基于LabVIEW的数字滤波器的设计

技
术
创
新
图 ２ 数字滤波器的框图程序
为了验证所设计滤波器的滤波效果， 分别利用
ＬａｂＶＩＥＷ 中 的 Ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｖｉ 和 Ｇａｕｓｓｉａｎ
Ｗｈｉｔｅ ｎｏｉｓｅ．Ｖｉ 节点产生频率为 ６０Ｈｚ 的标准正弦波信
号和白噪声信号， 并混合后得到混有噪声的正弦波信
号。将混有噪声的正弦信号经 ＩＩＲ 滤波器滤波， ＩＩＲ 滤
２ 基 于 ＬａｂＶＩＥＷ 的 数 字 滤 波 器 设 计
ＬａｂＶＩＥＷ 程序由两部分组成： 前面板程序和框图 程序。整个程序是基于多线程设计， 即前面板和框图 程序各占用一个线程。ＬａｂＶＩＥＷ 的前面板， 即交互式 界面， 用于设置输入数值和观察输出量， 在前面板中， 使用了各种图标如开关， 实时趋势图等来模拟真实仪 器的面板， 并可如同操作实际仪器一样方便地调节输 入参数和进行输出模式定制。本文中前面板的设计， 充分发挥 了 ＬａｂＶＩＥＷ 的特长， 即 建立了友好 的人机 操作界面， 滤波器前面板如图 １ 所示。本程序将几种 典 型 的 ＩＩＲ 和 ＦＩＲ 数 字 滤 波 器 集 成 在 一 个 应 用 程 序
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传感器与仪器仪表
基于 LabVIEW的数字滤波器的设计
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏ ｆ Ｄｉｇ ｉｔａ ｌ Ｆｉｌｔｅ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｌａ ｂ ＶＩＥＷ
（ １．湖南商学院； ２．国防科技大学） 周 伟 林 １ 杨 华 勇 ２ 李 清 峰 １
参考文献： ［１］ＬａｂＶＩＥＷ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｎｕａｌ ［Ｍ］．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．１９９８． ［２］赵云鹏． ＭＡＴＬＡＢ 串口通信在数据采集中的应用［Ｊ］微计算机 信息 ２００５，１：１１１－ １１２
作者简介： 周伟林（１９７２－ ）， 男， 讲师， 硕士研究生， 主要 从事光纤传感及信号处理方面的研究。杨华勇 （ １９７４－ ） ， 男， 副教授， 博士研究生， 主要从事光学精 密 测 试 技 术 、精 密 光 机 电 一 体 化 研 究 、光 学 图 像 处 理 与 光电控制等研究。李清峰（ １９６５－ ） ， 男， 副教授， 硕士研 究生， 主要从事计算机网络、数据挖掘方面的研究。 Ａｕｔｈｏｒ ｂｒ ｉｅｆ ｉｎｔｒ ｏｄｕｃｔｉｏｎ：Ｚｈｏｕ Ｗｅｉｌｉｎ（１９７２．１２－ ）ｍａｌｅ， Ｈａｎ ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ， ｍａｓｔｅｒ， Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ： ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｙａｎｇ Ｈｕａｙｏｎｇ （１９７４．１ － ）ｍａｌｅ， Ｈａｎ ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ， ｄｏｃｔｏｒ， ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ， Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ： ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｆｉｎｅ ｔｅｓｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， ｆｉｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ － ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｅｔｃ．Ｌｉ Ｑｉｎｇｆｅｎｇ （１９６５－ ）ｍａｌｅ， Ｈａｎ ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ， ｍａｓｔｅｒ， Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ： ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ． （４１０２０５ 长沙湖南商学院计电系） 周伟林 李清峰 （４１００７３ 长沙国防科技大学光电工程学院）杨华勇 （Ｄｅｐａｒ ｔｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒ ｏｎ Ｈｕｎａｎ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２０５， Ｃｈｉｎａ） Ｚｈｏｕ， Ｗｅｉｌｉｎ Ｌｉ，Ｑｉｎｇｆｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｐｔ－ ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｅｎｇ． Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒ ｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３， Ｃｈｉｎａ ） Ｙａｎｇ，Ｈｕａｙｏｎｇ
前面板来改变。仿真表明， 所设计的数字滤波器滤波效果良好。
关 键 词 ： 虚 拟 仪 器 ； 数 字 滤 波 器 ； Ｌ ａ ｂ ＶＩ Ｅ Ｗ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２７３
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： ＬａｂＶＩＥＷ ｉｓ ａ ｆｉｇｕｒａｌ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｌａｎｇｕａｇｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ
技
１ 引言
数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分， 数字滤波器与模拟滤波器相比具有准确度和稳定性 高， 系统函数容易改变， 灵活性高， 不存在阻抗匹配问 题， 便于大规模集成， 可实现多位滤波等优点， 因而数 字滤波器在工程中得到了广泛的应用。但是， 应用文 本软件实现的数字滤波器在使用过程中存在难以调 整滤波系数、与硬件接口程序、开发周期长等不足。 ＬａｂＶＩＥＷ 是 图 形 化 开 发 环 境 ， 它 具 有 功 能 强 大 、编 程 效率高、界面友好、参数修改方便等优点， 同时它在功 能完整性和应用灵活性上也不逊于任何高级语言。本 文对 ＩＩＲ 和 ＦＩＲ 数字滤波器的设计中选择了开放式的 ＬａｂＶＩＥＷ 软件， 设计交互式界面可以有效地解决以上 提到的一些问题。
ｐａｐｅｒ， ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｔｈａｔ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ＩＩＲ ａｎｄ ＦＩＲ ｆｉｌｔｅｒ． Ｔｈｅ ｗｉｎｄｏｗ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＦＩＲ ， ａｎａｌｏｇ ｆｉｌｔｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ＩＩＲ ａｎｄ ｔｈｅ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｆｉｌｔｅｒ ａｒｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｅａｓｉｌｙ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ｏｎ ｐａｎｅｌ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｖｉｒ ｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔ； Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｉｌｔｅｒ ； ＬａｂＶＩＥＷ．
图 ３ 滤波前后信号波形 可以看出， 滤波后噪声得到了有效抑制， 滤波效
果良好。由于采用了 ＬａｂＶＩＥＷ 图形化的前面板设计， 滤波器在 ＦＩＲ 和 ＩＩＲ 之间切换十分方便。并且在前面 板 上 还 很 容 易 实 现 ＩＩＲ 模 拟 滤 波 器 原 型 的 选 择 、ＦＩＲ 滤波器窗函数的选择及滤波器附加参数的设置， 这是 文本语言所不能及的。
图 ４ 滤波前后信号频谱
３ 结束语
由于 ＬａｂＶＩＥＷ 程序语言具有友好的界面、高效的 编程， 因而在测控等领域得到了广泛应用。ＬａｂＶＩＥＷ 丰富的信号处理控件使它在信号处理领域同样得到
了广泛应用。同时由于 ＬａｂＶＩＥＷ 采用 ３２ 位高速并行 编译， 这使的信号处理的实时性大大改善， 这也是一 般文本语言所不能及的。
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － １６３ －
传感器 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００６ 年 第 ２２ 卷 第 ５－１ 期
窗 、Ｂｌａｃｋｍａｎ 窗 、Ｅｘａｃｔ Ｂｌａｃｋｍａｎ 窗 、Ｂｌａｃｋｍａｎ－ Ｈａｒｒｉｓ 窗 、Ｆｌａｔ Ｔｏｐ 窗 和 Ｋａｉｓｅｒ－ Ｂｅｓｓｅｌ 窗 等 几 种 典 型 滤 波 方 式 集 成 于 一 个 应 用 程 序 中 。这 几 种 典 型 的 滤 波 方 式 各 有各的优势， 以 ＩＩＲ 数字滤波器中的几种模拟滤波器 原 型 而 言 ， Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ 型 ＩＩＲ 滤 波 器 具 有 单 调 下 降 的 幅 频 特 性 ； Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ 型 幅 频 特 性 在 通 带 或 者 在 阻 带 有波动， 可以提高选择性； Ｂｅｓｓｅｌ 型通带内有较好的线 性 相位 特 性； 而 Ｅｌｌｉｐｓｅ 其 选 择 性 相 对 前 三 种 是 最 好 的。由于 ＬａｂＶＩＥＷ 高 效的编程方 式和灵活的 编程特 点， 本文中将他们集成在一起， 大大的满足了用户的 需要， 其框图程序如图 ２ 所示。
中采用了装饰框， 使整个虚拟面板变得简洁、美观。
图 １ ＩＩＲ 和 ＦＩＲ 数字滤波器前面板 由于滤波器对信号的分析要求循环进行， 而整个 过程都希望是人为控制的， 因此框图程序里需要一个
Ｗｈｉｌｅ 循环结构。所设计的滤波器可以进行 ＩＩＲ 和 ＦＩＲ 两种滤波方式， 并且最后要在前面板上显示滤波后的 波 形 、滤 波 器 信 息 以 及 滤 波 后 的 频 谱 信 息 ， 因 此 这 里 采用了两个选择结构， 一个实现滤波方式的选择， 一 个实现 波形显示的 选择。本文通 过 ＬａｂＶＩＥＷ 后面板 的 Ｆｕｎｃｔｉｏｎ＞＞Ａｎａｌｙｚｅ＞＞Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｃｏｎｄｉｔｉｎｇ＞＞Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉ－ ＩＲ ｆｉｌｔｅｒ．Ｖｉ 和 Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ＞＞Ａｎａｌｙｚｅ ＞＞Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｃｏｎｄｉｔ－ ｉｎｇ＞＞Ｄｉｇｉｔａｌ ＦＩＲ ｆｉｌｔｅｒ．Ｖｉ 图 标 将 ＩＩＲ 数 字 滤 波 器 中 的 Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ、Ｂｅｓｓｅｌ、Ｅｌｌｉｐｓｅ、Ｉｎｖｅｒｓｅ 和 ＦＩＲ 数 字 滤 波 器 中 的 Ｈａｍｍｉｎｇ 窗 、Ｈａｎｎｉｎｇ 窗 、Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ
Ｚｈｏｕ ，Ｗｅｉｌｉｎ Ｙａｎｇ ，Ｈｕａｙｏｎｇ Ｌｉ，Ｑｉｎｇｆｅｎｇ
摘要：ＬａｂＶＩＥＷ 是 图 形 化 虚 拟 仪 器 编 程 语 言 ， 它 具 有 强 大 的 数 字 信 号 处 理 功 能 。本 文 介 绍 了 基 于 ＬａｂＶＩＥＷ 的 数 字 滤 波 器 的 设
计 ， 它 集 ＦＩＲ 和 ＩＩＲ 滤 波 器 于 一 身 ， 并 且 ＦＩＲ 滤 波 器 的 窗 函 数 、ＩＩＲ 滤 波 器 的 模 拟 滤 波 器 原 型 及 滤 波 器 的 参 数 都 很 容 易 通 过