应.N阶低通滤波器的幅度平方函数(也称之为原型滤波器)2)(jHa的表达式为2)(jHa=Ncc22)(11,其中C为归一化频率，为低通滤波器的上截止频率，N为滤波器的阶数，N越大就越逼近理想特性.切比雪夫滤波器的幅度特性就是在一个频带中(通带或阻带)具有这种等波纹特性，在这里，只介绍切比雪夫I型滤波器的设计方法.切比雪夫I型滤波器是一个全极点滤波器，其幅度平方函数为2)(jHa=)(1122cNC.在相同的通带内，N越大通带内波动次数就相应增加，而在阻带内衰减的频率也越快，与理想特性越接近.1.2IIR数字滤波器算法等效在现代由计算机组成的控制系统中，数字滤波器的使用越来越广泛，通过执行一段相应的程序即可实现数字滤波.因果稳定的Ha(s)映射成因果稳定H(z)，即s平面的左半平面必须映射到z平面单位圆的内部.H(z)的频率响应能模仿Ha(s)的频率响应，即s平面的虚轴必须映射到z平面的单位圆上.变换前后的滤波器在时域或频域的主要特征(频率响应或单位冲激响应等)应尽可能相同或接近.将传输函数Ha(s)从s平面转换到z平面的方法有多种，主要有冲激不变法和双线性变换法.在这里采用冲激不变法.设得到的模拟滤波器的传输函数Ha(s)对应的单位冲击响应为ha(t)，即Ha(s)=LT[ha(t)],对ha(t)进行间隔为T的等间隔采样，采到的值形成序列h(n)，即h(n)=)(nTha=nTttha)(,把h(n)作为数字滤波器的单位脉冲相应，对其作Z变换，就是数字滤波器的系统函数H(z).设模拟滤波器Ha(s)只有单阶极点，极点为is，且为有理多项式，则可以将Ha(s)表示为将Ha(s)进行拉氏逆变换，得对Ha(t)进行采样，采样间隔是T，得再对h(n)进行Z变换，就得到了数字滤波器的传输函数对比式(1)和式(2)可知在s平面上的极点映射到z平面上，变成极点Tsie,系数iA不变.即由于频率坐标变换是线性的，即T.如果不考虑混叠现象，这种方法实现的数字滤波器会很好地重现原模拟滤波器的频率特性.而且数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好.在本设计中，用冲激函数作为系统激励信号，用各种数字滤波器作为测试系统.冲激函数具有无限宽广的频谱，用冲激函数做激励信号相当于对测试系统输人所有频率的信号，系统必然有对应的输出.用Transfer函数计算出系统输出与输人的傅立叶变换之比，从而得到系统的频率响应函数.2系统前面板设计LabVIEW程序由两部分组成:前面板程序和框图程序.整个程序基于多线程设计，即前面板和系统程序各占用一个线程.前面板是用户接口，即交互式界面，用于用户向程序中输人各种控制参数和观察输出量，在前面板中，使用了各种仿真图标，如开关、旋钮等，并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板.本文中前面板的设计，充分发挥LabVIEw的特长，即建立了友好的人机操作界面，系统前面板如图1所示.图1频率响应测试系统前面板按图1所示的频率响应测试系统的前面板.用户可以很方便地进行滤波器类型的选择，设置滤波器的阶次、低(高)端截止频率、通带波纹等各项参数.系统相关参数设置如下:频率响应函数幅值轴设置为Autoscale.低端截止频率设为2000，高端截止频率为4000，阶次设定为5，类型有Lowpass,Band-stop,Bandpass,Highpass4种选择，通带滤波为0.80dB.3系统程序设计框图程序如图3所示.框图程序包含有两个模块，即两个case结构:一个用来实现频率响应测试;另一个用来模拟从混有高频噪声的信号数据中提取正弦波.由于滤波器对信号的分析要求循环进行，而整个过程都希望是人为控制的，因此框图程序里需要一个While循环结构.图3程序框图模块一:频率响应测试模块.频率响应测试时采用冲激函数做激励信号，通过在FunctionsallfunctionsAnalyzeSignalProcessingSignalGenerationImpulsePattern.vi函数子模板中调用来实现，并且需要对冲激函数的采样数、幅值和延时3个参数进行设置.用Transfer函数计算出系统输出与输人的傅立叶变换之比，从而得到系统的频率响应函数.在本设计系统中，共包含有4种类型滤波器，分别为:巴特沃斯滤波(Buttenvorth)、切比雪夫滤波器(Chebyshev)、贝塞尔滤波器(Bessel)、椭圆滤波器(El-lipse).通过在FunctionsallfunctionsAnalyzeSignalProcessingFilters中调用相应的函数子模板来实现，并且对滤波器的阶次、类型、低(高)端截止频率、通带波纹等各项参数进行设置，为了验证所设计的系统对滤波器频率响应特性分析的效果，将开关设置为“开”的状态.如果由于四种滤波器的波形全部在一个波形测量节点显示会影响观测效果，所以在程序设计时，将滤波器的波形分成两组输出.在LabVIEW中调用functionsAnalyzeSignalProcessingfrequencedomaintransferfunction.vi来计算两个滤波器的频率响应函数.模块二:使用低通滤波器提取正弦波模块，通常微机应用系统的输人信号中会不可避免地受到各种噪声的干扰，可以采用数字滤波方法对其予以削弱或滤除.本模块输人信号为一个正弦波，并加人一个白噪声来模拟信号传输中的干扰信号，在设计过程中，使用巴特沃斯低通滤波器滤除噪声分量，从而达到提取正弦波的目的.该模块程序中共有两个巴特沃斯滤波器.首先调用LabVIEW中FunctionsallfunctionsMalyzeSignalProcessingSignalGeneration中的SinePattern.vi子程序和UniformWhiteNoise.vi子程序产生一个正弦波和均匀分布的白噪声(用来模拟实际混人的干扰信号)，干扰信号通过一个巴特沃斯高通滤波器(滤波器的截止频率设为100HZ，即滤掉频率小于I00HZ的低频噪声)，生成一个高频噪声并与正弦信号叠加，用来模拟喊有噪声的采样序列，该信号再经过一个巴特沃斯低通滤波器，截止频率为25HZ，即可以滤除频率大于25HZ的高频噪声，进而实现正弦波提取.图4和图5分别为滤波前后的时域信号波形图.图4滤波前时域信号波形图图5滤波后时域信号波形图4结束语通过仿真实验可以证实，当滤波器的阶次较高时，系统的频率响应速度越快，阶次越高就越接近理想特性.本例选用巴特沃斯滤波器，它拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外，频率响应单调下降.在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零.巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应，缺点是通带与阻带之间过渡缓慢.相比之下，切比雪夫滤波器的幅度特性在通带中具有这种等波纹特性，并且阶次越高等波纹也相应增加，同时阻带内衰减也相应增加.基于LabVIEW的数字滤波器设计，使得滤波后噪声得到了有效抑制.滤波效果良好，可以比传统方式节省大量的开发时间，开发效率很高，由于采用图形语言编程，程序可读性增强，并且可以将其作为子程序在虚拟仪器系统中调用，具有很强的通用性，该系统可并人大型虚拟仪器电子测量系统以完成不同环境下的测量要求.参考文献:[1]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.[2]阎毅，黄联芬.数宇信号处理[M].北京:北京大学出版社，2006.[3]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社，2001.[4]张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器[M].北京:电子工业出版社，2004.[5]侯国屏.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社，2005.