基于labview的虚拟数字滤波器设计本科学位论文

武汉理工大学《能力拓展训练》报告书

目 录

1 技术指标 .................................................................. 1

1.1 数字滤波器的性能要求 ................................................ 1 1.2 虚拟仪器方案 ........................................................ 1 2 基本原理 .................................................................. 2

2.1 LabVIEW软件主要功能和特点 ........................................... 2 2.2 数字滤波器功能简介 .................................................. 2

2.2.1 带通，带阻与过渡 ............................................... 3 2.2.2 带通纹波和带阻衰减 ............................................. 4 2.3 数字滤波器的实现 .................................................... 4 3 建立模型描述 .............................................................. 4

3.1 前面板的设计 ........................................................ 5 3.2 流程图的设计 ........................................................ 6 4 总结分析 ................................................................ 7

4.1 影响滤波器因素分析 ............................................... 7 4.2 巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器的性能比较 ....................... 8 5 心得体会 .................................................................. 9 6 参考文献 ................................................................. 10

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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、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，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。

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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（National 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

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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（|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

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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。带通纹波和带阻衰减都是以分贝（dB）为单位，定义如下：dB=20×log（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=20×log（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=20×log（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LabVIEW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

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