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基于LabVIEW的多功能数字滤波器设计.pdf

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虚拟仪器技术 电 子 测 量 技 术 ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 第34卷 第3期 2011年3月  基于 LabVIEW 的多功能数字滤波器设计 (1.湖北经济学院电子工程系 武汉 430205;2.湖北第二师范学院计算机学院 武汉 430205) 田 浩1 段丽君2 摘 要:虚拟仪器技术被越来越多地引 入 到 日 常 教 学 活 动 中 来,数 字 滤 波 器 的 设 计 就 是 其 中 1 个 主 要 的 应 用 领 域。 针对现有方法的不足,提出了1种基于 LabVIEW 平台的多功能数字滤波器设计方案,整个系统由4个主要模块组成, 包含了多种典型的滤波器,能完成各种典型的滤波和频谱分析等功能,也能进行滤波器的频率特性比较。测 试 结 果 表 明,该系统可操作性强,响应速度快,精度高,显示直观,能准 确 反 映 滤 波 效 果,是 1 种 实 用 有 效 的 解 决 方 案,能 较 好 满 足教学需要。 关键词:数字滤波器;多功能;LabVIEW;设计;模块 中图分类号:TN713  文献标识码:A Design of multifunctional digital filter based on LabVIEW Tian Hao1 Duan Lijun2 (1.Department of Electronic Engineering,Hubei University of Economics,Wuhan 430205; 2.School of Computer,Hubei University of Education,Wuhan 430205) Abstract:The virtual instrument technology is being increasingly introduced in daily teaching activities,and the design of digital filter is one of the main application fields.This paper presents a design proposal of multifunctional digital filter based on LabVIEW.The whole system consists of four main modules,includes several typical filters,can implement all types of filtering and spectrum analysis and frequency characteristic compare,and other functions.The test results show that the system has some good performances such as strong operatibility,good dynamic,high precision,complete fuctions and versatility etc.It is an effective solution for teaching. Keywords:digital filter;multifunctional;LabVIEW;design;module 0 引  言 定的运算,变换成为所需 的 输 出 序 列。 数 字 滤 波 器 按 频 率 特性可 分 为 高 通、低 通、带 通、带 阻 等 类 型;按 冲 激 响 应 的 LabVIEW 作为1种功能强 大 的 图 形 化 编 程 软 件 被 越 来越多 地 应 用 到 各 种 领 域,如:工 业 测 试、日 常 教 学、信 号 处理等。基于 LabVIEW 进 行 滤 波 器 的 设 计,具 有 开 发 时 间短、操 作 性 强、效 果 直 观 等 优 点。 目 前 已 有 的 基 于 时域特征又可以分 为 FIR 和 IIR 两 大 类,其 中 主 要 的IIR 类滤波器有 Butterworth、Chebyshev、Cauer和 Bessel等类 型。在教学中,要 使 学 生 熟 练 掌 握 这 些 滤 波 器 类 型 特 点, 从而学会区分和选择,就必 须 在 设 计 的 滤 波 器 中 清 楚 直 观 LabVIEW 的数字滤波器解决方案 并 不 能 很 好 地 满 足 教 学 的需要,有些只侧 重 于 有 限 冲 激 响 应 滤 波 器 (FIR)或 无 限 冲激响应滤波器(IIR)中 的 1 种 [1-4],有 些 仅 局 限 于 方 法 的 更新或滤波器 的 直 接 实 现,分 析 和 应 用 较 少 [5-10]。 本 文 提 出1种新的基于 LabVIEW 的多功能数字 滤波器 [11-13]设计 方案,系 统 能 任 意 生 成 1 个 参 数 可 调 的 公 式 信 号,显 示 滤 波前后的信号波形及频谱,求 解 各 种 数 字 滤 波 器 频 率 响 应 特性,能较好地满足日常教学及应用需求。 1 总体设计思路 地反映出各类型的滤波效果和性能。 基于此,本 设计 首先 将系统分 成 3 大部分:信号产 生、 信号处理和 结 果 显 示 部 分。 信 号 产 生 部 分 可 根 据 需 要 产 生各种信 号 波 形;信 号 处 理 部 分 用 来 对 输 入 信 号 进 行 滤 波,求 频 谱 等 操 作;结 果 显 示 部 分 的 作 用 是 显 示 相 关 波 形 和结果。 2 系统设计 2.1 前面板设计 根据设计总体思路,在 前 面 板 上 相 应 地 划 分 设 置 了 输 数字滤波器 相 比 模 拟 滤 波 器 有 处 理 灵 活、精 度 高、稳 定性强等优点,其基本功能 就 是 把 原 始 的 输 入 序 列 进 行 特 入信号 参 数 选 择、滤 波 参 数 设 置 和 结 果 显 示 3 个 区 域,如 图1所示。 ·66·
        田 浩 等:基于 LabVIEW 的多功能数字滤波器设计 第3期 图1 多功能数字滤波器前面板 需要说明的 是,为 更 好 地 适 应 教 学 需 要,在 输 入 信 号 参数 选 择 区 域,可 以 选 择 信 号 输 入 方 式:用 系 统 预 先 设 置 的信号或者手动输入任 意 信 号。 如 果 选 择 后 者,可 以 写 出 任意的组合信号表达式。 滤波参数设置区域可以选择滤波器类型,设置高、低截止 频率及阶次、纹波等其他参数;结果显示区域用来显示滤波前 后的各种波形,分为信号、波形及频率响应特性3个选项卡。 前两者被设计用于显示滤波前后信号的波形及频谱,而后者 则是专门用来显示各滤波器的幅频特性和相频特性。 2.2 框图程序设计 本设计的整 体 框 图 程 序 可 分 为 信 号 输 入、滤 波、显 示 和频率特性响应4个主要模块。 2.2.1 信号输入模块的设计 如前所述,本设计提供了2种信号输入方法:预设信号和 手动输入的任意信号。后一种方式的实现主要依靠 Formula Waveform.vi来实现。本模块的框图程序细节如图2所示。 图2 信号输入模块框图程序 2.2.2 滤波模块的设计 滤波模块是本设计的 核 心 部 分 之 一,其 框 图 程 序 如 图 3所示。最外层的分支结构用来实现 FIR 和IIR 滤波器类 型 的 选 择,里 层 分 支 结 构 包 含 了 IIR 类 滤 波 器 的 Butterworth、Chebyshev和 Bessel等5种典型拓扑结构。 图3 滤波模块框图程序 2.2.3 显示模块的设计 显示模块主要显示信 号 滤 波 前 后 的 波 形 和 频 谱,以 及 相应 的 滤 波 器 频 率 响 应 特 性。 本 设 计 用 2 个 条 件 结 构 来 分别显示滤波前和滤波 后 的 波 形、频 谱 情 况。 而 滤 波 器 频 率响应特性的显示放在滤 波 后 的 条 件 结 构 中,其 中 的 幅 频 特性和相频特性均取自频率响应子 VI,如图4所示。 图4 显示模块框图程序 2.2.4 频率响应特性模块的设计 此模块被设 计 用 来 显 示 不 同 类 型 滤 波 器 的 幅 频 特 性 和相频特性。本设计中设计了 1个 子 VI来 专 门 实 现 此 功 能,在图4中表示为“FR”图符,其框图程序如图5所示。 图5 频率响应特性子 VI框图程序 ·76·
 第34卷 3 系统测试 电 子 测 量 技 术 3.1 滤波性能测试与比较 测试时选择 手 动 输 入 信 号 方 式,输 入 1 个 由 30 Hz、 60 Hz和 120 Hz 的 3 个 正 弦 波 分 量 构 成 的 信 号: 0.6sin(188.4t)+sin(376.8t)+0.3sin(753.6t)。该信号滤 波前的波形和频谱如图6所示。 现假 设 要 提 取 其 中 的 30 Hz 频 率 分 量,把 60 Hz 和 120Hz的频率分量滤去。为达到比较效果,突出各滤波器特 点,本文逐一采用 Butterworth、Chebyshev、inverse Chebyshev、 Cauer、Bessel和 FIR滤波器来实现此目标。测试中,统一采用 低通滤波方式,下限截止频率为35Hz,并且滤波阶次设定为6 阶,其中 Chebyshev的纹 波 设 为0.2dB;inverse Chebyshev的 衰减设为70dB;FIR的抽头数设为30。原始信号经各滤波器 滤波后的信号波形和频谱情况如图7所示。 ·86·
        田 浩 等:基于 LabVIEW 的多功能数字滤波器设计 第3期 类滤波器的频率响应特性对比如图8所示。 由图7可以 看 出 不 同 滤 波 器 的 滤 波 效 果。 本 次 测 试 中,结合波形图和频谱图来看,Cauer滤波器的 整 体表现最 好;Chebyshev和 Butterworth 滤 波 效 果 相 差 不 大,但 在 频 谱上还有较明显残 余;inverse Chebyshev滤 波 后 虽 然 频 谱 方面表现较好,但时 延 较 大;Bessel滤 波 后 波 形 衰 减 较 大, 失真较严重;FIR 滤 波 器 虽 能 取 得 相 似 的 滤 波 效 果,但 其 抽头数过大,而且在频谱 图 上 的 带 外 衰 减 表 现 不 佳。 这 些 现 象 与 理 论 学 习 中 的 结 论 相 符,因 此 可 以 加 深 学 生 的 理解。 3.2 频率响应特性测试与比较 要比较各类型滤波器 的 特 点,还 可 以 从 其 频 率 响 应 特 性入手。在相同输 入 条 件 和 相 同 参 数 设 置 情 况 下,以 上 6 ·96·
 第34卷 电 子 测 量 技 术 图8清晰 地 反 映 出 了 这 些 典 型 滤 波 器 的 频 率 特 性。 就幅频特 性 而 言,Butterworth 滤 波 器 的 幅 频 曲 线 在 此 次 测试的通带内是最平坦的,曲 线 在 整 个 频 带 里 表 现 出 单 调 下降的趋势;而 Chebyshev和 Cauer滤 波 器 的 幅 频 曲 线 在 通带内都有纹波存在,且后者的纹波比较 大;Bessel和 FIR 滤波器的幅频曲线都是单 调 下 降 的,但 后 者 在 阻 带 内 有 纹 波;inverse Chebyshev 滤 波 器 的 通 带 最 窄,也 呈 现 单 调 下 降的特点。从相 频 特性 来看,以 上 5 种IIR 滤 波器 都表 现 出非线性的特点,其中 Cauer滤波器的非线性化最为严重; 相比而言,FIR 滤波器的 相 频 曲 线 呈 现 线 性 特 点。 这 些 频 率特性曲线从另 一 个 角 度 较 好 地 解 释 了 图 7 中 各 组 滤 波 后信号波形及频谱形成的原因。 4 总  结 结合教学实 际 情 况,针 对 现 有 方 法 的 不 足,本 文 提 出 了1种基于 LabVIEW 的多功能数字滤波器 方案。其框图 程序的可读 性 较 强,界 面 友 好,操 作 较 方 便。 测 试 结 果 表 明,该 设 计 方 案 响 应 速 度 快,能 很 好 地 实 现 各 种 典 型 数 字 滤波器的 特 点 和 功 能,能 清 楚 直 观 地 显 示 信 号 波 形 和 频 谱,真实地反映相关滤波 器 的 频 率 响 应 特 性,通 用 性 强,能 较好满足日常教学需要。 参 考 文 献 [1]  王书锋,王策,梁燕.基于 LabVIEW 的 广 义 线 性 滤 波 器设计与应 用 研 究 [J].电 测 与 仪 表,2009,46(521): 299-301. [2]  张伟,王厚军,罗光坤.基于 LabVIEW 的 FIR 数 字 滤 波器设计[J].世界电子元器件,2010,15(9):64-66. [3]  陈 昭 平,李 建 兵.基 于 LabVIEW 平 台 的 FIR 数 字 滤 波器设计[J].仪器仪表用户,2006,13(4):55-56. [4]  荣雅 君,刘 琳,贾 艳,等.基 于 LabVIEW 的 IIR 数 字 滤波器 的 设 计 [J].微 计 算 机 信 息,2008,24(16): 95-97. [5]  谢三毛.基于 LabVIEW 虚 拟 数 字 滤 波 器 的 设 计 [J]. 华东交通大学学报,2005,22(1):83-85. [6]  张婷瑞,李善姬,丁景龙.基于 LabVIEW 和 MATLAB 混合编程的 自 适 应 滤 波 器 设 计 [J].电 子 测 试,2009, 16(1):40-43. [7]  谢启,刘妍,陆 建 明,等.多 功 能 数 字 滤 波 器 的 设 计 与 应用[J].实验科学与技术,2008,6(2):18-20. [8]  陈媛媛.基于 LabVIEW 的 数 字 信 号 处 理 虚 拟 实 验 室 构建[J].国外电子测量技术,2008,27(4):68-80. [9]  查蔓莉,林 明 星.基 于 LabVIEW 的 测 试 实 验 室 开 发 [J].仪器仪表学报,2006,27(6):453-454. [10] 李巍.LabVIEW 实 现 的 小 波 变 换 及 其 在 滤 波 中 的 应 用[J].国外电子测量技术,2010,29(3):11-14. (下转第89页) ·07·
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