基于labview的FIR滤波器的设计(含VI程序)

基于labview的滤波器的设计
一、实验名称
基于labview声卡的数据采集精品实验
二、实验类型
设计性试验
三、实验内容
运用数字信号处理及相关专业知识设计一个基于LabVIEW的虚拟仪器，采集一个信号，对其进行FIR滤波，将滤波后的波形输出并分析结果。

四、.课题的依据和意义
随着信息技术和计算机技术的高速发展，数字信号处理作为一门新兴的学科，其重要性逐渐在各个应用领域中体现出来。

本课题是采用虚拟仪器的设计方法对离散信号与系统进行分析与处理，利用LABVIEW这一强大的虚拟仪器开发工具，设计相关的虚拟仪器，实现相关的功能。

在虚拟仪器软件平台LABVIEW上构建的虚拟仪器滤波器实现系统充分发挥了虚拟仪器的优势。

其设计思想有广泛的应用范围。

虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能想象力的空间。

用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。

虚拟仪器是全新概念的最新一代测量仪器。

自1987年诞生以来，这一技术与前几代测试仪器相比，以前所未有的速度迅猛发展。

虚拟仪器的功能与计算机技术同步发展。

这是因为计算机是虚拟仪器的核心设备，该仪器的功能是通过软件仿真实现的。

它将传统仪器由硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的计算机来执行。

当计算机与适当的I/O接口设备完毕，虚拟仪器的硬件平台就被确定，此后软件就成为仪器的关键，也就是“软件就是仪器”之说的来由。

这意味着只要按照测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某中测量功能的软件就可构成该种功能的测试仪器。

虚拟仪器发展的特点是它的队伍宏大，规模壮阔。

如果建立了虚拟仪器平台，那么只要按照测量原理，借助信号分析与处理技术编制软件程序，就能自己设计建造自己的测试仪器。

五、虚拟仪器和LabVIEW技术的介绍
本文所选的软件LABVIEW是美国NI仪器公司的创新软件产品，LABVIEW是应用最广泛发展最快功能最强的图形化软件开发环境。

它具有开发周期短运行速度快可重用性使用方便灵活等优点。

LABVIEW（laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台）是美国NI（National Instrument Company）推出的一种基于G语言（Graphics Language,图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。

用LABVIEW设计的虚拟仪器可脱离LABVIEW开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。

1、LABVIEW软件的特点与优点
LABVIEW软件工具的特点可归纳为：
（1）图形化的编程方式，无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。

（2）提供了丰富的数据采集分析及存储的库函数。

（3）既提供了传统的程序调试手段，如设置断点单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。

（4）32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证数据采集测试和测量方案的高速执行。

（5）囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。

2、什么是虚拟仪器？
所谓虚拟仪器，就是在通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用测量仪器一样。

虚拟仪器的“虚拟”二字主要包含以下两个方面的含义：
第一，虚拟仪器的面板是虚拟的。

虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。

如有各种开关，按键，显示器等实现仪器电源的：“通”，“断”；被测信号的“输入通道”，“放大倍数”等参数的设置；测量结果的“数值显示”，“波形显示”等。

传统
仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“动手”，“触摸”，来进行操作的，虚拟仪器面板控件是外形与实物相象的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等，对应着相应的软件程序。

这些软件已经设计好，我们只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可。

因此，设计虚拟仪器前面板，就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性运行设置。

第二、虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。

以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能，因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有软件就是仪器的说法。

六、滤波器设计原理
1、滤波器的基本功能
滤波器的基本功能是从输入型号中选出所需的频率成分，滤除不需要的成分，从广义上理解，测量系统中的任一环节都可以看做是某种类型的滤波器，这些环节都只能让一部分频率范围内的信号通过，具有滤波特性，只是他们在测量系统中的主要作用是完成信号的检测或放大等，而滤波器是一种专门利用其选频特性的信号处理装置。

模拟滤波器存在着损耗大、品质因数低、易发生故障及老化等缺陷，而数字滤波器不受外界环境的影响，可靠性高，只要改变算法或某些滤波器系数就可达到改变滤波器特性的目的，而且数字滤波器便于用程序实现。

在生产实际中，常利用能满足要求的模拟低通滤波器原型，通过S平面到Z平面的变换，得到所需的等效数字滤波器，再进一步利用计算机进行数字信号处理。

在数字滤波器视线中可实现IIR滤波器和FIR滤波器两种，这里将介绍FIR滤波器。

在实现中，对相同阶数的两种滤波器来看，对每个采样值所做的乘法数量，IIR约为FIR的两倍，另外，FIR还可以方便地设计呈线性相位滤波器，所以从计算复杂度上看FIR占很大的优势。

2、FIR滤波器的设计原理
FIR是具有有限冲激响应数字滤波器，在满足同样的系数要求时，FIR数字滤波器的劫数比IIR数字滤波器的阶数高、延迟大，但FIR数字滤波器具有严格线性相位特性。

滤波器的特性通常用它的频率响应来描述。

FIR数字滤波器就是用冲激函数h(n)的Z变换得到的多项式表示，使其在单位圆上
的特性逼近要求的频率特性。

FIR滤波器的设计任务就是给定要求的频率特性，按照一定的最佳逼近准则，选取多项式系数h(n),即滤波器的单位抽样响应及阶数N，似的频率性满足设计要求。

设FIR的单位脉冲响应h（n）为实数，其长度为N（0<n<N-1）,则它的Z变换为H （z）是z的负N-1阶多项式，在z平面上有N-1个零点，在远点有N-1个重极点。

如果h(n)满足偶对称和奇对称条件，则滤波器就具有严格的线性相位特性。

通常FIR滤波器设计方法有三种：窗函数加权法、频率采样设计和切比雪夫等波纹逼近法。

窗函数法又称为富氏级数法，是一种最简单的方法，其设计是在时域进行的。

常用的窗函数有矩形窗，三角窗，汉宁窗，海明窗，布拉克曼窗，凯塞窗。

FIR数字滤波器的后面板框图如下：
原理图中是由冲激函数经过一个FIR加窗滤波器后经过一个FFT变换，然后从输入树组中得到指定的元素，再将得到的复数转换为相应的幅角和幅值，最后经过一个case 循环，然后实现现实和存储功能
FIR数字滤波器的前面板框图如下
下图为低通滤波器在采样频率为1000时的滤波情况。

下面为一些主要的控件的使用及作用的说明
七、心得与体会：
本次大作业让我熟悉了LabVIEW开发环境、编程和调试方法；将平时学到的零碎的知识整合到了一起，对虚拟仪器和LabVIEW有了更深的体会和了解。

此次试验题目《基于labview的FIR滤波器的设计》采用了LabVIEW2010测试版本开发。

不仅收获了成功的结果，更重要的是收获了过程中不断完善VI的进步。

为将来进一步应用LabVIEW系列软件开发打下了一定的基础。

注：
vi程序下载地址：/file/e6gyxjop#LABVIEW2010-labview的FIR滤波器的设计.
参考文献：
《数字信号处理第三版》高西全丁玉美等
《LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计》侯国屏王坤叶齐鑫等
《LabVIEW程序设计从入门到精通》陈锡辉，清华出版社。