基于LabVIEW的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

1、    基于LabVIEW的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院 張偉 王厚軍 羅光坤引言LabVIEW編程語言，

2、也被稱為G語言，是一種數(shù)據(jù)流編程語言。程序員通過繪制導(dǎo)線連接不同功能的節(jié)點(diǎn)，圖形化的程序框圖（LV源代碼）結(jié)構(gòu)決定程序如何執(zhí)行?，F(xiàn)代濾波器理論研究的主要內(nèi)容是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄（又稱時間序列）中估計(jì)出信號的某些特征或信號本身。一旦信號被估出，那么估計(jì)出的信號的信噪比將比原信號的高。對于數(shù)字濾波器，從實(shí)現(xiàn)方法上，有IIR濾波器和FIR濾波器之分。這兩類濾波器無論是在性能上還是在設(shè)計(jì)方法上都有很大的區(qū)別。相對于IIR系統(tǒng)，F(xiàn)IR系統(tǒng)有自己突出的優(yōu)點(diǎn)，其一是系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，其二是易實(shí)現(xiàn)線性相位，其三是允許設(shè)計(jì)多通代（或多阻代）濾波器。后兩者都是IIR系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)的。目前，F(xiàn)IR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要

3、是建立在對理想濾波器頻率特性做某種近似的基礎(chǔ)上的。這些近似方法有窗函數(shù)法、頻率抽樣法及最佳一致逼近法。本文介紹了一種在LabVIEW平臺下用窗函數(shù)法快速設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的方法。FIR數(shù)字濾波器窗函數(shù)法設(shè)計(jì)原理1) 基本設(shè)計(jì)原理考慮理想低通數(shù)字濾波器，其頻率特性為，現(xiàn)假定其幅頻特性，相頻特性，那么，該濾波器的單位抽樣響應(yīng)是以為對稱的sinc函數(shù)，。這樣的系統(tǒng)是非因果的，因此是物理不可實(shí)現(xiàn)的。但是，如果將截短，例如僅取，并將截短后的移位，得是因果的，且為有限長，長度為，令可得所設(shè)計(jì)的濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。的頻率響應(yīng)將近似，且是線性相位的。如果在指定的相頻響應(yīng)時，不是令其為0，而是令，是以為對稱的，

4、為此，可取，另一個在。一個帶阻濾波器相當(dāng)于一個低通濾波器加上一個高通濾波器，低通濾波器的截止頻率在，高通在。選取一個合適的窗函數(shù)，令則即為要設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)。按以上方法設(shè)計(jì)出的濾波器由于滿足的和，即一般是不等于一，因此求出的。對于低通濾波器，我們希望在處的值為1，因此習(xí)慣上要將求出的歸一化，即濾波器的每個系數(shù)都除以的僅取長為，等于在上施加了長為的矩形窗口。加窗的結(jié)果，等于和矩形窗頻譜的卷積。本文所涉及到的窗函數(shù)有矩形窗、三角窗（Bartlett）、漢寧窗（Hanning）、漢明窗（Hamming）和布萊克曼窗（Blackman）。其表達(dá)式如下：4)多余元素的刪除線性移不變離散時間（LSI

5、）系統(tǒng)的線性卷積可記為。若是一個M點(diǎn)的序列，是一個N點(diǎn)的序列，那么卷積的結(jié)果將是一個M+N-1的序列。也就是說序列的長度為M，濾波器的長度為N，經(jīng)過卷積后得到長度是M+N-1的序列。為了保證序列的長度與原輸入序列一樣，必須刪除邊界上的N-1個無效元素。具體刪除哪N-1個元素與卷積運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)。考慮到LabVIEW自帶的卷積函數(shù)，本文所設(shè)計(jì)的濾波器采用分別刪除序列的前（N-1）/2個元素和后（N-1）/2個元素。FIR數(shù)字濾波器的LabVIEW設(shè)計(jì)LabVIEW采用前面板和后面板來編程。前面板用于輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果；后面板則為濾波器設(shè)計(jì)的主程序。程序設(shè)計(jì)共分為五部分：圖3.1 濾波器設(shè)計(jì)框

6、圖1) 前面板設(shè)計(jì)按濾波器的設(shè)計(jì)要求在前面板放置5個控件，分別為信號生成控件、濾波方式及參數(shù)控件、窗函數(shù)選擇控件、采樣參數(shù)控件和波形顯示控件。其中，前四個控件（如下圖）為用戶自定義控件。圖3.2 用戶自定義控件2) 后面板設(shè)計(jì)按圖3.1分別設(shè)計(jì)各個子VI(圖3.3)。從LabVIEW函數(shù)面板取出波形生成函數(shù)并與信號生成控件和采樣參數(shù)控件連接起來構(gòu)成信號產(chǎn)生VI。將設(shè)計(jì)好的濾波器子VI跟濾波方式及參數(shù)控件連接構(gòu)成濾波器VI。窗函數(shù)子VI跟窗函數(shù)選擇控件連接構(gòu)成窗函數(shù)VI。最后將信號連接至元素刪除VI經(jīng)波形圖顯示控件顯示。圖3.3 程序框圖濾波結(jié)果顯示設(shè)計(jì)一FIR低通濾波器，截止頻率為1kHz。選取包含100kHz和3kHz兩個正弦分量的信號作為輸入信號，信號采樣率為10 kHz，濾波器系數(shù)為40，窗函數(shù)選用漢寧窗。濾波顯示如圖4.1。圖4.1 濾波顯示結(jié)束語本文介紹了基于LabVIEW的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。本濾波器可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求方便的調(diào)節(jié)各種參數(shù)以達(dá)到最佳的濾波