畢業(yè)論文-基于labview的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于LabVIEW的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要III</b></p><p&

2、gt;　　AbstractIV</p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1.1 課題研究意義5</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況6</p><p>　　1.3 課題研究?jī)?nèi)容7</p><p>　　第二章 虛擬儀器及LabVIEW8&l

3、t;/p><p><b>　　2.1 引言8</b></p><p>　　2.2 虛擬儀器8</p><p>　　2.2.1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成8</p><p>　　2.2.2 虛擬儀器的特點(diǎn)9</p><p>　　2.2.3 虛擬儀器發(fā)展?fàn)顩r9</p><p

4、>　　2.3 LabVIEW簡(jiǎn)介10</p><p>　　2.3.1 LabVIEW發(fā)展概況10</p><p>　　2.3.2 LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境11</p><p>　　2.3.3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.3.4 LabVIEW程序運(yùn)算形式12</p><p

5、>　　第三章 數(shù)字濾波器理論研究14</p><p>　　3.1 前言14</p><p>　　3.2 數(shù)字濾波器的定義和分類(lèi)15</p><p>　　3.3 IIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)15</p><p>　　3.4 FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.5 IIR與FIR數(shù)字濾波器

6、的比較21</p><p>　　第四章 基于LabVIEW的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思路23</p><p>　　4.2 雙通信號(hào)源的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.1 正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.2 方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)24&l

7、t;/p><p>　　4.2.3 三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.2.4 均勻白噪聲、脈沖函數(shù)和沖擊函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.2.5 雙通信號(hào)源的前面板設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.6 雙通道信號(hào)源的程序框圖設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

8、理念30</p><p>　　4.3.1 巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.3.2 切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.3.3 窗函數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.3.4 數(shù)字濾波器的前面板設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.3.5 數(shù)字濾波器的程序設(shè)計(jì)34

9、</p><p>　　4.4 程序測(cè)試36</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望41</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　致謝43</b></p><p>　　基于LabVIEW的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)</p>&

10、lt;p><b>　　摘要</b></p><p>　　由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，我們正處在數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注，其理論及算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步得到了飛速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)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。數(shù)字濾波器是數(shù)字

11、信號(hào)分析中重要的組成部分,數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比具有準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性高, 系統(tǒng)函數(shù)容易改變, 靈活性高, 不存在阻抗匹配問(wèn)題,便于大規(guī)模集成, 可實(shí)現(xiàn)多位濾波等優(yōu)點(diǎn), 因而數(shù)字濾波器在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是, 應(yīng)用文本軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器在使用過(guò)程中存在難以調(diào)整濾波系數(shù)、與硬件接口程序、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等不足。LabVIEW 是圖形化開(kāi)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

12、上也不遜于任何高級(jí)語(yǔ)言。本文對(duì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中選擇了開(kāi)放式的LabVIEW軟件, 設(shè)計(jì)交互式界面可以有效地解決以上提到的一些問(wèn)題。</p><p>　　本文中系統(tǒng)是基于LabVIEW而編寫(xiě)的，整個(gè)系統(tǒng)是由信號(hào)發(fā)生模塊和數(shù)字濾波模塊兩部分組成。信號(hào)發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生正弦波和方波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并且在特定的條件下可以進(jìn)行信號(hào)分離或者疊加。數(shù)字濾波模塊分為濾波模塊，波形顯示模塊和幅頻、相頻響應(yīng)顯示模塊主要是對(duì)輸入離散信號(hào)的

13、數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；數(shù)字濾波器；虛擬儀器；LabVIEW</p><p>　　Design Of Digital Filter Based On LabVIEW</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As electronic techno

14、logy, computer technology, rapid development, we are in the digital age, digital signal processing technology has been widespread concern about the theory and algorithm with the computer and microelectronics technology h

15、as been rapid progress in the development of widely used in speech image processing, digital communications, spectral analysis, pattern recognition, automatic control and other fields. Digital filter is a digital signal

16、processing systems is one of the most im</p><p>　　Keywords: Digital Signal Process, Digital Filter, Virtual Instrument, LabVIEW</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研

17、究意義</p><p>　　幾乎在所有的工程技術(shù)領(lǐng)域中都會(huì)涉及到信號(hào)的處理問(wèn)題，其信號(hào)表現(xiàn)形式有電、磁、機(jī)械以及熱、光、聲等。信號(hào)處理的目的一般是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、綜合、估值與識(shí)別等。如何在較強(qiáng)的噪聲背景下提取出真正的信號(hào)或信號(hào)的特征，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際是信號(hào)處理的首要任務(wù)。根據(jù)處理對(duì)象的不同，信號(hào)處理技術(shù)分為模擬信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理(Digital signal Processin

18、g，DSP)與模擬信號(hào)處理相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如相對(duì)于溫度和工藝的變化數(shù)字信號(hào)要比模擬信號(hào)更穩(wěn)健，在數(shù)字表示中，精度可以通過(guò)改變信號(hào)的字長(zhǎng)來(lái)更好地控制，所以DSP技術(shù)可以在放大信號(hào)的同時(shí)去除噪聲和干擾，而在模擬信號(hào)中信號(hào)和噪聲同時(shí)被放大，數(shù)字信號(hào)還可以不帶誤差地被存儲(chǔ)和恢復(fù)、發(fā)送和接收、處理和操縱。許多復(fù)雜的系統(tǒng)可以用高精度、大信噪比和可重構(gòu)的數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　目前，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成

19、熟的技術(shù)，并且在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐步代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)，如通訊、系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)、故障檢測(cè)、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)化儀器、航空航天、鐵路、生物醫(yī)學(xué)工程、雷達(dá)、聲納、遙感遙測(cè)等。</p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理中一個(gè)非常重要且應(yīng)用普遍的技術(shù)就是數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，是指其輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含的頻率成分的相對(duì)比例或?yàn)V除某些頻率成分，達(dá)到提取和加強(qiáng)信號(hào)中的有用成份，消弱無(wú)用的

20、干擾成份的目的。數(shù)字濾波與模擬濾波相比，有精度高、可靠性高、靈活性好等突出優(yōu)點(diǎn)，可以滿足對(duì)幅度和相位的嚴(yán)格要求，還能降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，縮短研制到應(yīng)用的時(shí)間，在很多領(lǐng)域逐步代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)系統(tǒng)。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量領(lǐng)域中需要不斷更新測(cè)量設(shè)備，以滿足越來(lái)越高的測(cè)量要求。在我國(guó)，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前有大批陳舊的測(cè)試儀器等待更新。這些儀器的測(cè)量精度和可靠性均低于國(guó)外，并且自動(dòng)化程度較低

21、。高檔儀器基本上依靠國(guó)外進(jìn)口，每年都消耗國(guó)家大量外匯。然而，花大量資金購(gòu)買(mǎi)的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，同時(shí)有些其他應(yīng)用的功能要求，該儀器卻滿足不了。這些情況無(wú)疑是大大浪費(fèi)了投資。設(shè)想要是能將儀器稍微改動(dòng)以實(shí)現(xiàn)更大的使用范圍該多好。但是這對(duì)于傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)是非常困難的。虛擬儀器的出現(xiàn)，可能將徹底改變這種局面。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　20世

22、紀(jì)60年代起，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉等方向努力，其中高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致數(shù)字濾波器、RC有源濾波器、開(kāi)關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展。到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成己被研制出來(lái)并得到應(yīng)用，90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類(lèi)濾波器應(yīng)用于各類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的

23、研究仍在不斷進(jìn)行。如今由于虛擬儀器概念的產(chǎn)生再一次使數(shù)字濾波器發(fā)展進(jìn)入新的階段。</p><p>　　虛擬儀器的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments Corp，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)于1986年提出的。80年代以來(lái)，NI公司研制和推出了許多總線系統(tǒng)的虛擬式儀器，成為這類(lèi)新型儀器世界第一生產(chǎn)大戶。此后，美國(guó)的惠普(HP)公司，Tektronix公司，Racal公司等也相繼推出了許多此類(lèi)儀器，并在短

24、短的20年左右的時(shí)間里占有了世界儀器市場(chǎng)的20%以上[1]。虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以NI公司為代表的一批廠商己經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。</p><p>　　在美國(guó)，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門(mén)必修課程。美國(guó)的斯坦福大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初葉，世界

25、虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過(guò)千家，其品種將達(dá)到數(shù)千種，市場(chǎng)占有率將達(dá)到50%左右。虛擬儀器將成為本世紀(jì)儀器發(fā)展的方向，而且有逐步取代傳統(tǒng)硬件化電子儀器的趨勢(shì) [2] 。經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展，而今虛擬儀器技術(shù)正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)圖形化和硬件模塊的即插即用方向前進(jìn)，以開(kāi)放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的先進(jìn)儀器將層出不窮，

26、價(jià)格也會(huì)越來(lái)越低，使用虛擬儀器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試將成為一種趨勢(shì)，同樣，虛擬儀器及技術(shù)也將成為學(xué)校未來(lái)教學(xué)科研的重要方法和手段，特別是在理工科學(xué)校其應(yīng)用前景非常廣闊。虛擬儀器可以取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類(lèi)儀器，“沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)?！碧摂M儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的</p><p>　　1.3 課題研究?jī)?nèi)容</p><

27、;p>　　本文主要對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行深入的了解，通過(guò)查閱書(shū)籍和資料學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法及其所能完成的基本功能。數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法主要有無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(IIR)和有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(FIR)兩種，其中，F(xiàn)IR濾波器由有限個(gè)采樣值組成，而IIR濾波器需要執(zhí)行無(wú)限次卷積。然后主要是數(shù)字濾波器的理論研究。從原理上理解、分析、研究數(shù)字濾波器，并在LabVIEW虛擬儀器圖形編程語(yǔ)言軟件上進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。</p>

28、;<p>　　本文就LabVIEW實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波器，主要完成的任務(wù)有:</p><p>　　研究數(shù)字濾波器的基本理論、實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論，掌握各種數(shù)字濾波器的原理和特性。為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器奠定理論基礎(chǔ)。</p><p>　　在LabVIEW軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波器，并研究各種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　

29、通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字濾波器，運(yùn)用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，比較結(jié)果，得出虛擬數(shù)字濾波器和傳統(tǒng)儀器的差別。</p><p>　　第2章 虛擬儀器及LabVIEW</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，被稱(chēng)為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬技術(shù)被稱(chēng)作為三大核心技術(shù)之首

30、，足見(jiàn)它在廣義上已經(jīng)不僅是一種技術(shù)，而是一個(gè)有著影響人類(lèi)社會(huì)發(fā)展、改變?nèi)祟?lèi)生活的具有深層含義的領(lǐng)域。早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments Corp，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)首先提出了虛擬儀器的概念。它以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，配以相應(yīng)測(cè)試功能的硬件作為信號(hào)輸入輸出的接口，利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（如LabVIEW，LabWindows等），在計(jì)算機(jī)屏幕上虛擬出儀器的面板（包括顯示器、指示器、旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鍵等）以及相

31、應(yīng)的功能。由于傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)備一般只能獨(dú)立完成一項(xiàng)具體的測(cè)控任務(wù)和功能，而在虛擬測(cè)試平臺(tái)上通過(guò)接收多個(gè)傳感器信號(hào)，對(duì)應(yīng)編制不同的應(yīng)用軟件可以完成多種測(cè)控功能。因此虛擬測(cè)控平臺(tái)是一個(gè)多輸入多輸出的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它可以將多種傳統(tǒng)測(cè)控設(shè)備集中于一套系統(tǒng)中，同時(shí)他的開(kāi)放性與靈活性能使之與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展。</p><p><b>　　2.2 虛擬儀器</b></p><p>

32、　　2.2.1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成方式上講，則由以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，或以GPIB,VXI,Serial和Field bus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。無(wú)論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺(tái)式微機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用

33、軟件而構(gòu)成的。因此，軟件是關(guān)鍵，儀器的各種功能是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。虛擬儀器的構(gòu)成方式如圖2.1所示 [3] ：</p><p>　　圖2.1 虛擬儀器的構(gòu)成方式</p><p>　　2.2.2 虛擬儀器的特點(diǎn)</p><p>　　計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，代表了儀器儀表的發(fā)展方向。虛擬儀器與傳統(tǒng)的儀器相比較，其優(yōu)越性可從虛擬儀器本身所具有的特點(diǎn)充分體現(xiàn)

34、出來(lái)。具有較強(qiáng)的靈活性，能充分的利用發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)，是一起的測(cè)量、測(cè)試及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得方便快捷；虛擬儀器是死的但是人們能夠根據(jù)自己的需求和設(shè)計(jì)，通過(guò)編程來(lái)設(shè)計(jì)組建自己的儀器系統(tǒng)而不受儀器廠商的限制；虛擬儀器融合了測(cè)試?yán)碚摚瑑x器原理和技術(shù)，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)以及圖形化軟件編程技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了儀器的多樣化、智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化，體現(xiàn)了多功能，低消耗，低成本，靈活應(yīng)用，操作方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。</p><p

35、>　　2.2.3 虛擬儀器發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　虛擬儀器的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments Corp，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)于1986年提出的。此后，NI公司研制和推出了許多總線系統(tǒng)的虛擬式儀器，成為這類(lèi)新型儀器世界第一生產(chǎn)大戶。近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟

36、件。最早和最具影響的開(kāi)發(fā)軟件，是NI公司的LabVIEW軟件和LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)軟件。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的、在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開(kāi)發(fā)環(huán)境。</p><p>　　虛擬儀器在我國(guó)是一門(mén)新技術(shù)，才剛剛起步，所以其應(yīng)用還不是十分廣泛，但它代表了先進(jìn)最新高科技。專(zhuān)家預(yù)測(cè)：未來(lái)的幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)將有大批企

37、業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)，不斷完善中，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子設(shè)備和技術(shù)向集成化、數(shù)字化和高速化方向發(fā)展，而在學(xué)校特別是大學(xué)中，已經(jīng)開(kāi)設(shè)了一些相關(guān)課程，一些陳舊的、價(jià)格昂貴的儀器將被虛擬儀器替代。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。</p><p>　　2.3 LabVIEW簡(jiǎn)介</p>

38、<p>　　LabVIEW全稱(chēng)是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，是美國(guó)NI（National Instruments）公司推出的一種基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，自1986年問(wèn)世第一個(gè)版本依賴(lài)，就以其圖形化的編程理念在工程業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。LabVIEW是一個(gè)具有革命性的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的復(fù)

39、雜性，從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，LabVIEW都得到了廣泛的應(yīng)用。由于LabVIEW采用勒?qǐng)D形化的編程方法，因此LabVIEW又被稱(chēng)為G語(yǔ)言（Graphical Programing Language）。它有別于基于文本語(yǔ)言的線性結(jié)構(gòu)。在LabVIEW中執(zhí)行程序的順序是由模塊之間的數(shù)據(jù)流決定的，而不是傳統(tǒng)文本語(yǔ)言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行的方式[5]。</p><p>　　2.3.1 L

40、abVIEW發(fā)展概況</p><p>　　自1986年1.0版本問(wèn)世至今已升級(jí)到LabVIEW 2010版本。LabVIEW是一種新的測(cè)量方法，是虛擬測(cè)量的先驅(qū)。</p><p>　　在LabVIEW中，備有用于試驗(yàn)和測(cè)量的工具，是以建立名為VI的工具的形式，取代歷來(lái)以文本為主的程序編制過(guò)程。LabVIEW由前面板、方框圖及圖標(biāo)/接插件構(gòu)成;前面板是同用戶之間的界面；開(kāi)發(fā)人員可以利用Lab

41、VIEW中備有的各種對(duì)象，將自己的設(shè)想在計(jì)算機(jī)的顯示畫(huà)面上表現(xiàn)出來(lái)。</p><p>　　LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)的程序稱(chēng)為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)，因?yàn)樗耐庑秃筒僮鞣绞娇梢阅M實(shí)際的儀器。實(shí)際上，VI類(lèi)似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的函數(shù)或子程序。虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)，它代表了未來(lái)儀器的發(fā)展方向。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測(cè)試儀器，開(kāi)發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)；測(cè)試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得

42、到充分保證；具有很高的性能價(jià)格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換和擴(kuò)充 [6]。</p><p>　　2.3.2 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　LabVIEW軟件區(qū)別于其他的文本編程語(yǔ)言，它采用的是一種非常直觀的圖形化的編程方法，用戶只要懸著代表一起功能的圖形模塊，再用數(shù)據(jù)線和控制線按模塊連線要求進(jìn)行連接，通過(guò)運(yùn)行和調(diào)試，即可完成所需的程序設(shè)計(jì)。</p>

43、<p>　　LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境如下：</p><p>　　文件I/O：電子表格，二進(jìn)制，ASCⅡ碼等。</p><p>　　儀器控制：GPIB，VXI，SERIAL，PLC，CAMAC等600多種儀器驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　　控件與指示器：旋鈕，開(kāi)關(guān)，LED，滑塊，數(shù)顯，計(jì)量器，刻度盤(pán)，旋鈕，水槽，溫度表，文本框。</p><

44、p>　　數(shù)據(jù)采集：DAQ，單點(diǎn)輸入/輸出，TTL/CMOS輸入/輸出，數(shù)字握手，圖像采集。</p><p>　　開(kāi)放性連接：Nternet，SQL，TCP/IP，ActiveX，DDE等。</p><p>　　數(shù)字分析：信號(hào)發(fā)生，信號(hào)處理，圖像處理，曲線擬合，統(tǒng)計(jì)等。</p><p>　　程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：While Loops，F(xiàn)or Loop，Case機(jī)構(gòu)，順

45、序結(jié)構(gòu)，基于文本的公式節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　程序設(shè)計(jì)原則：算術(shù)，字符串，布爾運(yùn)算，多數(shù)據(jù)類(lèi)型結(jié)構(gòu)，子程序。</p><p>　　程序調(diào)試：斷點(diǎn)，探針，單步執(zhí)行，幫助窗口，在線幫助等。</p><p>　　2.3.3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)</p><p>　　LabVIEW程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如下：</p><p

46、><b>　　層次化結(jié)構(gòu)：</b></p><p>　　LabVIEW是模塊化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用戶可以把一個(gè)VI程序創(chuàng)建成自己的一個(gè)圖標(biāo)接口（即VI子程序），然后被其他VI程序所調(diào)用。用這種方法可設(shè)計(jì)出一個(gè)有層次關(guān)系的VIs或者子VIs，而且調(diào)用階數(shù)是無(wú)限制的。</p><p><b>　　并行工作：</b></p><p

47、>　　LabVIEW是一個(gè)多任務(wù)的軟件系統(tǒng)，當(dāng)創(chuàng)建具有同步工作的程序模塊時(shí)，就可交互的運(yùn)行并行VIs程序。</p><p><b>　　常規(guī)語(yǔ)法結(jié)構(gòu)：</b></p><p>　　While Loops，F(xiàn)or Loops，Case結(jié)構(gòu)，順序結(jié)構(gòu)等。</p><p>　　基于文本的公式節(jié)點(diǎn)（Formula Node）：</p>

48、<p>　　公式節(jié)點(diǎn)是一種用于書(shū)寫(xiě)數(shù)學(xué)公式的文本編輯框。</p><p>　　CIN節(jié)點(diǎn)（code interface node）：</p><p>　　代碼接口CIN技術(shù)是在LabVIEW中調(diào)用C源代碼的通用方法。</p><p>　　2.3.4 LabVIEW程序運(yùn)算形式</p><p>　　利用LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)

49、的計(jì)算，處理，一定要對(duì)其運(yùn)算形式有一定的理解?？偟膩?lái)說(shuō)，其運(yùn)算形式主要有以下幾種[7]：</p><p><b>　　模塊化圖標(biāo)運(yùn)算：</b></p><p>　　LabVIEW中的圖標(biāo)/連接口表示一定的函數(shù)功能，將若干個(gè)圖標(biāo)/連接口組合起來(lái)就可進(jìn)行有關(guān)運(yùn)算，如算術(shù)、布爾邏輯、比較和數(shù)組運(yùn)算、數(shù)值運(yùn)算等；</p><p><b>　　

50、公式運(yùn)算：</b></p><p>　　使用公式節(jié)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)學(xué)公式。公式節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)公式表達(dá)式，各公式之間用分號(hào)“；”隔開(kāi)。公式表達(dá)式使用了一種類(lèi)似于大多數(shù)基于文本編程語(yǔ)言（如BASIC語(yǔ)言）的算術(shù)表達(dá)式的語(yǔ)法。如圖所示為利用一個(gè)“For循環(huán)”和“公式節(jié)點(diǎn)”來(lái)連續(xù)產(chǎn)生兩個(gè)變化的輸出數(shù)y1和y2，并在同一個(gè)圖標(biāo)中顯示出來(lái)，以此來(lái)體現(xiàn)“公式節(jié)點(diǎn)”節(jié)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)學(xué)公式的應(yīng)用，如圖2.3所示：</p&g

51、t;<p>　　圖2.3 公式節(jié)點(diǎn)運(yùn)算</p><p>　　使用集成庫(kù)的功能子模塊完成運(yùn)算</p><p>　　LabVIEW中集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富實(shí)用的數(shù)值分析，數(shù)字信號(hào)處理功能。用戶不需了解有關(guān)運(yùn)算就能直接使用這些功能子模塊，這對(duì)于編程工作來(lái)說(shuō)可以節(jié)省大量的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。</p><p>　　第3章 數(shù)字濾波器理論研究</p&

52、gt;<p><b>　　3.1 前言</b></p><p>　　濾波器是指用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的硬件或軟件。如果濾波器的輸入、輸出都是離散時(shí)間信號(hào)，則該濾波器的沖激響應(yīng)也必然離散，這樣的濾波器定義為數(shù)字濾波器。</p><p>　　數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理的各種應(yīng)用中發(fā)揮著十分重要的作用，它是通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理來(lái)達(dá)到頻域?yàn)V波的目的

53、。數(shù)字濾波器是提取有用信息非常重要、非常靈活的方法，是現(xiàn)代信號(hào)處理的重要內(nèi)容。因而在數(shù)字通信、語(yǔ)音圖象處理、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。相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒(méi)有漂移，能夠處理低頻信號(hào)，頻率響應(yīng)特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以達(dá)到很高，容易集成等，這些優(yōu)勢(shì)決定了數(shù)字濾波器的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。</p><p>　　相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)[8]：<

54、/p><p>　　精度高：模擬電路中元件的精度很難達(dá)到10-3以上，而數(shù)字系統(tǒng)17位字長(zhǎng)就可以達(dá)到10-5精度。因此在一些精度要求很高的濾波系統(tǒng)中，就必須采用數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　靈活性大：數(shù)字濾波器的性能主要取決于乘法器的各系數(shù)，而這些系數(shù)是存放在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的，只要改變存儲(chǔ)器存放的系數(shù)，就可以得到不同的系統(tǒng)，這些都比改變模擬濾波器系統(tǒng)的特性要容易和方便的多，因而具有很大的

55、靈活性。</p><p>　　可靠性高：因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)電平信號(hào)“0”和“1”，受噪聲及環(huán)境條件的影響小，而模擬濾波器各個(gè)參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影響。并且數(shù)字濾波器多采用大規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路的故障率遠(yuǎn)比眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)的故障率低。</p><p>　　易于大規(guī)模集成：數(shù)字部件具有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產(chǎn)，且數(shù)字濾波器電路主

56、要工作在截止或飽和狀態(tài)，對(duì)電路參數(shù)要求不嚴(yán)格，因此產(chǎn)品的成品率高，價(jià)格也日趨降低。相對(duì)于模擬濾波器，數(shù)字濾波器在體積、重量和性能方面的優(yōu)勢(shì)己越來(lái)越明顯。</p><p>　　3.2 數(shù)字濾波器的定義和分類(lèi)</p><p>　　數(shù)字濾波器是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。因此，數(shù)字濾波器本身既可以是用

57、數(shù)字硬件裝配成的一臺(tái)完成給定運(yùn)算的專(zhuān)用的數(shù)字計(jì)算機(jī)，也可以將所需要的運(yùn)算編成程序，讓通用計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能越來(lái)越受到人們的注意和廣泛的應(yīng)用。從數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)來(lái)看，可以分為兩大類(lèi)：有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器和無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器。濾波器按功能上分可以分為：低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF

58、)、帶阻濾波器(BSF)。</p><p>　　3.3 IIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)</p><p>　　無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p><b>　　對(duì)應(yīng)的差分方程為：</b></p><p><b>

59、;　　(3.2)</b></p><p>　　其中y(n)由兩部分構(gòu)成：第一部分是一個(gè)對(duì)輸入x(n)的M節(jié)延時(shí)鏈結(jié)構(gòu)，每節(jié)延時(shí)抽頭后加權(quán)相加；第二部分是一個(gè)對(duì)y(n)的延時(shí)抽頭后權(quán)相加，因此是一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為直接型I，如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 直接型I結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　將上式改寫(xiě)為(當(dāng)M=N的情況)：<

60、;/p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　由此H（z）可視為分子多項(xiàng)式與的分母多項(xiàng)式倒數(shù)所構(gòu)成的兩個(gè)子系統(tǒng)函數(shù)的乘積，這相應(yīng)于兩個(gè)子系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)。</p><p>　　其中第一子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)為：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p&g

61、t;<b>　　故得：</b></p><p><b>　　(3.5)</b></p><p><b>　　其時(shí)域表示為：</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　第二子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)為：</p><p

62、><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　整理以后可得：</b></p><p><b>　　(3.8)</b></p><p><b>　　其時(shí)域表示為：</b></p><p><b>　　(3.9)</b&g

63、t;</p><p>　　綜上所述，可以得到如圖3.2的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3.2 直接型I的變形結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　如果將圖3.2中相同輸出的延遲單元合并成一個(gè)，則得到如圖3.3所示的結(jié)構(gòu)圖，它比上圖的延遲單元少了一倍，N階濾波器只需要N級(jí)延遲單元，這是實(shí)現(xiàn)N階濾波器所必須的最少數(shù)量的延遲單元。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為直接型II，有時(shí)將直接型I簡(jiǎn)稱(chēng)

64、為直接型，將直接型II稱(chēng)為典型型式。</p><p>　　圖3.3 直接型II結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　線性信號(hào)流圖理論中有許多運(yùn)算處理方法，可以在保持輸入和輸出之間的傳輸關(guān)系不變的情況下，將信號(hào)流圖變換成各種不同的形式。其中流圖轉(zhuǎn)置的方法可導(dǎo)出一種轉(zhuǎn)置濾波器結(jié)構(gòu)，具體地講，就是把網(wǎng)絡(luò)中所有支路的方向都顛倒反向，且輸入輸出的位置互相調(diào)換一下。對(duì)于單輸入輸出系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，倒轉(zhuǎn)后的結(jié)構(gòu)和原

65、結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)函數(shù)相同，但對(duì)有限字長(zhǎng)而言，轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同。</p><p>　　直接型I、II結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀。它們的共同缺點(diǎn)是：系數(shù)ak、br對(duì)濾波器性能的控制關(guān)系不直接，調(diào)整不方便。更嚴(yán)重的是這種結(jié)構(gòu)的極點(diǎn)位置靈敏度太大，對(duì)字長(zhǎng)效應(yīng)太敏感，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，產(chǎn)生較大誤差[9]。</p><p>　　直接型結(jié)構(gòu)存在上述缺點(diǎn)，一般采用以下結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)越性。</p>

66、<p>　　將式中的分子分母表達(dá)為因子的形式，即：</p><p><b>　　(3.10)</b></p><p>　　式中A為歸一化常數(shù)。由于系統(tǒng)函數(shù)H (z)的系數(shù)ak、br都是實(shí)系數(shù)，故零、極點(diǎn)cr、dk只有兩種情況：或者是實(shí)根，或者是共軛復(fù)根。即：</p><p><b>　　(3.11)</b>&l

67、t;/p><p>　　由上式可知M=M1+2M2，N=N1+2N2，gi表示實(shí)零點(diǎn)，pi表示實(shí)極點(diǎn)。</p><p>　　3.4 FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)</p><p>　　有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：</p><p><b>　　(3.12)</b></p><p><b>　　

68、其差分方程為：</b></p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　其基本結(jié)構(gòu)型式有以下幾種：</p><p>　　由上式可以得出如下圖3.4所示的直接型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又可以稱(chēng)為卷積型結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3.4 FIR濾波器直接型結(jié)構(gòu)圖</p><p&

69、gt;　　將轉(zhuǎn)置理論應(yīng)用于上圖可以得到圖3.5所示的轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖3.5 FIR濾波器轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　將式中的系統(tǒng)函數(shù)H (z)分解成若干一階和二階多項(xiàng)式的連乘積：</p><p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　則可構(gòu)成如圖3.6(a)所示的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)。

70、其中，H1k(z)=a0k（1）+ a1k（1）z-1為一階節(jié)；H2k(z)=a0k（2）+ a1k（2）z-1+ a2k（2）z-2為二階節(jié)。每個(gè)一階節(jié)、二階節(jié)可用上圖所示的直接型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)M1=M2=1時(shí)，即可得到下圖(b)所示的具體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的每一節(jié)都便于控制零點(diǎn)，在需要控制傳輸零點(diǎn)時(shí)可以采用。但是它所需要的系數(shù)a比直接型的h (n)多，所需要的乘法運(yùn)算也比直接型多。</p><p>　　(a) a

71、級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(b) b級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖3.6 FIR級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)構(gòu)成</p><p>　　3.5 IIR與FIR數(shù)字濾波器的比較</p><p>　　IIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)可以位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可以用較低的階數(shù)獲得高選擇性，所用存儲(chǔ)單元少，經(jīng)濟(jì)而效率高。但這些是以相位的非線性為代

72、價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高選擇性，對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高5-10倍，成本較高，信號(hào)延時(shí)也較大。如果按相同的選擇性和相同的線性相位要求來(lái)說(shuō)，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣要大大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復(fù)雜性。</p><p>　　

73、FIR濾波器可以用非遞歸方法實(shí)現(xiàn)，有限精度的計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生振蕩。同時(shí)由于量化舍入以及系數(shù)的不準(zhǔn)確所引起的誤差的影響比IIR濾波器要小得多。顯然對(duì)IIR濾波器必須留心穩(wěn)定性問(wèn)題，注意極點(diǎn)是否會(huì)位于單位圓之外，另外有限字長(zhǎng)效應(yīng)有時(shí)會(huì)引起寄生振蕩。再者FIR濾波器可采用FFT算法，在相同階數(shù)下，運(yùn)算速度可以快得多。</p><p>　　IIR濾波器可以借助于模擬濾波器的成果，一般都有有效的封閉式設(shè)計(jì)公式可供準(zhǔn)確計(jì)算，計(jì)算

74、工作量比較小，對(duì)計(jì)算工具要求不高。FIR濾波器沒(méi)有現(xiàn)成設(shè)計(jì)公式。窗函數(shù)法僅僅可以給出窗函數(shù)的計(jì)算公式，但計(jì)算通、阻帶衰減仍無(wú)顯式表達(dá)式、其他大多數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的方法都需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。</p><p>　　IIR濾波器設(shè)計(jì)法，主要是設(shè)計(jì)規(guī)格化的，頻率特性為分段常數(shù)的濾波器，而FIR濾波器則易于適應(yīng)某些特殊應(yīng)用，如構(gòu)成微分器或積分器，或用于巴特沃斯、切比雪夫等逼近不可能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的情況，例如由于某些原因

75、要求三角形振幅響應(yīng)。本來(lái)在計(jì)算量相等的情況下，IIR數(shù)字濾波器比FIR濾波器的幅頻特性?xún)?yōu)越頻率選擇性也好，但是，它有著致命的缺點(diǎn)相位特性不好控制。它的相位特性：是ω的非線性函數(shù)。例如：雙線性變換法產(chǎn)生的IIR濾波器，模擬指標(biāo)的頻率與數(shù)字化指標(biāo)的頻率轉(zhuǎn)換關(guān)系是，這是使頻率產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性的原因。這種Ω與ω的非線性關(guān)系，使數(shù)字濾波器與模擬濾波器在響應(yīng)與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系上發(fā)生了畸變。如果需要線性相位，就必須用全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜的相位校正。但是，加

76、上一個(gè)全通均衡器是十分浪費(fèi)資源的，另外，即使加上全通均衡器對(duì)于因果的IIR濾波器，仍將得不到線性的相位。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，如圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中，都越來(lái)越多的要求信道具有線性的相位特性。在這方面，F(xiàn)IR濾波器具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確、嚴(yán)格的線性相位。因此，這類(lèi)濾波器應(yīng)用很廣泛。正因?yàn)槿绱耍覀冎饕獓@FIR濾波器</p><p>　　第4章 基于LabVIEW的數(shù)字

77、濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)總框圖如下圖4.1：</p><p>　　圖4.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)總框圖</p><p>　　信號(hào)可以未經(jīng)數(shù)字濾波器處理直接輸入或輸出顯示，或者經(jīng)由數(shù)字濾波器的處理而進(jìn)行輸入、輸出顯示。其中數(shù)字濾波器模塊可以進(jìn)行幅頻和相頻響應(yīng)的顯示。<

78、;/p><p>　　首先設(shè)計(jì)一個(gè)雙通信號(hào)源，用其來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，然后再設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，進(jìn)行濾波，濾波后的波形通過(guò)顯示模塊顯示，模塊和幅頻、相頻響應(yīng)顯示模塊則可以更好的了解濾波效果[10] 。</p><p>　　4.2 雙通信號(hào)源的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于是濾波器的設(shè)計(jì)，所以信號(hào)源必須是多通道，至少雙通道信號(hào)源，本次設(shè)計(jì)就采用雙通道信號(hào)源。其中通道1可以產(chǎn)生：正

79、弦波，方波，三角波，均勻白噪聲以及脈沖函數(shù)，通道2則在通道1的基礎(chǔ)上增加沖擊函數(shù)以供使用。</p><p>　　4.2.1 正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p>　　正弦波的產(chǎn)生主要是運(yùn)用到一個(gè)叫Sine wave.vi的子VI。</p><p>　　圖4.2 Sine Wave.vi示例圖</p><p>　　它有8個(gè)接線端，分別是相位輸

80、入、頻率、幅值、采樣、相位重置、相位輸出、正弦波輸出以及錯(cuò)誤端口。其中，相位輸入、頻率、幅值、采樣是正弦波的重要參數(shù)，是需要調(diào)節(jié)的部分，因此都將其引出，然后分別將其賦予固定值，或?qū)⑵湓O(shè)置為可調(diào)節(jié)。為了防止信號(hào)錯(cuò)誤，所以相位重置也要設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，以便重置正弦波。當(dāng)然最主要的是正弦波的輸出的連接。于是，正弦波的設(shè)計(jì)如下：</p><p>　　圖4.3 正弦波的設(shè)計(jì)</p><p>　　這樣就

81、設(shè)計(jì)了一個(gè)可以改變參數(shù)的正弦波發(fā)生器。</p><p>　　4.2.2 方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p>　　方波運(yùn)用的是一個(gè)叫Square Wave.vi的子VI。</p><p>　　圖4.4 Square Wave.vi示例圖</p><p>　　它擁有9個(gè)接線端，比正弦波多了一個(gè)占空比，同時(shí)把正弦波輸出也相應(yīng)的變?yōu)榉讲ㄝ敵?。同樣?/p>

82、參照正弦波的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，通過(guò)調(diào)節(jié)采樣數(shù)，幅度，頻率，相位以及占空比，設(shè)計(jì)出不同采樣數(shù)，幅度，頻率，相位以及占空比的方波，用來(lái)做為下一步設(shè)計(jì)的輸入信號(hào)。具體設(shè)計(jì)如下圖所示：</p><p>　　圖4.5 方波的設(shè)計(jì)</p><p>　　可以運(yùn)用這個(gè)方波發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生任何設(shè)計(jì)需要的方波。</p><p>　　4.2.3 三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p&g

83、t;<p>　　三角波主要運(yùn)用Triangle Wave.vi的子VI。</p><p>　　圖4.6 Triangle Wave.vi示例圖</p><p>　　它和正弦波一樣，擁有8個(gè)接線端，分別是相位輸入、頻率、幅值、采樣、相位重置、相位輸出、三角波輸出以及錯(cuò)誤端口。三角波的具體設(shè)計(jì)如下圖所示：</p><p>　　圖4.7 三角波的設(shè)計(jì)&l

84、t;/p><p>　　改變相關(guān)參數(shù)就可以產(chǎn)生設(shè)計(jì)所需求的三角波。</p><p>　　4.2.4 均勻白噪聲、脈沖函數(shù)和沖擊函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p>　　均勻白噪聲、脈沖函數(shù)和沖擊函數(shù)的設(shè)計(jì)分別運(yùn)用Uniform White Noise.vi ， Pulse Pattern.vi和Impulse Pattern.vi的子VI。</p><p

85、>　　圖4.8 Uniform White Noise.vi，Pulse Pattern.vi和Impulse Pattern.vi示例圖</p><p>　　下面的系列圖分別是均勻白噪聲、脈沖函數(shù)和沖擊函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)連線：</p><p>　　圖4.9 均勻白噪聲發(fā)生的設(shè)計(jì)</p><p>　　均勻白噪聲只需要輸入采樣數(shù)以及幅值就可以。</p&g

86、t;<p>　　圖4.10 脈沖函數(shù)的設(shè)計(jì)</p><p>　　脈沖函數(shù)則增加了延時(shí)設(shè)置和寬度設(shè)置，沖擊函數(shù)只增加了一個(gè)延時(shí)。</p><p>　　圖4.11 沖擊函數(shù)的設(shè)計(jì)</p><p>　　上述就是雙通道信號(hào)源所需要用到的模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.5 雙通信號(hào)源的前面板設(shè)計(jì)</p><

87、p>　　根據(jù)信號(hào)的調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)計(jì)出一系列的按鈕，這些按鈕可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號(hào)的參數(shù)，以便產(chǎn)生的信號(hào)是所需要的。</p><p>　　圖4.12 參數(shù)調(diào)節(jié)按鈕的前面板設(shè)計(jì)(1)</p><p>　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)，以上6種信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)到的調(diào)節(jié)參數(shù)共有如下幾個(gè)：幅度，偏置，相位，延時(shí)，寬度，占空比，頻率以及信號(hào)重置。</p><p>　　圖4.13 參數(shù)調(diào)節(jié)按鈕的前面

88、板設(shè)計(jì)(2)</p><p>　　考慮到在特定條件可能只需要一路信號(hào)發(fā)生器，于是就設(shè)計(jì)一個(gè)分離，合成按鈕，這樣可以選擇使用信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生波形或雙通道產(chǎn)生的信號(hào)疊加，在不同情況下，可能還需改變采樣頻率或查詢(xún)某個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，程序中設(shè)計(jì)了兩個(gè)按鈕來(lái)更改采樣頻率和顯示波形數(shù)據(jù)。</p><p>　　4.2.6 雙通道信號(hào)源的程序框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　完成了前面

89、板設(shè)計(jì)，最主要的設(shè)計(jì)是采用了一個(gè)條件循環(huán)，通過(guò)這個(gè)循環(huán)，可以調(diào)用不同的信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生所需的波形。</p><p>　　圖4.14 條件循環(huán)示圖</p><p>　　通過(guò)條件循環(huán)，可以將信號(hào)發(fā)生器組合到一起，然后通過(guò)加法器，產(chǎn)生偏置，通過(guò)加法器將雙通道的信號(hào)合成。其中運(yùn)用到一個(gè)選擇器，來(lái)選擇最后輸出的是信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生的波形信號(hào)，還是雙通道產(chǎn)生的合成信號(hào)。</p><

90、p>　　圖4.15 雙通道信號(hào)源的設(shè)計(jì)</p><p>　　以上就完成了雙通道信號(hào)源的全部設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)理念</p><p>　　在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，主要采用了巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器以及擁有矩形窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗和布拉克曼窗的窗函數(shù)濾波器。同時(shí)每個(gè)濾波器都有低通，高通，帶通和帶阻的濾波方式。</p

91、><p>　　4.3.1 巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。這種濾波器最先由英國(guó)工程師斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國(guó)《無(wú)線電工程》期刊的一篇論文中提出的[11]。</p><p>　　巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻

92、率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上，從某一邊界角頻率開(kāi)始，振幅隨著角頻率的增加而逐步減少，趨向負(fù)無(wú)窮大。</p><p>　　一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻6分貝，每十倍頻20分貝。二階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻12分貝、 三階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻18分貝、如此類(lèi)推。巴特沃斯濾波器的振幅對(duì)角頻率單調(diào)下降，并且也是唯一的無(wú)論階數(shù)，振幅對(duì)角頻率

93、曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過(guò)濾波器階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。其他濾波器高階的振幅對(duì)角頻率圖和低級(jí)數(shù)的振幅對(duì)角頻率有不同的形狀。</p><p>　　巴特沃斯濾波器主要采用LabVIEW中的Butterworth Filter.vi的子VI。</p><p>　　圖4.16 Butterworth Filter.vi示例圖</p><p>　　擁有

94、9個(gè)接線端，分別是低通截止頻率f l、高通截止頻率f h、采樣頻率、輸入、濾波后輸出、濾波器類(lèi)型選擇端、錯(cuò)誤端口、階數(shù)以及初始化/連續(xù)端口。</p><p>　　其中主要使用前七個(gè)接線端，就可以組成一個(gè)可調(diào)節(jié)的巴特沃斯濾波器。如下圖所示：</p><p>　　圖4.17 巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.2 切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)</p>

95、;<p>　　切比雪夫?yàn)V波器，是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器來(lái)自切比雪夫分布，以“切比雪夫”命名，是用以紀(jì)念俄羅斯數(shù)學(xué)家巴夫尼提·列波維其·切比雪夫。</p><p>　　切比雪夫?yàn)V波器也是個(gè)非常典型的濾波器，它是在帶通或帶阻上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。在帶通波動(dòng)的為“I型切比雪夫?yàn)V波器”，在帶阻波動(dòng)的為“II型切比雪夫?yàn)V波器”。切比雪夫?yàn)V波

96、器在過(guò)渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在帶通內(nèi)存在幅度波動(dòng)。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，切比雪夫?yàn)V波器主要采用LabVIEW里的Chebyshev Filter.vi。</p><p>　　圖4.18 Chebyshev Filter.vi示例圖</p><p>　　

97、Chebyshev Filter有10個(gè)接線口，分別是：低通截止頻率fl、高通截止頻率fh、采樣頻率、輸入、濾波后輸出、濾波器類(lèi)型選擇端、錯(cuò)誤端口、階數(shù)、初始化/連續(xù)端口以及波紋。所以在設(shè)計(jì)切比雪夫?yàn)V波器的時(shí)候要比特沃斯濾波器多接出一個(gè)波紋按鈕。</p><p>　　圖4.19 切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.3 窗函數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)</p><p&

98、gt;　　實(shí)際應(yīng)用的窗函數(shù)，可分為以下主要類(lèi)型：</p><p>　　冪窗：采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其他時(shí)間t的高次冪；</p><p>　　三角函數(shù)窗：應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成復(fù)合函數(shù)，例如漢寧窗、海明窗等；</p><p>　　指數(shù)窗：采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如形式，例如高斯窗等；</p><p>　　要

99、產(chǎn)生以上幾種方式濾波器，就要運(yùn)用到LabVIEW里的Force Window.vi, Triangle Window.vi, Hanning Window.vi, Hamming Window.vi和Blackman Window.vi等。</p><p>　　圖4.20 窗函數(shù)濾波器的子VI示例圖</p><p>　　輸入信號(hào)通過(guò)各種窗口進(jìn)行濾波，然后通過(guò)輸出端口，傳輸?shù)斤@示模塊和幅頻

100、、相頻響應(yīng)模塊。窗函數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)也要調(diào)用條件循環(huán)，以減少資源調(diào)用，降低工作量等目的。</p><p>　　4.3.4 數(shù)字濾波器的前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字濾波器的最主要顯示手段就是一個(gè)時(shí)域信號(hào)顯示窗口。這個(gè)窗口可以看出濾波器的濾波效果，同時(shí)制作了一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇顯示輸入波形還是顯示輸出波形。同時(shí)為了能調(diào)節(jié)顯示的時(shí)間軸，還設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)標(biāo)旋鈕。</p><p&

101、gt;　　圖4.21 時(shí)域信號(hào)顯示窗口的前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器的類(lèi)型就要用到如下設(shè)計(jì)的按鈕：</p><p>　　圖4.22 濾波方式調(diào)整按鈕的設(shè)計(jì)</p><p>　　通過(guò)它可以選擇要使用的濾波模型和濾波方式。而調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器的參數(shù)，比如高端截止頻率fh、低端截止頻率fl、階數(shù)和波紋系數(shù)就需要用到如下按鈕：</p><

102、;p>　　圖4.23 濾波參數(shù)調(diào)節(jié)按鈕的設(shè)計(jì)</p><p>　　同時(shí)程序還附加設(shè)計(jì)了一個(gè)幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)顯示窗口，查看幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，以檢驗(yàn)濾波效果。</p><p>　　圖4.24 幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)顯示窗口的前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.5 數(shù)字濾波器的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　作為重要的數(shù)字濾波模塊，依

103、然需要條件循環(huán)來(lái)選取濾波器，并通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的參數(shù)按鈕來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)濾波方式。</p><p>　　圖4.25 數(shù)字濾波器的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　輸入、輸出顯示模塊通過(guò)條件循環(huán)和控制按鈕來(lái)選擇顯示波形是輸入信號(hào)還是輸出信號(hào)，當(dāng)中用到一個(gè)捆綁，它可以將3個(gè)變量捆綁成1個(gè)簇向顯示模塊輸入。</p><p>　　圖4.26 輸出顯示模塊設(shè)計(jì)</p>&

104、lt;p>　　圖4.27 幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　幅頻、相頻響應(yīng)則主要通過(guò)Transfer Function.vi來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同樣使用一個(gè)捆綁來(lái)變量形成一個(gè)簇，從而實(shí)現(xiàn)幅頻、相頻響應(yīng)的顯示。</p><p><b>　　4.4 程序測(cè)試</b></p><p>　　為了驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)的正確性和嚴(yán)謹(jǐn)性，選取了濾波器中

105、最典型的巴特沃斯濾波器作為檢測(cè)對(duì)象，同時(shí)選用低通濾波進(jìn)行測(cè)試。輸入信號(hào)，采用雙通道信號(hào)源：</p><p>　　1：幅值為5，頻率為500的正弦信號(hào)；</p><p>　　2：幅值為5，占空比為80%，頻率為2500的方波信號(hào)。</p><p>　　輸入通道1的參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　圖4.28 輸入通道1的參數(shù)設(shè)置</p&g

106、t;<p>　　輸入通道2的參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　圖4.29 輸入通道2的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　輸入時(shí)域信號(hào)的波形見(jiàn)下圖：</p><p>　　圖4.30 輸入信號(hào)波形</p><p>　　選用的濾波器種類(lèi)和類(lèi)型：</p><p>　　圖4.31 濾波器的選擇</p>

107、<p><b>　　濾波參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　圖4.32 濾波參數(shù)設(shè)置</p><p>　　輸出時(shí)域信號(hào)的波形：</p><p>　　圖4.33 輸出信號(hào)的波形</p><p>　　輸出信號(hào)的波形和輸入信號(hào)的波形相比可以看出，濾波之后得到有效的抑制，濾波效果良好。</p>

108、<p><b>　　幅頻響應(yīng)：</b></p><p>　　圖4.34 幅頻響應(yīng)</p><p><b>　　相頻響應(yīng)：</b></p><p>　　圖4.35 相頻響應(yīng)</p><p>　　虛擬數(shù)字濾波器的的低通濾波整體圖形：</p><p>　　圖4.36

109、 虛擬數(shù)字濾波器的效果圖</p><p>　　圖4.37 虛擬數(shù)字濾波器的程序框圖</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望</p><p>　　近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理是緊緊圍繞著理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用三個(gè)方面迅速發(fā)展起來(lái)的，它以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)，其成果又滲透到多個(gè)學(xué)科，成為理論與實(shí)踐并重，在高新技術(shù)領(lǐng)域中占有重要地位的新興學(xué)科。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器以其良好的性

110、能被廣泛使用，屬于數(shù)字信號(hào)處理的基本模塊之一?，F(xiàn)在絕大多數(shù)的電子設(shè)備中都具有數(shù)字濾波模塊。而虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新型儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)是是測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域的一個(gè)突破，從根本上更新了測(cè)量?jī)x器的概念。虛擬儀器技術(shù)不僅可以簡(jiǎn)化儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且能有效的降低生產(chǎn)成本和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。</p><p>　　本文以LabVIEW為應(yīng)用背景，圍繞數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開(kāi)研究，該技術(shù)是設(shè)計(jì)

111、與實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)最重要的技術(shù)之一。通過(guò)應(yīng)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)使數(shù)字濾波器能更好的發(fā)展應(yīng)用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張愛(ài)平.LabVIEW入門(mén)與虛擬儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社.2004.30~32.</p><p>　　[2]胡生清,幸國(guó)全等.未來(lái)的儀器儀表——虛擬儀器[J].自動(dòng)化與儀

112、表.1999.14(6):5~7.</p><p>　　[3]秦樹(shù)人.虛擬儀器[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社.2004.03.5759.</p><p>　　[4]陳昭平,李建兵.基于LabVIEW平臺(tái)的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶. 2006.04: </p><p><b>　　55~56.</b></p>