多功能濾波器課設(shè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課題名稱：多功能濾波器系別：通信工程系同組學(xué)生姓名：張璽，齊冉，白曉指導(dǎo)教師：羅向龍目 錄摘 要1 緒論2 濾波器的總體設(shè)計(jì)方案2濾波器的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)3信號(hào)發(fā)生模塊3濾波去噪模塊5頻域分析模塊12 多功能濾波器的仿真17參考文獻(xiàn)22心得體會(huì)22摘 要目前，在電子測(cè)量和自動(dòng)化控制領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。虛擬儀器是一種功能意義上的測(cè)量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合，從而實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)儀器的功能。本文敘述了虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW的特點(diǎn)，并給出了軟件設(shè)計(jì)方案。開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的多功能濾波器，重點(diǎn)講述了各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，并利用該濾

2、波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行了濾波和頻譜分析，結(jié)果較為滿意。在開(kāi)發(fā)虛擬儀器的同時(shí)，掌握了LabVIEW編程語(yǔ)言，對(duì)虛擬儀器的構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)手段和開(kāi)發(fā)方法有了一定的認(rèn)識(shí)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面友好，功能多，并有很好的濾波、分析精度等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字：虛擬儀器 ；LabVIEW ；濾波器 ；頻率1 緒論 LabVIEW是一種基于“圖形”方式的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從流程圖式的編程，不需要預(yù)先編譯就存在語(yǔ)法檢測(cè)和調(diào)試過(guò)程使用的數(shù)據(jù)指針，到其豐富的函數(shù)、數(shù)值、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，效率高，操作簡(jiǎn)單，并能對(duì)誤差

3、精度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，把傳統(tǒng)儀器利用LabVIEW用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)周期短，易于維護(hù)和升級(jí)，可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)儀器所不能比擬的虛擬儀器，“軟件就是儀器”這就是虛擬儀器技術(shù)的精髓。虛擬儀器已經(jīng)為越來(lái)越多的人所使用和接受，因?yàn)樘摂M儀器系統(tǒng)更快速簡(jiǎn)捷和方便，也可以節(jié)省硬件資源。通過(guò)虛擬濾波器設(shè)計(jì)，可對(duì)虛擬儀器有更深的理解和領(lǐng)悟，也為以后進(jìn)行更進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)。我的設(shè)計(jì)題目是基于LabVIEW的多功能濾波器設(shè)計(jì)。我們平時(shí)所要設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，階數(shù)和類(lèi)型并不一定是完全給定的，很多時(shí)候都是要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷的調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。在這種情況下，濾波器的設(shè)計(jì)就要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，單純的靠

4、公式計(jì)算很難在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。這次利用LabVIEW設(shè)計(jì)的濾波器則不需要再靠公式計(jì)算，只要通過(guò)在前面板通過(guò)下拉菜單進(jìn)行調(diào)解就可以設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的濾波器了。了解LabVIEW編程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)LabVIEW的基本使用方法，復(fù)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理的所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的數(shù)字濾波器，使其能產(chǎn)生基本的帶有噪聲的模擬信號(hào)，或是能通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)輸入到微機(jī)里，并能使用戶通過(guò)在前面板調(diào)節(jié)按鈕，變換參數(shù)產(chǎn)生想要的濾波器，來(lái)對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)或從外界輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，并能對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。然后通過(guò)顯示面板來(lái)顯示濾波前后的信號(hào)及頻域分析的信號(hào)。濾波器的總體設(shè)計(jì)方案我設(shè)計(jì)的題目是基于Lab

5、VIEW的多功能濾波器設(shè)計(jì)。如圖9為總體設(shè)計(jì)方案的示意圖。圖9 總體設(shè)計(jì)示意圖通過(guò)軟件LabVIEW設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的數(shù)字濾波器，使其能產(chǎn)生基本的帶有噪聲的模擬信號(hào)，或是能通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)輸入到微機(jī)里，并能使用戶通過(guò)在前面板調(diào)節(jié)按鈕，變換參數(shù)產(chǎn)生想要的濾波器，來(lái)對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)或從外界輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，這里的濾波器可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行選擇，可以找出最適合的濾波器。我設(shè)計(jì)的濾波器包括FIR濾波器，IIR濾波器。其中這兩大類(lèi)濾波器分別有一些參數(shù)可調(diào)，例如IIR濾波器濾波的窗函數(shù)。進(jìn)行完濾波后還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種頻譜分析。然后通過(guò)顯示面板來(lái)顯示濾波前后的信號(hào)及頻譜分析的信號(hào)。 濾波器的各個(gè)模塊

6、的設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的濾波器的模塊有信號(hào)發(fā)生模塊，濾波模塊，以及頻譜分析模塊。 信號(hào)發(fā)生模塊信號(hào)發(fā)生模塊是信號(hào)有兩種，一種是通過(guò)基本函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生基本波形，包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波四種。然后分別疊加噪聲信號(hào)，以此來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)。其中噪聲的類(lèi)型有均勻白噪聲、高斯噪聲、周期性隨機(jī)噪聲、泊松噪聲。噪聲的幅值也可以調(diào)節(jié)。如圖10是信號(hào)發(fā)生模塊流程圖。圖10 信號(hào)發(fā)生模塊流程圖 其中需要注意的是采樣頻率的選擇，不然的話會(huì)出錯(cuò)，系統(tǒng)不能運(yùn)行。根據(jù)奈圭斯特采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于或至少等于信號(hào)截止頻率的2倍，以保證數(shù)字化后的信號(hào)數(shù)據(jù)不丟失原信號(hào)的特性。但是奈圭斯特采樣定理假設(shè)有一個(gè)理想的低通濾波器來(lái)恢復(fù)

7、信號(hào)，并且被采樣的信號(hào)的頻帶范圍有限，這些條件在實(shí)際使用中是很難實(shí)現(xiàn)的，所以它只在理論上成立。對(duì)同一信號(hào)以不同的采樣率采集得到的結(jié)果是不同的，顯然采樣頻率越高，采集信號(hào)越接近真實(shí)信號(hào)，但是高采樣頻率意味著對(duì)存儲(chǔ)空間和內(nèi)存的更高要求，工程上用到的采樣頻率常常是信號(hào)最高頻率的510倍。如圖11所示為信號(hào)發(fā)生模塊流程圖對(duì)應(yīng)的前面板。圖11 輸入信號(hào)參數(shù)選板 濾波去噪模塊圖12 濾波去噪模塊流程圖圖13 濾波參數(shù)選板濾波去噪模塊的流程圖如圖12所示，信號(hào)的濾波去噪就是通過(guò)這個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖13為濾波參數(shù)選板，第一個(gè)布爾控件是來(lái)選擇是否要進(jìn)行濾波，當(dāng)指示燈亮?xí)r就進(jìn)行濾波了。布爾控件下面的叫做菜單下拉列

8、表，是用來(lái)選擇濾波器的類(lèi)型的。再往下的兩個(gè)框分別是IIR濾波器規(guī)范，F(xiàn)IR濾波器規(guī)范，通過(guò)調(diào)節(jié)文本下拉列表可以搭配出最好的濾波器。頻域分析模塊在頻域，每個(gè)數(shù)字信號(hào)都有典型的特征。比如正弦波僅含有單一頻率，而白噪聲包含所有頻率分量。信號(hào)的平穩(wěn)變化源于它的低頻分量，陡峭邊緣和急劇變化則源于它的高頻分量。信號(hào)的頻譜詳細(xì)描述了信號(hào)所包含的頻率分量。信號(hào)的頻譜有兩部分，即幅度頻譜和相位頻譜。幅度頻譜與每一頻率分量的大小或幅度有關(guān)，相位頻譜反映了不同頻率分量之間的相位關(guān)系。信號(hào)的頻域描述是以頻率為橫坐標(biāo)變量來(lái)描述幅值，相位的變化規(guī)律的。信號(hào)的頻域分析或者說(shuō)是頻率分析，是研究信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，即求取分量的幅值

9、，相位按頻率的分布規(guī)律，并建立以頻率為橫軸的各種譜。信號(hào)的頻域分析在信號(hào)處理領(lǐng)域中占有相當(dāng)重要的地位。將信號(hào)變換到頻域中以后，許多包含其中的有用信息就會(huì)凸顯出來(lái)，知道信號(hào)的頻率成分和幅度有時(shí)比僅知道某個(gè)時(shí)間采樣的幅度更有意義。圖18 頻域分析模塊流程圖圖19 頻域分析模塊前面板如圖18所示，為信號(hào)的頻域分析模塊流程圖，這里的是輸出信號(hào)的頻域分析，輸入的和輸出的頻域分析模塊是一樣的。這里的分析有三種，分別是：信號(hào)的功率譜分析，信號(hào)的自功率譜分析，快速傅立葉變換頻譜。如圖19所示為信號(hào)的頻域分析模塊的前面板。通過(guò)菜單下拉列表可以選擇以上三種頻域分析方法，通過(guò)文本下拉列表可以選擇加不同的窗函數(shù)。窗函

10、數(shù)的主要作用是對(duì)截?cái)嗵幍牟贿B續(xù)變化信號(hào)進(jìn)行平滑處理，以此來(lái)減少頻譜泄漏。圖20 實(shí)數(shù)FFT VI的流程圖信號(hào)的功率譜分析反映了信號(hào)在頻率上的能量分布，突出信號(hào)頻譜的主頻率。這就是本次設(shè)計(jì)所涉及到的三個(gè)模塊的詳細(xì)介紹。把它們用線連接起來(lái)就是我所設(shè)計(jì)的多功能濾波器了。最終整個(gè)程序流程圖如下錄2。 多功能濾波器的仿真本設(shè)計(jì)是對(duì)模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行濾波仿真的，主要是為了驗(yàn)證該程序設(shè)計(jì)的是否正確以及對(duì)各種濾波器的去噪效果進(jìn)行比較?，F(xiàn)在我們輸入一個(gè)模擬含有均勻白噪聲的正弦信號(hào)，信號(hào)的頻率為“5”，幅值為“10”，均勻白噪聲的幅值為“2”。信號(hào)的采樣頻率為“1000”，采樣數(shù)為“1000”。如圖21為輸入信號(hào)參數(shù)

11、選板。輸入信號(hào)波形如圖22所示。圖21 濾波器參數(shù)設(shè)定圖22 輸入信號(hào)波形顯示下面我們采用不同的低通濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波去噪，看一下濾波效果如何。一是采用FIR濾波器，它的參數(shù)設(shè)定如圖21的FIR濾波器規(guī)范所示,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是“windowed FIR”，類(lèi)型是“l(fā)owpass”，最低通帶是“12”，濾波效果如圖23所示。圖23 FIR濾波器的濾波效果圖二是采用IIR濾波器，它的參數(shù)設(shè)定如圖21所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)“Butterworth”,類(lèi)型是“l(fā)owpass”,階數(shù)是“7階”，低截止頻率是“8”，通帶波紋為“1”，濾波效果如圖24所示。圖24 IIR濾波器的濾波效果圖通過(guò)圖22、圖23、圖24進(jìn)行比較，可以看出：FIR濾波器，IIR濾波器都可以達(dá)到很好的去噪效果。并且相比較而言，IIR濾波器的濾波相對(duì)來(lái)說(shuō)要好一些。而且證明該設(shè)計(jì)正確。前面板如下圖圖26 頻譜仿真參考文獻(xiàn)1 楊樂(lè)平，李海濤 LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用電子工業(yè)出版社, 20052 周求湛，等虛擬儀器與LabVIEW 7 Express程序設(shè)計(jì)北京航空航天大學(xué)出版社, 20