畢業(yè)設(shè)計(jì)_基于LabVIEW的一種具有四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的ⅡR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

1、XX大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作）題目：基于LabVIEW的一種具有四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的R 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 院（系）：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器入學(xué)時(shí)間： 年 月導(dǎo)師姓名： 職稱/學(xué)位： 導(dǎo)師所在單位： 完成時(shí)間： 年 月基于LabVIEW的一種具有四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的R數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)摘 要應(yīng)用虛擬儀器LabV IEW 軟件設(shè)計(jì)二級(jí)四階級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)的橢圓帶通IIR數(shù)字濾波器, 對(duì)它的- 3dB帶寬、Q值、阻帶衰減等主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量, 并與在相同條件下設(shè)計(jì)的貝塞爾、巴特沃斯、切比雪夫等其他3種數(shù)字濾波器進(jìn)行性能比較. 在此基礎(chǔ)上, 應(yīng)用這幾種濾波器對(duì)一帶諧的標(biāo)準(zhǔn)語音主信號(hào)

2、進(jìn)行測(cè)試, 比較其濾除諧波的效果, 得出: 橢圓濾波器具有更優(yōu)越的帶通性能.通過對(duì)IIR數(shù)字濾波器算法的研究,得出IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方案. 經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)表明該濾波器能夠?yàn)V除信號(hào)中的噪聲,濾波效果良好,可與其它大型虛擬電子測(cè)量系統(tǒng)兼容以完成不同環(huán)境下的測(cè)量要求.關(guān)鍵詞：級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu); IIR數(shù)字濾波器; 四階帶通; LabV IEWTitle Design of IIR Digital Filter with Fourth-order Cascade FormAbstractA bandpass ellip tic IIR digital filter of two stageswith fo

3、urth2order cascade form was designed by virtual instrument software LabV IEW. The main technical target of the filter such as - 3 dB passband width, Q value and stopband attenuation were tested and compared with Bessel, Butterworth and Chebyshev filter designed in the same condition. On the basis of

4、 these designs, the main frequency with standard har2 monic voice signals was tested by using these filters, and the results of harmonic components filtering were compared. Itwas shown that the ellip tical filter had better bandpass performance than Bessel, Butterworth and Chebyshev filter.Through t

5、he study of IIR digital filters, this discourse p resents a detailed design of IIR digital filters system. And the results of emulational experiments show that this filter could effectively filter noise, at the same time be compatible with other large2scale virtual electronic measuring system to mee

6、t the measuring require2 ments in various situations.Keywords:cascade-form structure; IIR digital filter; fourth-order bandpass; Lab VIEW目 錄1 引言51.1 基于Lab VIEW的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介52 Lab View和數(shù)字濾波器62.1 Lab View666662.2 IIR數(shù)字濾波器7773 本文設(shè)計(jì)原理及相關(guān)算法概述83.1 設(shè)計(jì)原理83.2 IIR數(shù)字濾波器算法等效93.3 二級(jí)四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)103.4 橢圓濾波器仿真原理框圖114 系統(tǒng)前面板

7、設(shè)置125 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置136 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)136.1 模塊一:頻率響應(yīng)測(cè)試模塊.136.2 模塊二:使用低通濾波器提取正弦波模塊147 結(jié)論157.1 四種濾波器的比較157.2 濾波器濾波效果測(cè)試16主要參考文獻(xiàn):18附錄19致謝191 引言1.1 基于Lab VIEW的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介L(zhǎng)ab VIEW 是圖形化虛擬儀器編程語言, 它具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能。Lab VIEW程序由兩部分組成:前面板程序和框圖程序。整個(gè)程序是基于多線程設(shè)計(jì),即前面板和框圖程序各占用一個(gè)線程。LabVIEW的前面板, 即交互式界面用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量,在前面板中,使用了各種圖標(biāo)如開關(guān),實(shí)時(shí)趨

8、勢(shì)圖等來模擬真實(shí)儀器的面板,并可如同操作實(shí)際儀器一樣方便地調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和進(jìn)行輸出模式定制。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,為虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。在世界范圍內(nèi)，汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域均通過Lab VIEW提高了應(yīng)用開發(fā)的效率,其應(yīng)用涵蓋了從研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。1虛擬數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)在電子測(cè)量領(lǐng)域中將會(huì)發(fā)揮極大的作用。濾波器是一種選頻裝置,它對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)頻率范圍(頻帶)內(nèi)的電信號(hào)給以很小的衰減,使這部分信號(hào)能順利通過;對(duì)其它頻帶內(nèi)的電信號(hào)則給以很大的衰減,從而盡可能地阻止這部分信號(hào)的通過.在更

9、多的情況下,濾波器被狹義地理解為選頻系統(tǒng),如低通、高通、帶通、帶阻。 數(shù)字濾波器是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào),通過一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或?yàn)V除某些頻率成分的器件. 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一,幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中,相對(duì)于模擬濾波器,數(shù)字濾波器具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):(1)精度高;(2)靈活性大;(3)可靠性高;(4)易于大規(guī)模集成;(5)并行處理. 數(shù)字濾波器的這些優(yōu)勢(shì)使它的應(yīng)用越來越廣泛,在數(shù)字通信、語音圖像處理、譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 數(shù)字濾波器總的說來可以分成兩大類。一類稱為經(jīng)典濾波器,即一般的濾波器,特點(diǎn)是

10、輸入信號(hào)中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶,通過一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波的目的。而另一類現(xiàn)代濾波器,例如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等最佳濾波器。但是, 應(yīng)用文本軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器在使用過程中存在難以調(diào)整濾波系數(shù)、與硬件接口程序、開發(fā)周期長(zhǎng)等不足。Lab VIEW 是圖形化開發(fā)環(huán)境,它具有功能強(qiáng)大、編程效率高、界面友好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)它在功能完整性和應(yīng)用靈活性上也不遜于任何高級(jí)語言。2 Lab View和數(shù)字濾波器2.1 Lab View虛擬儀器(virtual instrument)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重

11、要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是美國(guó)NI公司的 Lab VIEW。Lab VIEW標(biāo)志Lab VIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有

12、一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。Lab VIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。Lab VIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。Lab VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 Lab VIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬

13、儀器，是 Lab VIEW 的程序模塊。Lab VIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 Lab VIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。Lab VIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器研究的另一個(gè)問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接。目前使用較多的是 I

14、EEE 488或GPIB協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。Lab VIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。Lab VIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利

15、用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，Lab VIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。利用Lab VIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32位/64位編譯器。像許多重要的軟件一樣，Lab VIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個(gè)硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系

16、統(tǒng)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)（支持32位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展的），不斷完善中(大家可以搜索CPUVIEW會(huì)有更詳細(xì)信息）。2.2 IIR數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)（按預(yù)定的算法，將輸入離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為所 要求的輸出離散時(shí)間信號(hào)的特定功能裝置）。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號(hào)時(shí)，首先須對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號(hào)的抽樣率應(yīng)大于被處理信號(hào)帶寬的兩倍，其頻率響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性，

17、且以折疊頻率即12抽樣頻率點(diǎn)呈鏡像對(duì)稱。為得到模擬信號(hào)，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號(hào)須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在語言信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器，以及fir濾波器。IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式。IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組

18、合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計(jì)工作量比較小，對(duì)計(jì)算工具的要求不高。在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對(duì)相位要求較高時(shí)，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。在MATLAB下設(shè)計(jì)IIR濾波器可使用Butterworth函數(shù)設(shè)計(jì)出巴特沃斯濾波器，使用Cheby1函數(shù)設(shè)計(jì)

19、出契比雪夫I型濾波器，使用Cheby2設(shè)計(jì)出契比雪夫II型濾波器，使用ellipord函數(shù)設(shè)計(jì)出橢圓濾波器。下面主要介紹前兩個(gè)函數(shù)的使用。與FIR濾波器的設(shè)計(jì)不同，IIR濾波器設(shè)計(jì)時(shí)的階數(shù)不是由設(shè)計(jì)者指定，而是根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的各個(gè)濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等），由軟件設(shè)計(jì)出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在MATLAB下設(shè)計(jì)不同類型IIR濾波器均有與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。IIR單位響應(yīng)為無限脈沖序列FIR單位響應(yīng)為有限的IIR幅頻特性精度很高，不是線性相位的，可以應(yīng)用于對(duì)相位信息不敏感的音頻信號(hào)上；FIR幅頻特性精度較之于IIR低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過FI

20、R濾波器后他們的時(shí)間差不變。這是很好的性質(zhì)。另外有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。3 本文設(shè)計(jì)原理及相關(guān)算法概述3.1 設(shè)計(jì)原理由數(shù)字濾波理論可知, IIR數(shù)字濾波器是一個(gè)采用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性非時(shí)變離散系統(tǒng), 其無限沖激響應(yīng)的差分方程為2 : (1)其中: 和分別表示輸入和輸出信號(hào)序列; 為正向系數(shù); 為反向系數(shù). 式( 1) 為直接型傳遞函數(shù)形式, 其無限沖激響應(yīng)的z變換傳遞函數(shù)為3: (2)而四階級(jí)聯(lián)型的傳遞函數(shù)為: （3）其中: k為級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù), k = 1, 2, , Ns ; Ns = (Na + 1)/4為總級(jí)聯(lián)數(shù)

21、. 式(3) 中的總反向系數(shù)為4 Ns , 總正向系數(shù)為5 Ns. 在零初始條件下, 從y(1) 開始計(jì)算, 則輸出序列為:y1 = b01 x 1,y2 = b01x2+b11x1-a11y1,y3 = b01x3+b11x2+b21x3-a11y2-a21y1, (4)在Lab VIEW仿真平臺(tái)中, 按式(4) 計(jì)算方法, 編程求解該二級(jí)四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的八階橢圓濾波器正反向系數(shù). 用同樣的方法, 可分別求得八階貝塞爾、巴特沃斯、切比雪夫的系統(tǒng)傳遞函數(shù). 對(duì)式(2) 進(jìn)行逆z變換, 按式(4) 所示的計(jì)算過程, 在程序中調(diào)用Lab VIEW的橢圓濾波器子VI后, 經(jīng)FFT子VI變換, 再分解出

22、幅頻、相頻特性3.2 IIR數(shù)字濾波器算法等效在現(xiàn)代由計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)中,數(shù)字濾波器的使用越來越廣泛,通過執(zhí)行一段相應(yīng)的程序即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波. 因果穩(wěn)定的Ha ( s) 映射成因果穩(wěn)定的H ( z) ,即s平面的左半平面必須映射到z平面單位圓的內(nèi)部 3 . H ( z) 的頻率響應(yīng)能模仿Ha ( s) 的頻率響應(yīng),即s平面的虛軸必須映射到z平面的單位圓上. 變換前后的濾波器在時(shí)域或頻域的主要特征(頻率響應(yīng)或單位沖激響應(yīng)等) 應(yīng)盡可能相同或接近.將傳輸函數(shù)Ha ( s) 從s平面轉(zhuǎn)換到z平面的方法有多種,主要有沖激不變法和雙線性變換法4.在這里采用沖激不變法.設(shè)得到的模擬濾波器的傳輸函數(shù)Ha

23、 ( s) 對(duì)應(yīng)的單位沖擊響應(yīng)為ha ( t) , 即對(duì)ha ( t) 進(jìn)行間隔為T的等間隔采樣,采到的值形成序列h ( n) ,即把h ( n) 作為數(shù)字濾波器的單位脈沖相應(yīng),對(duì)其作Z變換,就是數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H ( z) . 設(shè)模擬濾波器Ha ( s) 只有單階極點(diǎn),極點(diǎn)為si ,且為有理多項(xiàng)式,則可以將Ha ( s) 表示為將Ha ( s) 進(jìn)行拉氏逆變換,得對(duì)ha ( t) 進(jìn)行采樣,采樣間隔是T, 得再對(duì)h ( n) 進(jìn)行Z變換, 就得到了數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)對(duì)比式(1)和式(2) 可知在s平面上的極點(diǎn)si 映射到z平面上,變成極點(diǎn)es iT ,系數(shù)Ai 不變. 即由于頻率坐標(biāo)變

24、換是線性的,即 =T. 如果不考慮混疊現(xiàn)象,這種方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器會(huì)很好地重現(xiàn)原模擬濾波器的頻率特性. 而且數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)完全模仿模擬濾波器的單位沖激響應(yīng),時(shí)域特性逼近好. 在本設(shè)計(jì)中,用沖激函數(shù)作為系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào),用各種數(shù)字濾波器作為測(cè)試系統(tǒng).沖激函數(shù)具有無限寬廣的頻譜,用沖激函數(shù)做激勵(lì)信號(hào)相當(dāng)于對(duì)測(cè)試系統(tǒng)輸入所有頻率的信號(hào),系統(tǒng)必然有對(duì)應(yīng)的輸出. 用Transfer函數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比,從而得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù).3.3 二級(jí)四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)IIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)常用的有直接型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型和轉(zhuǎn)置型等4種, 其中由于級(jí)聯(lián)型具有串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 在實(shí)現(xiàn)時(shí)可以單獨(dú)調(diào)

25、整濾波器子系統(tǒng)的零點(diǎn)、極點(diǎn), 而不影響其他子系統(tǒng), 因而便于調(diào)整濾波器的頻率響應(yīng)性能 2 , 而且可有效減少有限字長(zhǎng)效應(yīng), 因此得到普遍采用 3 . 級(jí)聯(lián)型有二階(一級(jí)) 和四階(一級(jí)) 2種級(jí)聯(lián)方式. 對(duì)相同階數(shù)的數(shù)字濾波器, 采用四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比采用二階結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要計(jì)算的正向系數(shù)少, 可節(jié)省更多的延時(shí)單元, 使信號(hào)失真不至于過大. 因此,本文應(yīng)用Lab VIEW 4 控制軟件平臺(tái), 設(shè)計(jì)一種具有二級(jí)四階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的八階橢圓數(shù)字濾波器.3.4 橢圓濾波器仿真原理框圖橢圓濾波器（Elliptic filter）又稱考爾濾波器（Cauer filter），是在通帶和阻帶等波紋的一種濾波器。橢圓濾波

26、器相比其他類型的濾波器，在階數(shù)相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動(dòng)。它在通帶和阻帶的波動(dòng)相同，這一點(diǎn)區(qū)別于在通帶和阻帶都平坦的巴特沃斯濾波器，以及通帶平坦、阻帶等波紋或是阻帶平坦、通帶等波紋的切比雪夫?yàn)V波器。4 系統(tǒng)前面板設(shè)置Lab VIEW程序由兩部分組成: 前面板程序和框圖程序。 整個(gè)程序基于多線程設(shè)計(jì),即前面板和系統(tǒng)程序各占用一個(gè)線程。前面板是用戶接口,即交互式界面,用于用戶向程序中輸入各種控制參數(shù)和觀察輸出量,在前面板中,使用了各種仿真圖標(biāo),如開關(guān)、旋鈕等,并以數(shù)字或?qū)崟r(shí)趨勢(shì)圖等各種形式的輸出測(cè)試結(jié)果來模擬真實(shí)儀器的面板。本文中前面板的設(shè)計(jì),充分發(fā)揮LabV IEW 的特長(zhǎng),即建立了友

27、好的人機(jī)操作界面,系統(tǒng)前面板如圖所示。圖2為信號(hào)經(jīng)過巴特沃斯和切比雪夫帶通濾波器以后的波形。圖3為信號(hào)經(jīng)過貝塞爾和橢圓帶通濾波器以后的波形。圖2圖3按圖2,3所示的頻率響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的前面板. 用戶可以很方便地進(jìn)行濾波器類型的選擇,設(shè)置濾波器的階次、低(高)端截止頻率、通帶波紋等各項(xiàng)參數(shù)。5 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:頻率響應(yīng)函數(shù)幅值軸設(shè)置為Autoscale。 低端截止頻率設(shè)為2000,高端截止頻率為4000,階次設(shè)定為5,類型有Lowpass、Band2 stop、Bandpass、Highpass4種選擇,通帶濾波為0.80 dB.6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖程序如圖所示. 圖4 系統(tǒng)

28、程序框圖框圖程序包含有兩個(gè)模塊,即兩個(gè)case結(jié)構(gòu):一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)測(cè)試;另一個(gè)用來模擬從混有高頻噪聲的信號(hào)數(shù)據(jù)中提取正弦波. 由于濾波器對(duì)信號(hào)的分析要求循環(huán)進(jìn)行,而整個(gè)過程都希望是人為控制的,因此框圖程序里需要一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu).6.1 模塊一:頻率響應(yīng)測(cè)試模塊.頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí)采用沖激函數(shù)做激勵(lì)信號(hào),通過在Functions > all functions >Analyze > Signal Processing > Signal Generation > Impulse Pattern. vi函數(shù)子模板中調(diào)用來實(shí)現(xiàn),并且需要對(duì)沖激函數(shù)的采樣數(shù)、幅值和延

29、時(shí)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。用Transfer函數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比,從而得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,共包含有4種類型濾波器,分別為:巴特沃斯濾波器(Butterworth) 、切比雪夫?yàn)V波器(Chebyshev) 、貝塞爾濾波器(Bessel) 、橢圓濾波器( Ellip se)。通過在Functions > all functions >Analyze > Signal Processing > Filters中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)子模板來實(shí)現(xiàn),并且對(duì)濾波器的階次、類型、低(高)端截止頻率、通帶波紋等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)濾波器頻率

30、響應(yīng)特性分析的效果,將開關(guān)設(shè)置為“開”的狀態(tài)。如果由于四種濾波器的波形全部在一個(gè)波形測(cè)量節(jié)點(diǎn)顯示會(huì)影響觀測(cè)效果,所以在程序設(shè)計(jì)時(shí),將濾波器的波形分成兩組輸出.在LabV IEW中調(diào)用functions >Analyze > Signal Processing > frequence domain > transfer function. vi來計(jì)算兩個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。圖5 模塊一6.2 模塊二:使用低通濾波器提取正弦波模塊通常微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號(hào)中會(huì)不可避免地受到各種噪聲的干擾,可以采用數(shù)字濾波方法對(duì)其予以削弱或?yàn)V除。本模塊輸入信號(hào)為一個(gè)正弦波,并加入一個(gè)白噪聲

31、來模擬信號(hào)傳輸中的干擾信號(hào),在設(shè)計(jì)過程中,使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量,從而達(dá)到提取正弦波的目的。該模塊程序中共有兩個(gè)巴特沃斯濾波器。圖6 模塊二7 結(jié)論7.1 四種濾波器的比較頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí)采用沖激函數(shù)做激勵(lì)信號(hào),通過在Functions > all functions >Analyze > Signal Processing > Signal Generation > Impulse Pattern. vi函數(shù)子模板中調(diào)用來實(shí)現(xiàn),并且需要對(duì)沖激函數(shù)的采樣數(shù)、幅值和延時(shí)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置. 用Transfer函數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比,從而得到

32、系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù). 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,共包含有4種類型濾波器,分別為:巴特沃斯濾波器(Butterworth)、切比雪夫?yàn)V波器(Chebyshev)、貝塞爾濾波器(Bessel)、橢圓濾波器(Ellip se)。通過在Functions>all functions>Analyze>Signal Processing>Filters中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)子模板來實(shí)現(xiàn),并且對(duì)濾波器的階次、類型、低(高)端截止頻率、通帶波紋等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)濾波器頻率響應(yīng)特性分析的效果,將開關(guān)設(shè)置為“開”的狀態(tài)。如果由于四種濾波器的波形全部在一個(gè)波形測(cè)量節(jié)點(diǎn)顯示會(huì)影響觀測(cè)效

33、果,所以在程序設(shè)計(jì)時(shí),將濾波器的波形分成兩組輸出.在LabV IEW中調(diào)用functions>Analyze>Signal Processing> frequence domain>transfer function.vi來計(jì)算兩個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí),當(dāng)濾波器的階次較高時(shí),系統(tǒng)的頻率響應(yīng)速度越快,階次越高就越接近理想特性。本例選用巴特沃斯濾波器,它擁有最平滑的頻率響應(yīng),在截?cái)囝l率以外,頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應(yīng),在阻帶中響應(yīng)為零。巴特沃斯濾波器的優(yōu)點(diǎn)是具有平滑的單調(diào)遞減的頻率響應(yīng),缺點(diǎn)是通帶與阻帶之間過渡緩慢。相比之下,切比雪夫?yàn)V波器的幅度特性在通帶中具有這種等波紋特性,并且階次越高等波紋也相應(yīng)增加,同時(shí)阻帶內(nèi)衰減也相應(yīng)增加。圖7 四種數(shù)字濾波器的通帶參數(shù)比較 -3db