《电子信息系统软件设计与仿真》
课程设计报告
设计题目
基于Labview的数字滤波器的设计与应用
设计内容
基于Labview仿真软件设计具有用户操作及显示面板的数字滤波器。
数字滤波器是一种在信号中提取有用信号, 屏蔽无用噪声的装置。滤波器在实际的信号处理中起到了重要的作用, 它是去除信号中噪声的基本手段, 在工业上有广泛的应用,其中在滤出加速度计的噪声信号上就有一定的效果。加速度计是一种惯性传感器, 能够测量物体的加速力。它在振动、冲击测试、惯性制导、运动控制、碰撞试验和匀速检测等方面有广泛的应用。而Labview是一种图形化的编程语言, 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受, 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
设计要求
基于LabVIEW仿真平台，将“正弦波形”函数和“均匀白噪声”函数产生的信号进行叠加以产生原始信号，让其先通过一个低通滤波器，滤除白噪声的带外杂波，以便在后续程序中低通滤波器可以输出正弦波；然后经过低通滤波器滤波处理，对滤波
前后的信号和信号频谱进行比较，从而对低通滤波器的滤波效果进行检验。
程序设计方案
基于Labview仿真软件设计具有用户操作及显示面板的数字滤波器。本VI设计的数字低通滤波器主要是先将正弦信号和均匀白噪声信号叠加，利用Butterworth
低通滤波器进行滤波处理，得到有用的正弦信号:再对经过低通滤波器处理后的信号及信号频谱及相位与滤波前的进行比较分析，检测滤波后的信号是否满足用户的要求，还可以用户调节输入正弦信号和噪声的相关参数以及滤波器性能参数来观察不同条件下滤波的效果。基于LabVIEW虚拟平台，将“正弦波形”函数和“均匀白噪声”函数产生的信号进行叠加以产生原始信号，让其先通过一个低通滤波器，滤除白噪声的带外杂波，以便在后续程序中低通滤波器可以输出正弦波；然后经过低通滤波器滤波处理，对滤波前后的信号和信号频谱进行比较，从而对低通滤波器的滤波效果进行检验。
程序设计思想
数字滤波器采用Labview作为软件的开发平台,充分发挥Labview作为编程语言的简便性的功能,该程序采用模块化的设计思想,从含有高频噪声的加速度信号采样数据中提取正弦信号。输入信号为一正弦波，并加入一个均匀白噪声作为模拟信号传输中的随机干扰信号，在程序中设计了一个低通巴特沃斯滤波器，以滤除信号中的噪声分量，提取正弦信号。该程序分为四个模块：原始信号生成模块、滤波信号生成模块、原始信号频谱生成模块和滤波后的信号频谱生成模块框图程序是一个While循环，前面板上可以清晰地看到滤波前后原始信号的变化。
程序设计步骤
该程序分为四个模块:原始信号生成模块: 利用 Sine Pattern.vi 图标生成正弦信号,然后正弦信号与均匀白噪声叠加就生成了原始信号。
具体的步骤如下:
(1)从Labview的信号发生模板选择Sine Pattern.vi图标,设置好参数,参数包括采样点数,幅值和周期。
(2)选取均匀白噪声信号模块( Uniform White Noise.vi),设置好参数,参数包括采样点数和幅值。将它接在巴特沃思滤波器模块( Butterworth Filter.vi)上,同样也设置好它的参数。这样将白噪声通过一个巴特沃思滤波器就产生了一个高频噪声。
(3)将正弦信号与高频噪声叠加得到原始信号。滤波信号生成模块:由原始信号再通过巴特沃思滤波器就得到了滤波后的信号。设置参数有采样频率,低截止频率和滤
波器阶数。
原始信号频谱生成模块:将原始信号进行实数的快速傅里叶变换(Real FFT.vi) , 具体的步骤如下:
(1)利用 Real FFT.vi模块和Array Size模块对原始信号进行傅里叶变换和返回输入数组的长度。
(2)将二者相除得到复数后转换为极坐标。采样频率再与数组长度相除,这样就得到了原始的信号频谱。
滤波后的信号频谱生成模块:
将滤波后的信号通过相同的步骤就可以得到滤波的信号频谱,利用 Real FFT.vi 模块和Array Size模块对原始信号进行傅里叶变换和返回输入数组的长度，然后将二者相除得到复数后转换为极坐标。采样频率再与数组长度相除,这样就得到了原始的信号频谱。
整个程序是在While大循环里完成的,程序运行时可以通过Stop按钮随时停止该程序。
系统各部分框图
（1）测试信号生成模块
测试信号由“正弦信号”函数节点和“均匀白噪声”函数节点产生的信号叠加生成。信号生成子选板位于“函数—信号处理”中。“正弦信号”.函数可借助输入的样本参数输出一个存储正弦信号的数组，其调用路径为“函数—信号处理—信号生成—正弦信号”。
设置调节界面用户可以根据自己的需求来调节正弦信号的采样点数、幅值、周期。也可以对“均匀白噪声”的采样点数和幅值进行调解。
正弦信号：
噪声信号：
（2）滤波功能模块
这个功能块实现的功能是：对输入信号进行此波处理，提高有用信号的比重，消除或减少信号的噪声干扰。滤波器子选板位于“函数—信号处理—滤波器”中。本设计中需采用“Butterworth滤波器”，函数进行低通滤波设计，其调用路径是“函数—信号处理—滤波器—Butterworth滤波器”。
设置了用户界面对滤波器参数进行有需要的调整。
将“正弦波形”函数和“均匀白噪声”函数产生的信号进行叠加以产生原始信号，让其先通过一个低通滤波器，滤除白噪声的带外杂波，以便在后续程序中低通滤波器
可以输出正弦波；然后经过低通滤波器滤波处理。
对噪声叠加产生噪声信号和原始信号进行滤波：
（3）频谱分析模块
在信号分析和处理过程中，有时仅对信
号进行时域分析并不能完全揭示出信号的全
部特征，为了便于观察处理，除了对低通滤
波前后的信号进行对比分析外，还需要对滤
波前后的信号进行频谱及相位分析。
将滤波后的信号通过相同的步骤就可以
得到滤波的信号频谱,利用 Real FFT.vi模
块和Array Size模块对原始信号进行傅里叶
变换和返回输入数组的长度，然后将二者相
除得到复数后转换为极坐标。采样频率再与
数组长度相除,这样就得到了原始的信号频
谱。
对原始信号滤波后进行频谱及相位的分析：
