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1、武汉理工大学能力拓展训练报告书目 录1 技术指标11.1 数字滤波器的性能要求11.2 虚拟仪器方案12 基本原理22.1 LabVIEW软件主要功能和特点22.2 数字滤波器功能简介22.2.1 带通，带阻与过渡32.2.2 带通纹波和带阻衰减42.3 数字滤波器的实现43 建立模型描述43.1 前面板的设计43.2 流程图的设计64 总结分析74.1 影响滤波器因素分析74.2 巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器的性能比较85 心得体会96 参考文献10基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计1 技术指标基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计（利用LABVIEW设计一个数字滤波器，可以实现IIR
2、、FIR等数字滤波功能，参数可调）。1.1 数字滤波器的性能要求数字滤波器要求是实现对信号的滤波、提取、增强信号的有用分量、削弱无用的分量。它是一种选频装置，它给一个或几个频率范围内的电信号给以很小的衰减，使这部分信号能顺利通过，对其他频带内的信号给以很大的衰减，从而尽可能阻止这部分信号的通过。从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类，数字滤波器可以分为无限脉冲相应滤波器 （Infinite impulse respose，IIR）和有限脉冲相应滤波器（Finite impulse respose，FIR）。1.2 虚拟仪器方案图1 一般虚拟仪器的设计方案LabVIEW8.5具有强大的数据处理能力
3、，包括信号的产生、数据信号处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、数值分析等多种软件分析功能。它使用可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。2 基本原理下面简述各个功能模块的性能指标2.1 LabVIEW软件主要功能和特点LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）即实验室虚拟仪器工程平台，是由美国国家仪器NI（Nat
4、ional Instrument）公司推出的世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统。它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率。是目前应用范围最广，功能最为强大的虚拟仪器平台。LabVIEW的高级软件库具有强大的数据处理能力，包括信号的产生、数据信号处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、数值分析等多种软件分析功能。LabVIEW使用可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的
5、设计思想。LabVIEW的运行机制从宏观上讲已经不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在 LabVIEW中被并行机制所代替。从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点（ Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影。LabVIEW 支持多种操作系统平台，在任何个平台上开发的LabVIEW 应用程序可直接移植到其它平台上。2.2 数字滤波器功能简介数字滤波器用于
6、改变或消除不需要的波形。它是应用最广泛的信号处理工具之一。从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类有两种数字滤波器分别是：FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）滤波器。FIR滤波器可以看成一般移动平均值，它也可以被设计成线性相位滤波器。IIR滤波器有很好的幅值响应，但是无线性相位响应。与 IIR相比，FIR数字滤波器能够被设计成具有线性相位特性的滤波器。因此，它在要求具有线性相位的应用场合具有广泛的应用。数字滤波器的设计方法很多，其中较为常用的是窗函数设计法和频率采样设计法。本文介绍一种利用窗函数设计的虚拟滤波器。系统函数可改写为一般形式（b0=1） 。有限长序列的z变换在整个有限z平面（
7、|z|0）上收敛，因此对于FIR系统，H（z）在有限z平面上不能有极点。如分子、分母无公共可约因子，则H（z）分母中全部系数bi（i=1，2，N）必须为零，故只要bi中有一个系数不为零，在有限z平面上就会有极点，这就属于IIR系统。bi不为零就说明需要将延时的输出序列y(n-i)反馈回来，所以，IIR系统的结构中都带有反馈回路。这种带有反馈回路的结构称为“递归型”结构，IIR系统只能采用“递归型”结构，而FIR系统一般采用非“递归型”结构。但是，采用极、零点抵消的方法，FIR系统也可采用“递归型”结构。 图2 切比雪夫滤波器的图标显示图3 巴特沃斯滤波器的图标显示2.2.1 带通，带阻与过渡带
8、通是滤波器的某一设定的频率范围，在这个频率范围的波形可以以最小的失真通过滤波器。通常，这个带通范围内的波形幅度既不增也不缩小，我们称它为单位增益（0dB）。带阻是滤波器使某一频率范围的波形不能通过。理想情况下，数字滤波器有单位增益的带通，完全不能通过的带阻，并且从带通到带阻的过渡带宽为零。在实际情况下，则不能满足上述条件。特别是从带通到带阻总有一个过渡过程，在一些情况下，使用者应精确说明过渡带宽。2.2.2 带通纹波和带阻衰减在有些应用场合，在带通范围内放大系数不等于单位增益是允许的。这种带通范围内的增益变化叫作带通纹波。另一方面，带阻衰减也不可能是无穷大，我们必须定义一个满意值。带通纹波和带
9、阻衰减都是以分贝（dB）为单位，定义如下：dB=20log（Ao(f)/Ai(f)）其中，Ao(f)和Ai(f)是某个频率等于f的信号进出滤波器的幅度值。例如，假设带通纹波为-0.02dB，则有：-0.02=20log（Ao(f)/Ai(f)）；Ao(f)/Ai(f)=10（-0.001）=0.9977。可以看到，输入/输出波形幅度是几乎相同的。假设带阻衰减等于-60dB,则有：-60=20log（Ao(f)/Ai(f)）；Ao(f)/Ai(f)=10(-3)=0.001。输出幅值仅是输入幅值的千分之一。衰减值用分贝表示时经常不加负号，我们已经设定它为负值。2.3 数字滤波器的实现滤波的目的是
10、从所测量的信号中除去不需要的成分，而模拟滤波器设计需要较高深的数学知识和对系统与滤波器之间的关系有较深入的了解，这项工作通常很复杂繁琐。数字滤波器是在现代信号采样和信号处理技术基础上发展起来的。已经可以取代模拟滤波器。数字滤波器可以用软件编程，稳定性高，不会因温度，湿度的影响产生误差，不需要精度组件，性价比高。数字滤波是数字信号处理基本内容之一。其本质就是对离散的数字量进行适当的运算处理，从频率域实现信号分离功能。信号采样定理指出：只要采样频率是信号最高频率的两倍以上就可以根据离散的，等分的的样本还原一个时域连续的信号。系统所能处理的最高频率是乃奎斯特频率fNyq，这同样适用于数字滤波器。在L
11、abVIEW中设计虚拟数字滤波器，关键是要知道滤波器图标的调用路径和合理设置滤波器的有关参数。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选项板下依次选取Analyze Signal Processing Filters子选项板，最后在Filters子选项板下选择Butterworth Filters.vi图标，然后设置其相关参数即可。3 建立模型描述3.1 前面板的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的前面板。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟滤波器控制软件的核心。在设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁，用户能通过面板上的各种按钮、开关等
12、控键来控制虚拟滤波器的工作。实际中的待测信号可以由数据采集卡实时采集滤波，也可以由数据采集卡采集后保存为LabVIEW所能够识别的文件形式，之后再由LabVIEW进行分析滤波。在这里用基本的信号（正弦波，余弦波，方波，锯齿波）来模拟原始信号。程序采用窗函数法的计算流程，将窗函数与需要滤波的信号进行卷积实现信号的滤波。使用者可对原始信号，噪声信号和滤波器参数进行设置。原始信号的波形图，滤波的结果都可得到实时显示。这样，在程序成功的运行后就可以从显示区得到结果，使结果更为直观的反映出来。本设计包含巴特沃斯滤波器及切比雪夫滤波器的模块设计，用一个指示灯来显示所选择的滤波器类型。在模块工作的情况下，其
13、中指示灯亮表示选择的是巴特沃斯滤波器，指示灯灭表示的是切比雪夫滤波器。前面板设计有若干可调参量，包括仿真信号的频率，相位，偏移量，信号幅值及噪声幅值。滤波器的类型，高端截止频率，低端截止频率，阶数。图4 巴特沃斯滤波器滤波前后的波形对比图5 切比雪夫滤波器滤波前后的波形对比3.2 流程图的设计图6 巴特沃斯滤波器程序框图的设计图7 切比雪夫滤波器程序框图的设计本数字滤波器的后面板即程序代码框图如图2所示。框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。框图中的每一个对象端点与前面板上的对象（控制或显示）一一对应。不同的线型代表不同的数据类型，在彩
14、显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。本程序框图包括的模块有while循环结构，条件结构，仿真信号模块与滤波器模块，各种可调参数。4 总结分析通过仿真结果可以观察到通过滤波器后，原正弦与噪声信号有了明显的改善，噪声得到了滤除，现对仿真结果具体分析如下：4.1 影响滤波器因素分析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。对于巴特沃斯滤波器，那么它拥有平滑的频率响应，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，缺点是通与阻带之间过渡缓慢。相比之下，切比雪夫滤
15、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，该系统可并入大量电子仪器测量系统以完成不同环境下的测量要求。4.2 巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器的性能比较图8 正弦波以及均匀白噪声的混合波形图9 混合波经过巴特沃斯滤波器后的波形 图10 混合波经过切比雪夫滤波器后的波形切比雪夫滤波器的过渡带比较窄，但通常有波纹。巴特沃斯滤
16、波器滤波器过渡带也较窄，但是通常非常平直。巴特沃斯滤波器的最大特点是，它的响应平滑，单调衰减。切比雪夫滤波器在通带内，具有等幅度的波纹，其中的波纹幅度是可调的，并且随着阶次的提高波纹数目也相应增加，同时阻带内衰减也相应增加，与理想滤波器特性也越接近。5 心得体会在这次设计中遇到了很多实的问题，而这些问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中我发现自己在飞速的提升。对于基于LABVIEW的虚拟数字滤波器，设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序框图的设计上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题
17、所在，这需要对系统的结构很熟悉。通过这次能力拓展训练我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到困惑，经过一番努力才得以解决。同时这也激发了我今后努力学习的兴趣，这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次能力拓展训练让我充分认识到学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力。我觉得这次能力拓展训练是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然我很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这些天的学习，在同学的帮助和讲解下，我开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄
18、懂它。其实这次收获应该说是相当大的。一开始我从参考书上找到了类似的课题，但是毕竟是参考书，做到后来发现很多程序框图都是不完整的。参考书毕竟只是一个参考，设计这种东西最后还是要靠自己动脑筋。虽然内容并不是很复杂，但是我觉得设计的过程相当重要，学到了很多，收获了很多。这次训练反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。6 参考文献1 丁玉美，高西全.数字信号处理M.西安：西安电子科技大学出版社，2003。2 Robert H.Bishop 美.LabVIEW7实用教程M.北京：电子工业出版社，2005。3 Instrumnts Catalogue. U.S. National Instruments，2003。周伟林，杨华勇，李清峰.基于LabVIEW的数字滤波器的设计J .微计算机信息，2006，5-1：163-164。10