第5章基于LabVIEW的濾波器設(shè)計

1、周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院第第5章章 基于基于LabVIEW的濾波器設(shè)計的濾波器設(shè)計本章內(nèi)容本章內(nèi)容 5.1 數(shù)字濾波器概述數(shù)字濾波器概述 5.2 LabVIEW中的數(shù)字濾波器中的數(shù)字濾波器 5.3 FIR濾波器設(shè)計濾波器設(shè)計 5.4 巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器 5.5 切比雪夫濾波器切比雪夫濾波器 5.6 反切比雪夫濾波器反切比雪夫濾波器 5.7 橢圓濾波器橢圓濾波器 5.8 貝塞爾濾波器貝塞爾濾波器 5.9 中值濾波器中值濾波器 5.10 自適應(yīng)濾波器自適應(yīng)濾波器周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1 數(shù)字濾波器概述數(shù)字濾波器概述

2、 5.1.1 數(shù)字濾波器的基本概念數(shù)字濾波器的基本概念 數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號處理裝數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號處理裝置，它的輸入、輸出信號均為數(shù)字信號，數(shù)字濾波器本身是置，它的輸入、輸出信號均為數(shù)字信號，數(shù)字濾波器本身是一個線性時不變離散系統(tǒng)。數(shù)字濾波器的基本工作原理是利一個線性時不變離散系統(tǒng)。數(shù)字濾波器的基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性去改變輸入數(shù)字信號的波形或頻譜，使有用用離散系統(tǒng)特性去改變輸入數(shù)字信號的波形或頻譜，使有用信號頻率分量通過，抑制無用信號分量輸出。信號頻率分量通過，抑制無用信號分量輸出。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程

3、學(xué)院5.1.2 數(shù)字濾波器的分類數(shù)字濾波器的分類 如果按照濾波器電路中是否帶有有源器件來分，可以分為有如果按照濾波器電路中是否帶有有源器件來分，可以分為有源濾波器和無源濾波器；源濾波器和無源濾波器； 如果按照通過的頻率范圍來分，可以分為低通、高通、帶通如果按照通過的頻率范圍來分，可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器以及其它類型通帶的濾波器；和帶阻濾波器以及其它類型通帶的濾波器； 如果按照處理信號的性質(zhì)來分，可以分為模擬濾波器和數(shù)字如果按照處理信號的性質(zhì)來分，可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。濾波器。 數(shù)字濾波器又可分為有限沖激響應(yīng)（數(shù)字濾波器又可分為有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無）濾波器和無限

4、沖激響應(yīng)（限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器兩大類，其它還有按照階次、按照）濾波器兩大類，其它還有按照階次、按照何種方法逼近理想濾波器等進行的分類方法，根據(jù)不同場合何種方法逼近理想濾波器等進行的分類方法，根據(jù)不同場合有其特定含義。有其特定含義。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1.3 實際（非理想）數(shù)字濾波器的類型實際（非理想）數(shù)字濾波器的類型FIR數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器 對于對于FIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)只有零點，沖激響應(yīng)在有限數(shù)字濾波器的系統(tǒng)只有零點，沖激響應(yīng)在有限時間內(nèi)衰減為零，輸出只取決于當(dāng)前和以前的輸入值，因此時間內(nèi)衰減為零，輸出只取決于當(dāng)前和以前的輸入值，因此這一類系

5、統(tǒng)不像這一類系統(tǒng)不像IIR系統(tǒng)那樣容易取得比較好的通帶與阻帶系統(tǒng)那樣容易取得比較好的通帶與阻帶衰減特性。要想取得好的衰減特性，一般要求系統(tǒng)的單位抽衰減特性。要想取得好的衰減特性，一般要求系統(tǒng)的單位抽樣響應(yīng)截取的長度要長。其主要的優(yōu)點是：首先，樣響應(yīng)截取的長度要長。其主要的優(yōu)點是：首先，F(xiàn)IR濾波濾波器的系統(tǒng)是穩(wěn)定的；其次，器的系統(tǒng)是穩(wěn)定的；其次，F(xiàn)IR濾波器可以做到嚴(yán)格的線性濾波器可以做到嚴(yán)格的線性相移；最后，相移；最后，F(xiàn)IR系統(tǒng)允許設(shè)計多通帶（或多阻帶）的濾波系統(tǒng)允許設(shè)計多通帶（或多阻帶）的濾波器。器。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院2. IIR數(shù)字濾波器數(shù)字濾

6、波器 對于對于IIR數(shù)字濾波器，沖激響應(yīng)會無限持續(xù)（理論上），數(shù)字濾波器，沖激響應(yīng)會無限持續(xù)（理論上），輸出不僅取決于當(dāng)前和以前的輸入值，還取決于以前的輸出輸出不僅取決于當(dāng)前和以前的輸入值，還取決于以前的輸出值。值。IIR濾波器的優(yōu)點在于：它的遞歸性，可以減少存儲需濾波器的優(yōu)點在于：它的遞歸性，可以減少存儲需求，具有幅頻特性較平坦的特點，但其相位響應(yīng)非線。求，具有幅頻特性較平坦的特點，但其相位響應(yīng)非線。 常用的這幾種常用的這幾種IIR數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器。 （1）巴特沃斯（）巴特沃斯（Butterworth）濾波器）濾波器 （2）切比雪夫（）切比雪夫（Chebyshev）濾波器）濾波器 （3

7、）反切比雪夫（）反切比雪夫（Inverse Chebyshev）濾波器）濾波器 （4）橢圓（）橢圓（Elliptic）濾波器）濾波器 （5）貝塞爾（）貝塞爾（Bessel）濾波器）濾波器 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1.4 實際（非理想）數(shù)字濾波器的基本參數(shù)設(shè)置實際（非理想）數(shù)字濾波器的基本參數(shù)設(shè)置（1）濾波器類型選擇）濾波器類型選擇 首先要選擇濾波器的通過頻帶類型，即在低通、高通、首先要選擇濾波器的通過頻帶類型，即在低通、高通、帶通或帶阻濾波器中選擇一個類型。帶通或帶阻濾波器中選擇一個類型。 （2）截止頻率）截止頻率 對低通濾波只需確定上截止頻率，高通濾波只

8、需確定下對低通濾波只需確定上截止頻率，高通濾波只需確定下截止頻率，對帶通和帶阻濾波應(yīng)確定上、下截止頻率。截止頻率，對帶通和帶阻濾波應(yīng)確定上、下截止頻率。（3）采樣頻率）采樣頻率（4）濾波器的階數(shù)）濾波器的階數(shù)（5）紋波幅度）紋波幅度周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.1.5數(shù)字濾波器的選擇數(shù)字濾波器的選擇周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2 LabVIEW中的數(shù)字濾波器中的數(shù)字濾波器 LabVIEW 2011中提供了大量的濾波器函數(shù)，包括中提供了大量的濾波器函數(shù)，包括Express VI的濾波器的濾波器VI、波形調(diào)理、波形調(diào)理VI的濾波器的

9、濾波器VI和函數(shù)選板和函數(shù)選板中的濾波器中的濾波器VI三個部分。無論是三個部分。無論是IIR濾波器還是濾波器還是FIR濾波器都濾波器都可實現(xiàn)，可傳遞的信號數(shù)據(jù)類型也包括波形信號和數(shù)組信號可實現(xiàn)，可傳遞的信號數(shù)據(jù)類型也包括波形信號和數(shù)組信號兩種，可供用戶靈活調(diào)用。兩種，可供用戶靈活調(diào)用。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2.1 Express VI的濾波器的濾波器VI Express VI中的濾波器中的濾波器VI設(shè)置了針對所有類型的濾波器設(shè)置了針對所有類型的濾波器選項，位于程序框圖窗口中的選項，位于程序框圖窗口中的“函數(shù)選函數(shù)選板板”“Express”“信號分析信號

10、分析”“濾波器濾波器” 。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2.2 波形調(diào)理波形調(diào)理VI的濾波器的濾波器VI 波形調(diào)理波形調(diào)理VI中的濾波器中的濾波器VI處于處于“函數(shù)選板函數(shù)選板”“信號信號處理處理”“波形調(diào)理波形調(diào)理”子函數(shù)選板中，包括數(shù)字子函數(shù)選板中，包括數(shù)字FIR濾波器濾波器和數(shù)字和數(shù)字IIR濾波器。波形濾波器濾波器。波形濾波器VI和和Express 濾波器濾波器VI的一的一個重要區(qū)別是兩者的參數(shù)設(shè)置方式不同，波形濾波器個重要區(qū)別是兩者的參數(shù)設(shè)置方式不同，波形濾波器VI使使用接線端口方式進行設(shè)置參數(shù)，而用接線端口方式進行設(shè)置參數(shù)，而Express 濾波器濾波

11、器VI使用配使用配置對話框進行設(shè)置參數(shù)；另一個區(qū)別是置對話框進行設(shè)置參數(shù)；另一個區(qū)別是Express 濾波器濾波器VI只只能是一個濾波器對一個輸入信號進行濾波處理，而波形濾波能是一個濾波器對一個輸入信號進行濾波處理，而波形濾波器器VI可以擴展至對個不同特性的濾波器對多個不同的信號可以擴展至對個不同特性的濾波器對多個不同的信號進行處理，因此增加了進行處理，因此增加了VI的靈活性，在進行信號濾波處理的靈活性，在進行信號濾波處理時可以減少程序的大小，增加程序的可讀性。時可以減少程序的大小，增加程序的可讀性。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.2.3 函數(shù)選板的濾波器函數(shù)選板

12、的濾波器VI 函數(shù)選板中的數(shù)字濾波器子函數(shù)選板提供了多種常用的濾函數(shù)選板中的數(shù)字濾波器子函數(shù)選板提供了多種常用的濾波器，并且提供了設(shè)計波器，并且提供了設(shè)計FIR和和IIR濾波器的濾波器的VI，使用起來非常，使用起來非常方便，只需要輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可。方便，只需要輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.3 FIR濾波器設(shè)計濾波器設(shè)計 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法主要是建立在對理想濾波器數(shù)字濾波器的設(shè)計方法主要是建立在對理想濾波器頻率特性作某種近似的基礎(chǔ)上，這些近似方法有窗函數(shù)法、頻率特性作某種近似的基礎(chǔ)上，這些近似方法有窗函數(shù)法、頻率抽樣法及最佳

13、一致逼近法等。前面第一節(jié)的相關(guān)內(nèi)容已頻率抽樣法及最佳一致逼近法等。前面第一節(jié)的相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)講述過設(shè)計經(jīng)講述過設(shè)計FIR濾波器的方法主要有兩種，一種方法是定濾波器的方法主要有兩種，一種方法是定義好需要的幅度響應(yīng)，然后求其義好需要的幅度響應(yīng)，然后求其FFT逆變換，再將所得的時逆變換，再將所得的時域信號加窗。這種方法的優(yōu)點是簡單，但是效率不高，定義域信號加窗。這種方法的優(yōu)點是簡單，但是效率不高，定義困難。另一種方法是使用困難。另一種方法是使用Parks-McClellan算法將加權(quán)后的紋算法將加權(quán)后的紋波均勻分配到通帶和阻帶中，并且頻率響應(yīng)擁有陡峭的過渡波均勻分配到通帶和阻帶中，并且頻率響應(yīng)擁有陡峭

14、的過渡帶。這種方法的缺點方法復(fù)雜，設(shè)計周期長。帶。這種方法的缺點方法復(fù)雜，設(shè)計周期長。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.4 巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器 巴特沃斯濾波器是一種著名的濾波器，可以設(shè)置為高通、巴特沃斯濾波器是一種著名的濾波器，可以設(shè)置為高通、低通、帶通和帶阻四種類型，并且可以為每一種類型設(shè)置其低通、帶通和帶阻四種類型，并且可以為每一種類型設(shè)置其截止頻率。截止頻率。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.5 切比雪夫濾波器切比雪夫濾波器 切比雪夫濾波器也是一種常見的濾波器，與巴特沃斯濾波切比雪夫濾波器也是一種常見的濾波器，與巴特沃斯

15、濾波器類似，也可以設(shè)置為高通、低通、帶通和帶阻四種類型，器類似，也可以設(shè)置為高通、低通、帶通和帶阻四種類型，并且可以為每一種類型設(shè)置其截止頻率。并且可以為每一種類型設(shè)置其截止頻率。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.6 反切比雪夫濾波器反切比雪夫濾波器 反切比雪夫濾波器也是一種常見的濾波器，也稱為切比反切比雪夫濾波器也是一種常見的濾波器，也稱為切比雪夫雪夫型濾波器，也可以設(shè)置為高通、低通、帶通和帶阻四型濾波器，也可以設(shè)置為高通、低通、帶通和帶阻四種類型，并且可以為每一種類型設(shè)置其截止頻率。種類型，并且可以為每一種類型設(shè)置其截止頻率。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)

16、院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.7 橢圓濾波器橢圓濾波器 與相同階數(shù)的巴特沃斯和切比雪夫濾波器相比，橢圓濾與相同階數(shù)的巴特沃斯和切比雪夫濾波器相比，橢圓濾波器在通帶和阻帶之間的過渡帶最為陡峭，因此橢圓濾波器波器在通帶和阻帶之間的過渡帶最為陡峭，因此橢圓濾波器有很廣泛的應(yīng)用。有很廣泛的應(yīng)用。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.8 貝塞爾濾波器貝塞爾濾波器 貝塞爾濾波器就是用貝塞爾多項式作逼近函數(shù)的濾波器，貝塞爾濾波器就是用貝塞爾多項式作逼近函數(shù)的濾波器，用戶可以使用貝塞爾濾波器來減小用戶可以使用貝塞爾濾波器來減小IIR濾波器固有的非線性相濾波器固有的非線性相位畸變。位畸

17、變。IIR濾波器的階數(shù)越高，過渡帶越陡峭，非線性相位濾波器的階數(shù)越高，過渡帶越陡峭，非線性相位畸變就越明顯。貝塞爾濾波器必須通過提高階數(shù)來減小峰值畸變就越明顯。貝塞爾濾波器必須通過提高階數(shù)來減小峰值誤差，因此它的應(yīng)用范圍是有限的。誤差，因此它的應(yīng)用范圍是有限的。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.9 中值濾波器中值濾波器 中值濾波是從數(shù)據(jù)中取中間值的一種方法。系統(tǒng)在運行中值濾波是從數(shù)據(jù)中取中間值的一種方法。系統(tǒng)在運行中中 先對某一被測量連續(xù)進行先對某一被測量連續(xù)進行N次采樣（次采樣（N通常為奇數(shù)），然通常為奇數(shù)），然后把采樣值從小到大依次排列，取出最中間的這一個值作

18、為后把采樣值從小到大依次排列，取出最中間的這一個值作為本次的采樣值。這種濾波方法能有效地抑制儀表元件不穩(wěn)定本次的采樣值。這種濾波方法能有效地抑制儀表元件不穩(wěn)定引起的誤碼脈沖干擾和偶然因素引起的波動干擾。對溫度和引起的誤碼脈沖干擾和偶然因素引起的波動干擾。對溫度和液位等緩慢的被測量具有良好的濾波效果，但對快點的壓力液位等緩慢的被測量具有良好的濾波效果，但對快點的壓力和流量等被測量，一般不采用此種方法，因為運算量大，占和流量等被測量，一般不采用此種方法，因為運算量大，占用系統(tǒng)資源較多，速度較慢。用系統(tǒng)資源較多，速度較慢。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.10 自適應(yīng)濾波

19、器自適應(yīng)濾波器5.10.1自適應(yīng)濾波器概述自適應(yīng)濾波器概述 自適應(yīng)濾波器（自適應(yīng)濾波器（A Daptive Filter）實際上是一種能夠自）實際上是一種能夠自動調(diào)整本身參數(shù)的特殊維納濾波器動調(diào)整本身參數(shù)的特殊維納濾波器, 在設(shè)計時不需要預(yù)先知道在設(shè)計時不需要預(yù)先知道關(guān)于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計特性，它能夠在工作過程中逐步關(guān)于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計特性，它能夠在工作過程中逐步“了解了解”或估計出所需要的統(tǒng)計特性，并以此為依據(jù)自動調(diào)或估計出所需要的統(tǒng)計特性，并以此為依據(jù)自動調(diào)整自身的參數(shù)，以達到最佳濾波效果。整自身的參數(shù)，以達到最佳濾波效果。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院5.10.2自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)原理及算法自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)原理及算法周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院（1）最早的自適應(yīng)濾波算法是最小均方誤差（）最早的自適應(yīng)濾波算法是最小均方誤差（LMS）算法）算法 （2）另一類重要的自適應(yīng)算法是最小二乘（