1、基于LabVIEW濾波器的設計調研報告-數字濾波器在 LABVIEW 上的實現1 LabVIEW 的數字濾波器工具LabVIEW開發環境提供了大量的數字濾波VI和數字濾波器開發工具。在其Signal Processing模板中包含了SignalGeneration（信號產生）和Filters（濾波器）等子模板，其中SignalGeneration子模板中存放了可以生成正弦波形、脈沖濾形、隨機噪聲波形等各種仿真信號的功能模塊，用它們作為輸入信號時可與由 數據采集卡（DAQ）對實際信號取樣獲得的離散時間序列等效。Filters子模板則提供了十幾種濾波器的圖標”其中用于設計IIR濾波器的有Butte

2、rworthFilter.vi、ChebyshevFilter. vi、BasselFil-ter. vi等，用于設計FIR濾波器的有FIRW indow Filter. vi、Equi-Ripple LowPass. vi、Equi-RippleHighPass. vi、Equi-RippleLowPass. vi、Equi-RippleBandPass. vi等。通過設置圖標的采樣頻率、濾波器階數、低端截止頻率、高端截止頻率及濾波類型等參數可以產生相應的數字濾波器。用沖激函數Impulse Pattern. vi作為激勵信號，通過在面板上切換濾波器的類型和階數，可以觀測到各種類型的低通、高

3、通、帶通和帶阻濾 波器的幅頻特性和相頻特性。2 LABVIEW 中濾波器參數的設計在LabVIEW中設計虛擬數字濾波器，關鍵問題是要知道濾波器圖標的調用路徑和合理設置濾波器的有關參數。比如，要設計一個虛擬數字式巴特沃斯濾波器，其設計過程是在Functions選項板下依次選擇An alyze Signal Process ingFilters子選項板，最后在Filters子選項板中選擇ButterworthFilter.vi圖標，見圖4-1。選中后在流程圖中便出現巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter.vi)標，如圖4-2。然后,設置But-terworth Filter.vi的相

4、關參數，圖標的左側為輸入端口參數右側為輸出端口參數。圖4-1圖4-2二、數字濾波器的設計,調試及功能演示1 濾波流程圖及設計2 FIR 和 IIR 各自的優缺點根據數字濾波器沖激響應函數的時域特性，可將數字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應llR濾波器和有限長沖激響應FIR濾波器。無限長單位沖激響應(IIR)數字濾波器的優點是可以利用模擬濾波器設計的結果，而模擬濾波器的設計有大量圖 表可查，方便簡單。它的缺點是相位的非線性；若需要線性相位，則要采用全通網絡進行相位校正。圖像處理以及數據采集傳輸都要求濾波器具有線性相位特性。而有 限長單位沖激響應(FIR)數字濾波器可以實現線性相位，又可具有任意幅

5、度特性。兩者都各有特點FIR濾波器系統總是穩定的、易于實現線性相位、允許設計多通帶或 多阻帶濾波器，IIR濾波器則可以用較低的階數獲得較高的選擇性，在相同門級規模和相同時鐘速度下可以提供更好的帶外衰減特性。(1) FIR濾波器的沖激響應是有限長序列，其系統函數為一個多項式，它所含的極點多為原點，所以FIR濾波器永遠是穩定的。有限長單位沖擊響應(FIR)數字濾波器可以具有嚴格的線性相位特性，同時又可以具有任意的幅度特性；此外，FIR濾波器的單位抽樣響應是有限長的，因而具有穩定性；最后，FIR濾波器由于單位沖擊響應是 有限長的，可以用快速傅里葉變換FFT實現信號的過濾。FIR濾波器的橫截型結構如圖

6、5-2所示。威町-弒0)* JL圖5-2(2)IIR濾波器是單位沖激響應是無限長序列；可以用較少的階數獲得很高的選擇 特性，所用的存儲單元少，運算次數少，具有經濟、高效的特點，但選擇性越好， 相位的非線性越嚴重。因此，在相位要求不敏感的場合，如語音通信等，選用IIR濾波器。巴特沃斯濾波器就是IIR濾波器中的一種典型的濾波器，是一種所謂最平通帶特性逼近理想特性的濾波器，其頻率特性曲線無論在通帶和阻帶都是頻率的單調函 數；巴特沃斯濾波器過渡帶比較寬，但是通帶非常平直。其最大特點是響應平滑，單調衰減。(3 )為了體現這兩種濾波器不同的濾波效果，所以本次濾波器設計包涵了兩個濾 波器，分別是FIR加窗濾

7、波器跟巴特沃斯濾波器。這兩種濾波器被一起放于一個條件 結構中，在濾波器運行中，在前面板可以選項卡的兩個選擇切換到不同的濾波器，然 后通過波形圖就可以很直接的觀察到兩種濾波器不同的濾波效果。TJEP.BSo -LOG站苦塔4審運林治凹岳財應後畳彳 2妙Jps- fl沁班id-近A叫 &-哄1w：li-0.11fl-.J-0.o1o-bDs” l扁機輻lxran i liwlO圖5-3IjErKJ.I. kflEtllJ圖5-4R.JW建翩3 前面板的設計前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實濾波器的前面板。虛 擬數字濾波器的前面板按照系統要實現的功能有6個數字控件，用來引導用戶

8、完成各種參數的設置，如信號頻率、采樣頻率，采樣點數、低截止和商截止頻率等，還設計了4個TextRing控件，如信號波形、窗函數類型、濾波逼近準則等選擇。 由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬濾波器控制軟件的核心。在設計這部分時， 主要考慮界面美觀、操作簡潔，用戶能通過面板上的各種按鈕、開關等控鍵來控 制虛擬濾波器的工作5。本次設計的數字濾波器前面板可以分為四個部分，一是原始信號的讀取及仿真信的的疊加還有測量文件的保存，二是信號及功率譜的波形圖，三是關于濾波器各種參數的設置及顯示，這部分對于濾波器信號的濾波效果是直接影響的，各種參數設置是否合理直接關系到信號濾波的效果，如果不慎，往往會造成效果不明顯

9、或錯誤。如下圖，就是因為濾波器的參數設置不合理，倒致濾波器無法對信號進行濾處理。2L55抽汝 呆笹孵出I氐童止列翼F笳旳號冋兩良詢圖5-5Q| a d-203i. M圖5-64 程序框圖的設計程序框圖即為數字濾波器的編程語言，是與前面板相對應的圖形程序，程序框圖與前面板有著本質的區別，前者是直接面對于濾波器的，濾波器信號的采集，疊加，濾波器類型的選擇，設置功率譜分板等都是通過用圖形編程語言G語言編寫的；而前面板是直接面對用戶的，其主旨是在于界面的美化，方便，提供友好 的人機交換界面5?？驁D程序是由節點、端點、圖框和連線四種元素構成的。節點類似于文本語言程序的語句、函數或者子程序?？驁D中的每一個

10、對象端點與前面板上的對象（控制或顯示）一一對應。不同的線型代表不同的數據類型，在彩顯上，每種數據類型還 以不同的顏色予以強調。下面的兩張圖就是本次設計的數字濾波器的后面板即程 序代碼框圖。.5k) )HJboFlITfl鈕Th挪HiFeqwrxkiwCLI&dalrne：(s)莎fa謚測澤If匚圖5-75 濾波器各種參數的調試filter type:濾波器類型，按下列值指定0:Lowpass低通1:Highpass高通2:Bandpass帶通3:Bandstop帶阻X:需要濾波的信號序列(欲處理數據)Sampling frep:fs產生X序列時的采樣頻率。必須大于0,缺省值時1。如果它

11、小于等于0，則輸出序列filreredX為空，并返回一個錯誤.采樣頻率的設 置應根據采樣定理。High cutoff freg:fh高端截止頻率。當濾波器類型為0(lowpass)或1(highpass)在對脈搏信號進行濾波的時候，平滑窗對濾波器的基本一樣，但選擇不同的濾波器時忽略該參數。Low cutoff freg:fl:低端截止頻率。它必須滿足Nyquist準則，根據采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍，反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半，所以0fl0.5fs如果該條件不滿足，則輸出序列FileredX為空，

12、并返回一個錯誤，fl的缺省值是0.125。Order:濾波器的階次，其值必須為大于0的整數，缺省值是2。Init/cont:內部狀態的初始化控制。當其為FALSE(default)，初態為0;當其為TRUE濾波器初態。為上一次調用該VI的最后狀態。為了對一個大數據量的序列進行濾波，可以將其分割為較小的塊。設置這個狀態為FALSE處理第一塊數據，然 后改設置為TRUE繼續對其余的數據塊濾波。Filtered X:濾波后的數據(濾波樣本的輸出數組)。(1 ) FIR加窗濾波器的通帶對信號的濾波就影響很大，下面是幾種不同的參數設置，其中在Lowpass通帶的濾波效果最好。(2 )巴特沃斯濾波器在選用

13、巴特沃斯濾波器時，不同的通帶數據設置如下類型階數采樣頻率fs高截止頻率fh低截止頻率flLowpass21.072.140.125Highpass53.371.470.37Bandpass145.510.430.22Basnpass53.371.310.37表5-16結果分析(1 )信號波形分析下圖是脈搏信號濾波前跟濾波后的波形圖對比，很明顯，濾波前，波形很不穩 定，有很多干擾，不能很好的對脈搏信號進行生理的分析。經過濾波器的濾波后，波 形變得穩定了，變得非常的平滑，這是因為在原始信號經過濾波器時，把因各種干擾 的噪聲信號過濾掉了。圖6-1(2 )功率譜分析頻譜分析就是將信號源發出的信號強度按

14、頻率順序展開，使其成為頻率的函數, 然后再觀察其變化規律，以便進行研究。因為經過濾濾器對信號進行濾進，信號中的 高頻都不能通過，所以，濾波后的信號功率譜比較平滑。如下圖J Blackm濾波前功率譜，wormulB Result)圖6-2二纟士由五三 結束語虛擬儀器技術是計算機技術和傳統的儀器儀表技術相結合的產物，是全新概念的最新一代測量儀器。基于LabVIEW設計的虛擬儀器具有高效、靈活、界面友好、集成性強、使用方面、設備費用低、用戶自定義功能等諸多優點，并隨計算機技術的發展而迅速發展。濾波器可以通過編程實現各種不同系統，滿足不同的需要，又可以隨時改 動系數，調整濾波器參數，選擇最佳方案。使用LabVIEW軟件平臺開發電氣參數測量儀等虛擬儀器。實現了更高的效率，節省了更多的硬件開銷，方便了系統的維護和減 輕了儀器更新的負擔。使用虛擬儀器逐步代替傳統儀器已經成為測試領域發展的趨勢。但是在實際應用中，仍要根據具體情況進行程序的優化和軟硬件的結合，使虛擬儀器 發揮更高的性能。七參考文獻1張