基于labVIEW的滤波器设计调研研究报告.doc

基于LabVIEW滤波器设计调研汇报
一 数字滤波器在LABVIEW上实现
1 LabVIEW数字滤波器工具
LabVIEW开发环境提供了大量数字滤波VI和数字滤波器开发工具。在其Signal Processing模板中包含了SignalGeneration(信号产生)和Filters(滤波器)等子模板，其中SignalGeneration子模板中存放了能够生成正弦波形、脉冲滤形、随机噪声波形等多种仿真信号功效模块，用它们作为输入信号时可和由数据采集卡(DAQ)对实际信号取样取得离散时间序列等效。Filters子模板则提供了十多个滤波器“图标”其中用于设计IIR滤波器有ButterworthFilter. vi、ChebyshevFilter. vi、BasselFil-ter. vi等，用于设计FIR滤波器有FIRW indow Filter. vi、Equi-Ripple LowPass. vi、Equi-RippleHighPass. vi、Equi-RippleLowPass. vi、Equi-Ripple BandPass. vi等。经过设置图标采样频率、滤波器阶数、低端截止频率、高端截止频率及滤波类型等参数能够产生对应数字滤波器。用冲激函数Impulse Pattern. vi作为激励信号，经过在面板上切换滤波器类型和阶数，能够观察到多种类型低通、高通带通和带阻滤波器幅频特征和相频特征。
2 LABVIEW中滤波器参数设计
在LabVIEW中设计虚拟数字滤波器，关键问题是要知道滤波器图标调用路径和合理设置滤波器相关参数。比如,要设计一个虚拟数字式巴特沃斯滤波器，其设计过程是在Functions选项板下依次选择Analyze Signal Processing Filters子选项板，最终在Filters子选项板中选择Butterworth Filter.vi图标，见图4-1。选中后在步骤图中便出现巴特沃斯滤波器(Butterworth Filter.vi)图标，图4-2。然后,设置But-terworth Filter.vi相关参数,图标左侧为输入端口参数右侧为输出端口参数。

图4-1

图4-2
二 、数字滤波器设计,调试及功效演示
1滤波步骤图及设计
信号采集
仿真信号
滤波器
功率谱分析
信号叠 加
参数设置

图5-1

2 FIR和IIR各自优缺点
依据数字滤波器冲激响应函数时域特征，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应llR滤波器和有限长冲激响应FIR滤波器。无限长单位冲激响应(IIR)数字滤波器优点是能够利用模拟滤波器设计结果，而模拟滤波器设计有大量图表可查，方便简单。它缺点是相位非线性;若需要线性相位，则要采取全通网络进行相位校正。图像处理和数据采集传输全部要求滤波器含有线性相位特征。而有限长单位冲激响应(FIR)数字滤波器能够实现线性相位，又可含有任意幅度特征。二者全部各有特点FIR滤波器系统总是稳定、易于实现线性相位、许可设计多通带或多阻带滤波器，IIR滤波器则能够用较低阶数取得较高选择性，在相同门级规模和相同时钟速度下能够提供愈加好带外衰减特征。
（1）FIR滤波器冲激响应是有限长序列，其系统函数为一个多项式,它所含极点多为原点，所以FIR滤波器永远是稳定。有限长单位冲击响应(FIR)数字滤波器能够含有严格线性相位特征，同时又能够含有任意幅度特征；另外，FIR滤波器单位抽样响应是有限长，所以含有稳定性；最终，FIR滤波器因为单位冲击响应是有限长，能够用快速傅里叶变换FFT实现信号过滤。FIR滤波器横截型结构图5-2所表示。

图5-2

（2）IIR滤波器是单位冲激响应是无限长序列；能够用较少阶数取得很高选择特征，所用存放单元少，运算次数少，含有经济、高效特点，但选择性越好，相位非线性越严重。所以，在相位要求不敏感场所，如语音通信等，选择IIR滤波器。巴特沃斯滤波器就是IIR滤波器中一个经典滤波器，是一个所谓最平通带特征迫近理想特征滤波器，其频率特征曲线不管在通带和阻带全部是频率单调函数；巴特沃斯滤波器过渡带比较宽,不过通带很平直。其最大特点是响应平滑，单调衰减。
( 3 ) 为了表现这两种滤波器不一样滤波效果，所以此次滤波器设计包涵了两个滤波器，分别是FIR加窗滤波器跟巴特沃斯滤波器。这两种滤波器被一起放于一个条件结构中，在滤波器运行中,在前面板能够选项卡两个选择切换到不一样滤波器，然后经过波形图就能够很直接观察到两种滤波器不一样滤波效果。

图5-3

图5-4
3 前面板设计
前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实滤波器前面板。虚拟数字滤波器前面板根据系统要实现功效有6个数字控件，用来引导用户完成多种参数设置，如信号频率、采样频率，采样点数、低截止和商截止频率等，还设计了4个TextRing控件，如信号波形、窗函数类型、滤波迫近准则等选择。因为虚拟面板直接面向用户，是虚拟滤波器控制软件关键。在设计这部分时，关键考虑界面美观、操作简练，用户能经过面板上多种按钮、开关等控键来控制虚拟滤波器工作[5]。
此次设计数字滤波器前面板能够分为四个部分，一是原始信号读取及仿真信叠加还有测量文件保留，二是信号及功率谱波形图，三是相关滤波器多种参数设置及显示，这部分对于滤波器信号滤波效果是直接影响，多种参数设置是否合理直接关系到信号滤波效果，假如不慎，往往会造成效果不显著或错误。以下图，就是因为滤波器参数设置不合理，倒致滤波器无法对信号进行滤处理。

图5-5
4 程序框图设计
程序框图即为数字滤波器编程语言，是和前面板相对应图形程序，程序框图和前面板有着本质区分，前者是直接面对于滤波器,滤波器信号采集，叠加，滤波器类型选择，设置功率谱分板等全部是经过用图形编程语言G语言编写；而前面板是直接面对用户，其主旨是在于界面美化，方便，提供友好人机交换界面[5]。
框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素组成。节点类似于文本语言程序语句、函数或子程序。框图中每一个对象端点和前面板上对象(控制或显示)一一对应。不一样线型代表不一样数据类型，在彩显上，每种数据类型还以不一样颜色给予强调。下面两张图就是此次设计数字滤波器后面板即程序代码框图。

图5-6

图5-7
5 滤波器多种参数调试
filter type：滤波器类型，按下列值指定[4]
0：Lowpass低通
1：Highpass高通
2：Bandpass带通
3：Bandstop带阻
X：需要滤波信号序列(欲处理数据)
Sampling frep：fs产生X序列时采样频率。必需大于0，缺省值时1。假如它小于等于0，则输出序列filreredX为空，并返回一个错误.采样频率设
置应依据采样定理。
High cutoff freg：fh高端截止频率。当滤波器类型为0(lowpass)或1(highpass)时忽略该参数。
Low cutoff freg：fl:低端截止频率。它必需满足Nyquist准则，依据采样定理，最低采样频率必需是信号频率两倍，反过来说，假如给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率二分之一，所以0≤fl<0.5fs假如该条件不满足，则输出序列FileredX为空，并返回一个错误，fl缺省值是0.125。
Order：滤波器阶次,其值必需为大于0整数，缺省值是2。
Init/cont：内部状态初始化控制。当其为FALSE(default)，初态为0；当其为TRUE，滤波器初态。为上一次调用该VI最终状态。为了对一个大数据量序列进行滤波，能够将其分割为较小块。设置这个状态为FALSE处理第一块数据,然后改设置为TRUE继续对其它数据块滤波。
Filtered X：滤波后数据(滤波样本输出数组)。

( 1 ) FIR加窗滤波器
在对脉搏信号进行滤波时候，平滑窗对滤波器基础一样，但选择不一样滤波器通带对信号滤波就影响很大，下面是多个不一样参数设置,其中在Lowpass通带滤波效果最好。
( 2 ) 巴特沃斯滤波器
在选择巴特沃斯滤波器时,不一样通带数据设置以下:
类型
阶数
采样频率fs
高截止频率fh
低截止频率fl
Lowpass
2
1.07
2.14
0.125
Highpass
5
3.37
1.47
0.37
Bandpass
14
5.51
0.43
0.22
Basnpass
5
3.37
1.31
0.37
表5-1

6 结果分析
（ 1 ） 信号波形分析
下图是脉搏信号滤波前跟滤波后波形图对比，很显著，滤波前，波形很不稳定，有很多干扰，不能很好对脉搏信号进行生理分析。经过滤波器滤波后，波形变得稳定了，变得很平滑，这是因为在原始信号经过滤波器时，把因多种干扰噪声信号过滤掉了。

图6-1

（ 2 ） 功率谱分析
频谱分析就是将信号源发出信号强度按频率次序展开，使其成为频率函数，然后再观察其改变规律，方便进行研究。因为经过滤滤器对信号进行滤进，信号中高频全部不能经过，所以，滤波后信号功率谱比较平滑。以下图

图6-2

三 结束语
虚拟仪器技术是计算机技术和传统仪器仪表技术相结合产物，是全新概念最新一代测量仪器。基于LabVIEW设计虚拟仪器含有高效、灵活、界面友好、集成性强、使用方面、设备费用低、用户自定义功效等很多优点,并随计算机技术发展而快速发展。滤波器能够经过编程实现多种不一样系统，满足不一样需要，又能够随时改动系数，调整滤波器参数，选择最好方案。使用LabVIEW软件平台开发电气参数测量仪等虚拟仪器。实现了更高效率，节省了更多硬件开销，方便了系统维护和减轻了仪器更新负担。使用虚拟仪器逐步替换传统仪器已经成为测试领域发展趋势。不过在实际应用中，仍要依据具体情况进行程序优化和软硬件结合，使虚拟仪器发挥更高性能。

七 参考文件
[1] 张爱平 Labview入门和虚拟仪器 北京:电子工业出版社,-5.
[2] 杨乐平,李海涛,肖相生. LabVIEW程序设计和应用[M].北京:电子工业出版社,.
[3] 雷振山·LabVIEW7 Express实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社,
[4] 李刚,林凌·LabVIEW-易学易用计算机图形化编程语言[M]·北京:北京航空航天大学出版社, .
[5]周伟林,杨华勇,李清峰.基于LabVIEW数字滤波器设计[J]微计算机信息,,5-1:163-164.