孟月霞 張謙 韓亞麗

摘 要：數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理必不可少的器件之一。傳統(tǒng)數(shù)字濾波器利用大規(guī)模集成硬件實(shí)現(xiàn)，雖然處理速度快，但功能不易改變。本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的虛擬數(shù)字濾波器，利用虛擬儀器生成仿真信號(hào)，而后設(shè)置濾波器的參數(shù)，通過(guò)頻譜測(cè)量模塊對(duì)原始信號(hào)和濾波后的信號(hào)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果在上位機(jī)顯示出來(lái)。通過(guò)測(cè)試可知，基于LabVIEW的虛擬濾波器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)濾波器的功能，而且具有操作方便、結(jié)果直觀、運(yùn)行可靠、響應(yīng)速度快、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;數(shù)字濾波器;虛擬濾波器;傳統(tǒng)濾波器

中圖分類號(hào)：TP274;TN713.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）31-0032-03

Design and Implementation of Digital Filter Based on LabVIEW

MENG Yuexia ZHANG Qian HAN Yali

（College of Information and Business， Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Digital filter is one of the essential components of digital signal processing. Traditional digital filter is implemented of large scale integrated hardware， which processing speed is fast， but the function is hard to change. This paper designed a kind of virtual digital filter based on LabVIEW. The virtual filter used virtual instrument to generate simulation signal， then setted the parameters of the filter and compared the original signal with the filtered signal by using the spectrum measurement module， and finally displayed the result in the host computer. The test shows that the virtual filter based on LabVIEW can not only realize the function of the traditional filter， but also has the advantages of convenient operation， direct result， reliable operation， fast response and short development cycle.

Keywords： LabVIEW;digital filter;virtual filter;traditional filter

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于數(shù)字信號(hào)處理不受硬件系統(tǒng)的限制，所以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越受到重視，而數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中，數(shù)字濾波器的作用舉足輕重。傳統(tǒng)數(shù)字濾波器可用大規(guī)模數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)，雖然處理速度快，但功能不易改變。所以，本文研究了一種基于LabVIEW的數(shù)字濾波器測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻等濾波器的基本功能，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和打印。

LabVIEW軟件是由美國(guó)儀器公司（NI）開(kāi)發(fā)的面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z(yǔ)言，具有開(kāi)放的源代碼和各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)[1-3]。不僅如此，LabVIEW軟件具有人機(jī)交互界面好、開(kāi)發(fā)方便、可移植性好和便于二次開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。由于LabVIEW軟件是圖形化的編程語(yǔ)言，對(duì)編程人員的水平要求不高，與C語(yǔ)言、C++、C#以及JAVA等編程語(yǔ)言相比，LabVIEW軟件編程更容易入門，開(kāi)發(fā)周期短，所以LabVIEW軟件深受實(shí)驗(yàn)室人員、硬件工程師以及生產(chǎn)線的各種工藝人員的喜愛(ài)[4-6]。

1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)內(nèi)容

數(shù)字濾波器是通過(guò)對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行處理從而改變信號(hào)頻譜的工具，是數(shù)字信號(hào)處理必不可少的工具之一。所以，本文利用虛擬儀器設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的虛擬數(shù)字濾波器，具體實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)對(duì)含有多種頻率的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，提取需要的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。信號(hào)生成模塊通過(guò)虛擬信號(hào)發(fā)生器生成不同頻率的信號(hào)，然后利用頻譜測(cè)量模塊對(duì)原始信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量并顯示，再把原始信號(hào)的波形與頻譜信息和經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析和圖形顯示，而后通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及打印模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印功能，具體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1 信號(hào)生成模塊

信號(hào)生成模塊的路徑為：程序面板→數(shù)選板→信號(hào)處理→波形生成→仿真任意信號(hào)。

信號(hào)生成模塊采用虛擬信號(hào)發(fā)生器VI生成包含多種頻率的波形，通過(guò)信號(hào)疊加生成含有不同頻率的波形。此模塊可以生成正弦波、方波、三角波和矩形波等，并且可以調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，如幅值、頻率、相位和偏移量等，還可以根據(jù)需求添加相應(yīng)的噪聲信號(hào)，如均勻白噪聲、高斯白噪聲等。

1.2 頻譜測(cè)量模塊

頻譜測(cè)量模塊的路徑為：程序面板→函數(shù)選板→信號(hào)分析→波形測(cè)量→頻譜測(cè)量。

頻譜測(cè)量模塊可以通過(guò)配置面板選擇相應(yīng)的測(cè)量量，如幅度、功率譜、功率譜密度，并且可以選擇測(cè)試結(jié)果為線性或DB。除此之外，通過(guò)配置選板可以設(shè)置函數(shù)窗的類型。

1.3 濾波器模塊

濾波器模塊的路徑為：程序面板→函數(shù)選板→信號(hào)處理→濾波器→FIR加窗濾波器。

1.4 顯示模塊

顯示模塊的路徑為：前面板→控件→新式→圖形→波形圖。

顯示模塊可以把抽象信息直觀地表示出來(lái)，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)相應(yīng)的標(biāo)簽與線性粗細(xì)、顏色，使設(shè)計(jì)界面更加美觀。此模塊主要完成仿真信號(hào)波形顯示以及頻譜顯示。

1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印模塊的路徑為：程序面板→函數(shù)選板→報(bào)表生成→打印報(bào)表→保存報(bào)表。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和打印，LabVIEW軟件自帶報(bào)表生成函數(shù)，可以設(shè)置保存文件的格式路徑等。

2 軟件設(shè)計(jì)

首先對(duì)各參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置（如信號(hào)類型、頻率、幅值、采樣間隔等），根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，利用仿真信號(hào)VI生成具有多種頻率的信號(hào)，然后選擇濾波器類型（如低通、高通、帶通、帶阻等），并根據(jù)濾波器類型不同，調(diào)節(jié)相應(yīng)的低頻截止頻率和高頻截止頻率，最后對(duì)濾波后的信號(hào)通過(guò)頻譜測(cè)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并通過(guò)波形圖顯示出來(lái)，而后根據(jù)需要對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和打印[7，8]。具體程序框圖如圖2所示。

由于涉及內(nèi)容包含原始信號(hào)與濾波后信號(hào)的波形與頻率的顯示，為了方便對(duì)比，在設(shè)計(jì)前面板的過(guò)程中采用四個(gè)波形圖控件分別實(shí)現(xiàn)。其中，圖一為包含多種頻率的原始信號(hào)波形，圖二為原始信號(hào)的幅頻特性圖，圖三為濾波后信號(hào)的波形圖，圖四為濾波后信號(hào)的幅頻特性圖。為方便測(cè)試，前面板設(shè)置相應(yīng)的信號(hào)特性調(diào)節(jié)控件，通過(guò)下拉列表控件可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的波形頻率和信號(hào)類型。濾波器類型選擇控件，可以調(diào)節(jié)濾波器類型與截止頻率。除此之外，為了方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印，前面板也設(shè)置了相應(yīng)的按鈕，具體前面板實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

3 調(diào)試及結(jié)果

本設(shè)計(jì)用兩個(gè)仿真信號(hào)模塊生成不同頻率、幅值的正弦波，通過(guò)疊加生成含有兩個(gè)頻率的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的按鈕可以調(diào)節(jié)波形的頻率。為了測(cè)試濾波器對(duì)信號(hào)的作用，設(shè)置原始信號(hào)為兩個(gè)正弦信號(hào)的疊加。

具體參數(shù)如下：信號(hào)1幅值為80，頻率為50Hz，采樣頻率為10 000Hz;信號(hào)2幅值為80，頻率為500Hz，采樣頻率為10 000Hz，測(cè)試采用低通濾波器。通過(guò)設(shè)置低通濾波器的低截止頻率，人們可以進(jìn)一步驗(yàn)證低通濾波器的功能。分別設(shè)置低截止頻率為60Hz和600Hz，具體測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，對(duì)于含有50Hz和500Hz的正弦波原始信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，濾波后的信號(hào)允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，阻斷高于截止頻率的信號(hào);當(dāng)?shù)屯V波器截止頻率均低于原始信號(hào)的兩個(gè)頻率時(shí)，低通濾波器對(duì)頻率高的信號(hào)阻斷能力更強(qiáng)，并且隨著截止頻率的增加，阻斷能力減弱;當(dāng)?shù)屯V波器的戒指頻率均高于原始信號(hào)的頻率時(shí)，隨著截止頻率的增加，原始信號(hào)與濾波后的信號(hào)幾乎不受影響。

4 結(jié)論

本文介紹了數(shù)字濾波器的基本原理，通過(guò)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器測(cè)試平臺(tái)，可以直接調(diào)節(jié)信號(hào)的參數(shù)以及各濾波器的參數(shù)，除此之外，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印，方便分析數(shù)據(jù)。虛擬濾波器與傳統(tǒng)濾波器相比具有操作方便、結(jié)果直觀、運(yùn)行可靠、響應(yīng)速度快、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果證明了虛擬數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的可行性，為數(shù)字信號(hào)的分析和處理提供了一種可行方案。

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