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基于labview多功能的虚拟数字滤波器

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I

摘 要

基于LabVIEW的FIR数字滤波器的设计

当前我们正处于数字化时代，数字信号处理技术受到了人们的广泛关注，其理论及算法随着计算机技术和微电子技术的进步得到了飞速的发展，被广泛应用于语音图象处理、数字通信、谱分析、模式识别、自动控制等领域。数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中。设计一个数字滤波器可以有助于我们更好的了解数字信号处理。

本设计所采用的软件是美国NI公司推出的LabVIEW，LabVIEW是一种基于图形化编程语言的开发环境，具有十分强大的数据库。它为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，是目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件之一。所以，本文选取LabVIEW作为设计数字滤波器的软件。

数字滤波器是指有完成信号滤波处理的功能，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性。另外其精度较高，容易集成等，这些特点决定了数字滤波器的应用越来越广泛。

关键词：数字信号处理；数字滤波器；虚拟仪器；LabVIEW

II

Design of FIR Filter Based on LabVIEW

Abstract

Nowadays we are in the digital time, the technology of digital signal process are

paid extensive attention by people. With the development of technology of computer

and microelectronics, the theory and arithmetic of digital signal process develop

quickly, in some areas such as digital filters which extensively used in audio and video

process, digital communications, frequency analysis, autocontrol and so on. Digital

filter is one of the most important part of digital signal process, which almost appeared

in all digital signal process system. Designing a digital filter could help us understand

digital signal process more clearly.

The software used in this paper is LabVIEW. LabVIEW is a kind of software

based on graphic language, it has a very strong database. It provides a convenient and

relaxed designing environment for the VI designer. It is one of the most widely used

software. So this paper chooses LabVIEW as designing software.

Digital filter is a discrete LIT system which can accomplish the signal filter using

finite precision arithmetic, with a group of digital signal input (which are sampled and

measured through analog signals) and another group of changed digital signal output.

Digital filter is one of the important contents of digital signal process. Compared with

analog filter, the digital filter hasn’t excursion, is able to process low frequency signal,

the characteristic of frequency response is close to ideal value, with high precision, and

easy to integrated. Digital filter will be more useful in the further..

Key Words：Digital Signal Process; Digital Filter; Virtual Instrument; LabVIEW

III

目录

摘 要............................................................................................................................. I

Abstract ................................................................................................................... II

第一章 绪论.................................................................................................................... 1

1.1 引言................................................................................................................... 1

1.2 课题背景........................................................................................................... 1

1.2.1 测控技术的国内外发展现状................................................................ 1

1.2.2 虚拟仪器技术发展趋势........................................................................ 3

1.3 本设计所做的工作........................................................................................... 5

1.3.1 多通道数据采集系统的设计................................................................ 5

1.3.2 数字滤波器的设计................................................................................ 6

第二章 虚拟仪器............................................................................................................ 7

2.1 虚拟仪器技术概述........................................................................................... 7

2.1.1 虚拟仪器的概念.................................................................................... 7

2.1.2 虚拟仪器的特点及优势........................................................................ 7

2.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较................................................................ 8

2.1.4 虚拟仪器测试系统的组成.................................................................. 10

2.1.5 虚拟仪器I/O接口设备 ....................................................................... 11

2.1.6 虚拟仪器的软件结构.......................................................................... 13

2.2 虚拟仪器的开发软件..................................................................................... 13

2.2.1 虚拟仪器的开发语言.......................................................................... 13

2.2.2 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW ......................................... 14

2.2.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 ....................................... 15

第三章 系统设计理论.................................................................................................. 17

3.1信号采集理论 ................................................................................................. 17

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基于LabVIEW的虚拟滤波器的设计

基于LabVIEW的虚拟滤波器的设计

一　

墅　

Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉ９ｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｖｉ　ｒｔｕａｌ　Ｆ¨ｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬＡＢＶＩＥＷ　

刘清平　

Ｌｉｕ　Ｑｉｎｇｐｉｎｇ　（南昌航空大学电子信息工程学院，江西南昌３３００６３）　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００６３）　

摘要：随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化、智能化、　化和网络化的方向发展。其　

中数字滤波器作为测试技术的重要工具而被广泛使用在各个领域。本文　汁的滤波器以ＬａｂＶＩＥＷ软件为　

背景，设计一个能对采集数据波形进行相关处理，并实现相应的参数测，虚拟滤波器主要包括五个模块：模　

拟信号的产生、波形的处理、信号的测量、波形的存储与回放、滤波后　乏形保存。数据处理模块主要实现数　

字滤波和加窗函数处理两大功能，可以选择不同的滤波器和窗函数以适应不同的情况，参数的不同设置能够　

使信号频率不断变化。它是一种测试仪器和系统的概念相结合的软件，结合了测试技术和相应的专业知识。　

本文介绍了在ＬａｂＶＩＥＷ实现虚拟滤波器测试信号的方法。　

关键词：虚拟仪器；ＬａｂⅥＥｗ；滤波器　

中图分类号：ＴＮ７１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—４７９２（２０１２）０６—００８８—０３　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｓｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｅｓｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ｔｏｗａｒｄ　ｔｈｅ　

ｔｒｅｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｄｉｇｉｔａｌ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｓ　

ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｅｓｔ　ｔｏｏｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅ　ｔｏｐｉｃ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＬａｂＶＩＥＷ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，　

基于LabVIEW的多通道FIR数字滤波器辅助设计

基于LabVIEW的多通道FIR数字滤波器辅助设计

基于LabVIEW的多通道FIR数字滤波器辅助设计

摘要:本文介绍一种基于LabVIEW的快速有效地设计具有线性相位FIR数字滤波器的方法,设计了Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop四种常规类型的滤波器,Equi-ripple FIR和Window FIR两种拓扑结构,滤波器的阶次设为任意可选。通过验证,在数字信号滤波器设计中起到了极其重要辅助作用。

关键词:FIR数字滤波器 LabVIEW 多通道

1 引言

在信号处理中,滤波占有十分重要的地位,滤波器是保留输入信号中的有用信息,滤出不需要的信息,从而达到信号的检测、提取、识别等不同的目的。数字滤波与模拟滤波相比有很多优点,它除了可避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪声等问题外,还能满足滤波器对幅度和相位的严格要求。

虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来,除继承传统仪器的已有功能外,还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器充分利用计算机丰富的软硬件资源,突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。把虚拟仪器应用到信号处理中,大大降低了设计开发的难度。

2 FIR数字滤波器 2.1 数字滤波器

数字滤波器的功能是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列数字滤波器,也就是对输入信号进行滤波,而不同的运算处理方法决定了滤波器的实现结构不同。

滤波器用N阶差分方程表示为

2.2 虚拟仪器

LabVIEW[1]作为目前国际上唯一的编译型图形化编程语言,把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能,使用线条把各种功能连接起来的简单图形编程方式。是指通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的仪器一样,从而完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储和打印。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果:利用计算机强大的软件功能实现信号运算、分析和处理;利用I/O接口设备完成信号的采集和与调试,从而完成各种测试功能的计算机测试系统。使采用LabVIEW图形编程方式可以节省大约80％的程序开发时间,并且其运行速度几乎不受影响,构成方式如图1所示[2～3]。(如图1)

基于LabVIEW编写数字滤波器程序的仿真信号与实测信号的分析

基于LabVIEW编写数字滤波器程序的仿真信号与实测信号的分析

研究　

摘要：在控制工程领域，信号分析技术有广泛的应用，为了能够更好地分析信号，必须将时域内的信号转换成频域内的信号。　通过ＬａｂＶＩＥＷ编程实现滤波器软件设计，通过仿真信号对其进行验证，并将该滤波器运用到高空行吊设备轨道谱测控信号分　析中。　关键词：傅立叶变换；仿真信号；实测信号；轨道谱；滤波器　中图分类号：ＴＮ７１３．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９４９２（２０１２）Ｏ１—００５７—０４　Ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｉｇｎａｌ　ａｎｄ　Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ＷＵ　Ｈｕａｎ—ｎｉｎｇ　（Ｑｕａｎｚｈｏｕ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓａｎｉｔａｔｉｏｎ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅ　Ｏｆｆｉｃｅ，Ｏｕａｎｚｈｏｕ３６２０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｒｅａｌｍ，ｓｉｇｎａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｃｏｎｔａｉｎ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｋｅ　ｏｆ　ｃａｎ　ｂａｔｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｉｇｎａｌ，ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｔｏ　ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ．Ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ　ｍａｋｅｓ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌａｂｖｉｅｗ　ｐｌａｉｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎｅ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｎｄ　ｂｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｓｉｇｎａｌｓ，ａｎｄ　ｃｈｏｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔｏ　ｕｔｉｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｗｈｉｔｅ　ｌｉｎｅ　ｔｏ　ｈａｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｔｒａｃｋ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｆａｓｔ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｓｉｇｎａｌ；ｏｒｂｉｔ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｆｉｌｔｅｒ　１前言　数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成　部分之一。在许多科学技术领域中，广泛使用滤　波器对信号进行处理。本文应用ＬａｂＶＩＥＷ图形编　程环境，以ＬａｂＶＩＥＷ为设计平台，通过巴特沃斯　低通、带通滤波器和切比雪夫低通、带通滤波　器，把叠加的两个正弦信号滤掉其中的一个，通　过滤波后的频谱来分析低通和带通滤波器的滤波　特性，以及比较巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波　器的优缺点。最后应用于实际工程中的高空行吊　设备轨道谱试验数据，对这个实验的实测数据进　行频谱分析，分析该实测数据在巴特沃斯和切比　雪夫滤波器中的信号频率，得到需要的实验数据　的频率结构　］。　２　ＬａｂＶＩＥＷ编写数字滤波器的仿真信号分　析　２．１巴特沃斯滤波器　（１）巴特沃斯低通滤波器的频谱特性　设置参数：当两正弦信号的幅值均为２．Ｏ０，　信号１的频率为５．００Ｈｚ，信号２的频率为５０．００　Ｈｚ，采样点数为２５６，采样频率为２５６．００　Ｈｚ，截　止频率为３０．００　Ｈｚ，滤波阶数为３、５、８。运行结　果发现，当滤波阶数调整为８阶，滤波后的输入　信号为光滑的正弦曲线了，而且频谱图上５０．００　Ｈｚ附近的谱线已经滤掉，滤波的效果非常好。　（２）巴特沃斯带通滤波器的频谱特性　带通滤波器滤波阶数为１、２、４阶时，低截　止频率为０．５０Ｈｚ，高截止频率为１　０．００Ｈｚ，其它参　收稿日期：２０１１—０７—１９　Ｆ　＝　—■＿　—●ｒ———————１　，　■ｒ——————１Ｉｌｌ■；ｌｌ＿｝５７　１　

基于LabVIEW的数字滤波器设计实例IIRFIR

基于LabVIEW的数字滤波器设计实例IIRFIR

基于LabVIEW的数字滤波器设计实例IIRFIR

1. 数字滤波器及其传统设计方法

1.1 数字滤波器概述

滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制〔或大为衰减〕无用频率信号的装置。工程上常将它用于信号处理、数据传送和抑数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它的输入和输出信号差不多上离散的，与模拟滤波器相比，它具有准确度和稳固性高，系统函数容易改变，灵活性高等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用[2]。数字滤波器有多种分类，按频率特性分类能够分为：高通、低通、带通、带阻；按数字滤波器冲激响应的时域特点分类能够分为：有限冲激响应滤波器〔finite impulse response, FIR〕和无限冲激响应滤波器〔infinite impulse response, IIR〕。FIR 滤波器的冲击响应h(n) 是有限序列，IIR 滤波器的冲击响应h(n) 是无限序列的。

数字滤波器的差分方程能够用下式表示：

式中， x(n) 为输入序列， y(n) 为输出序列， k a 、k b 分别为输出、输入序列的系数。

数字滤波器对应的传递函数为：

当k a 不全为0 时，为IIR 滤波器；当k a 全为0 时，为FIR 滤波器。 从性能上看，FIR 滤波器和IIR 滤波器各有优点：FIR 滤波器能够得到严格的线性相位；然而需要较多的储备器和较长的运算，成本比较高，信号延时也较大。IIR 滤波器能够用较少的阶数获得专门高的选择特性，所用储备单元少，运算次数少，效率高的优点；然而相位是非线性的，且选择性越好其相位非线性越严峻[3]。

1.2 数字滤波器的传统设计方法

数字滤波器的传统设计过程可归纳为以下三个步骤：

(1)按照实际需要确定滤波器的性能要求。

(2)用一个因果稳固的系统函数(即传递函数)去靠近那个性能要求。此函数能够分为两类：即IIR 传递函数和FIR 传递函数。