基于LabVIEW的IIR_数字滤波器的设计
基于LabVIEW 的数字滤波器设计与实现
随着信息化技术的发展，数字信号处理技术的应用 越来越广泛。由于数字信号处理不受硬件系统的限制， 所以数字信号处理技术在实际应用中越来越受到重视，
比，LabVIEW 软件编程更容易入门，开发周期短，所以 LabVIEWБайду номын сангаас软件深受实验室人员、硬件工程师以及生产线 的各种工艺人员的喜爱［4-6］。
而数字信号处理技术中，数字滤波器的作用举足轻重。 传统数字滤波器可用大规模数字硬件实现，虽然处理速
波形与频谱信息和经过滤波后的信号进行对比分析和图 形显示，而后通过数据存储及打印模块实现数据存储和
收稿日期：2019-10-02
作者简介：孟月霞（1989—），女，硕士，助教，研究方向：控制理论与控制工程及虚拟仪器；张谦（1992—），女，硕士，助
教，研究方向：自动化及虚拟仪器；韩亚丽（1983—），女，讲师，硕士，研究方向：智能控制、图像处理及嵌入式技术应用。
1 数字滤波器设计内容
度快，但功能不易改变。所以，本文研究了一种基于 Lab⁃ VIEW 的数字滤波器测试系统，可实现低通、高通、带通、 带阻等滤波器的基本功能，并且可以对数据进行存储和 打印。
LabVIEW 软件是由美国仪器公司（NI）开发的面向对 象的可视化编程语言，具有开放的源代码和各种设备的
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第 31 期
基于 LabVIEW 的数字滤波器设计与实现
·33·
打印功能，具体设计框图如图 1 所示。
信号生成模块 信号生成模块
信号 叠加
滤波 器模 块
频谱测量模块
低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器
便、结果直观、运行可靠、响应速度快、开发周期短等优点。
基于Labview的IIR数字滤波器设计
华北电力大学本科毕业设计（论文）来自毕 业 设 计(论文)
`
题
目
基于 LABVIEW 的 IIR 数字滤波 器设计
院
系
自动化系 测控技术与仪器 1201 班 加桑扎西 白康
专业班级 学生姓名 指导教师
二○一六年六月
1
华北电力大学本科毕业设计（论文）
基于 LabVIEW 的 IIR 数字滤波器设计
摘要
Ⅱ
华北电力大学本科毕业设计（论文）
目
录
摘要.................................................................................................
IIR数字滤波器的设计及软件实现
IIR数字滤波器的设计及软件实现IIR数字滤波器（Infinite Impulse Response Digital Filter）是一种常用于信号处理的数字滤波器。
与FIR（Finite Impulse Response）滤波器不同，IIR滤波器的输出取决于过去的输入样本和输出样本。
1.确定滤波器的类型：根据实际应用需求选择低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器。
2.确定滤波器的阶数：阶数决定了滤波器的频率响应特性的陡峭程度。
一般来说，阶数越高，滤波器的频率响应特性越陡峭。
阶数的选择需要权衡计算复杂度和滤波器性能。
3.设计滤波器的传递函数：传递函数是描述滤波器输入和输出之间关系的数学表达式。
传递函数可以通过频率响应要求来确定。
4.选择滤波器设计方法：针对不同的频率响应要求，可以选择不同的滤波器设计方法，如巴特沃斯方法、切比雪夫方法、椭圆方法等。
5.设计滤波器的参数：根据滤波器的传递函数和设计方法，计算滤波器的系数。
这些系数可以用于实现滤波器。
软件实现的步骤如下：1. 选择合适的软件平台：根据实际需求，选择适合的软件平台，如MATLAB、Python等。
2. 导入相关的滤波器设计库：选择合适的滤波器设计库，如MATLAB的Signal Processing Toolbox、Python的scipy.signal等。
3.使用滤波器设计函数：根据选择的滤波器设计方法，使用相应的函数进行滤波器设计。
这些函数可以根据输入的参数计算出滤波器的系数。
4.实现滤波器：使用得到的滤波器系数，将其用于滤波器的实现。
可以使用滤波器函数对信号进行滤波操作。
5.评估滤波器性能：根据实际应用需求，对滤波器的性能进行评估。
可以通过比较滤波器的输出和期望的输出，或者通过分析滤波器的频率响应特性来评估滤波器的性能。
需要注意的是，IIR数字滤波器的设计和实现过程可能相对复杂，需要一定的信号处理和数学基础。
在实际应用中，可以借助已有的滤波器设计库和工具来简化设计和实现过程。
基于LABVIEW的多功能滤波器设计
摘要目前，在电子测量和自动化控制领域，虚拟仪器技术取得了巨大的发展。
虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器，是具有仪器功能的软件、硬件的组合，从而实现各种传统仪器的功能。
LabVIEW是一种图形化的虚拟仪器编程语言，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。
数字滤波器的设计是它的主要应用领域之一。
本文介绍了IIR、FIR数字滤波器设计方法，以及LabVIEW的功能特点，并给出了基于LabVIEW的多功能数字滤波器系统的总体设计方案，系统有五个模块组成：启动模块、登陆模块、信号发生模块、滤波模块和显示模块。
启动模块显示动态启动过程；登陆模块用来设置用户权限，只有当用户名和密码正确且匹配后，可进入系统；信号发生模块生成含有噪声的模拟信号，信号的频率、幅值、相位和噪声幅值以及采样信息都可调；滤波模块由IIR和FIR数字滤波器组成，通过设置前面板的滤波器参数来满足滤波效果；显示模块，该模块用来对滤波前后信号的波形、信号的频谱以及滤波器的频率特性进行分析比较。
测试结果表明，该系统可操作性强，界面友好，显示直观，响应速度快，精度高，有很好的滤波效果。
关键字：虚拟仪器，LabVIEW，数字滤波器，FIR，IIR目录第1章绪论 (1)1.1 研究背景和意义 (1)1.2 研究内容和目的 (1)第2章数字滤波器 (2)2.1 滤波概念 (2)2.2 滤波器分类 (2)2.3 数字滤波器的原理及分类 (3)2.4 数字滤波器设计步骤 (5)2.5 数字滤波器技术指标 (6)2.6 IIR数字滤波器的设计方法 (7)2.6.1 脉冲响应不变法设计数字低通滤波器 (8)2.6.2 双线性变换法设计数字低通滤波器 (10)2.6.3 数字高通、带通和带阻滤波器的设计 (11)2.7 FIR数字滤波器的设计 (11)2.7.1 FIR数字滤波器的特征 (11)2.7.1 窗函数法设计法 (12)2.7.2 常用窗函数介绍 (15)2.7.3 频率采样法和切比雪夫逼近法介绍 (16)2.8 IIR和FIR数字滤波器比较 (17)第3章虚拟仪器 (19)3.1 虚拟仪器基础 (19)3.1.1 虚拟仪器概述 (19)3.1.2 虚拟仪器的构成 (19)3.2 LabVIEW的概述 (20)3.2.1 LabVIEW的构成 (20)3.2.2 LabVIEW的操作选板 (23)3.2.3 LabVIEW的特点 (25)3.3 LabVIEW的运行与调试 (25)3.3.1 VI运行 (25)3.3.1 VI调试 (25)3.4 LabVIEW设计虚拟仪器的方法 (29)第4章多功能数字滤波器系统设计 (31)4.1 多功能数字滤波器系统的总体方案设计 (31)4.2 多功能数字滤波器系统的各个模块设计 (31)4.2.1 启动模块 (31)4.2.2 登陆模块 (32)4.2.3 信号发生模块 (34)4.2.4 滤波模块 (36)4.2.5 显示模块 (37)第5章多功能数字滤波器系统的仿真分析 (39)5.1 系统仿真流程 (39)5.2 启动界面的仿真分析 (40)5.3 登陆界面仿真分析 (40)5.4 信号滤波去噪仿真分析 (42)5.4.1 相同阶数不同逼近准则的IIR滤波器仿真分析 (42)5.4.2 同逼近准则不同阶数的IIR滤波器仿真分析 (48)5.4.3 窗函数法FIR滤波器仿真分析 (49)5.4.4 IIR和FIR对混频信号滤波仿真分析比较 (51)第6章总结 (56)参考文献 (58)附录.............................................. 错误!未定义书签。
基于LabVIEW的IIR滤波器频率响应特性测试系统的设计
滤 波设计 的重 要方 法 ． 频率 响应 函数 是系统输 出与输入 的傅 立叶 变换之 比 ：
Ｈ（ ）＝ 如 嘲
．
根 据 上式 利用 Ｌ ｂ Ｅ 的 Ｆ ｎ ｔ ｎ－Ｐ ｏ ｒｍｍｉｇ－Ｗａ ｅｏ ｍ－－ ａｏ ｖ ｆｒ ￣ ｖ ｆｒ ａ ＶＩ Ｗ ｕ ｃｉ － ｒｇ ａ ｏ ￣ ｎ－ － ｖ ｆｒ ， Ａｎ ｌｇＷａ ｅｏ ｍ－ Ｗａ ｅｏｍ
维普资讯
２６ ２期 第２堂第４ ０１ 月 ０年１ Ｈ
Ｊ ｒａｏ徽ｎｕ Ｕ ｉ ｒ ｔ 技Ｔ学ｎ 三ｙ ｄ—ｉ ｃ 院 学 Ｓ ｎ ｏ ｎｌ ｆ ｈ ｉ 程 ｅｓｙ ｆ ｅｈ ｇ ｎ 报ｅ ｅ ｕ 安 工 ｎ 科 ｅ Ａ ｖ ｉｏ ｃ
函数计算 出系统输 出与输入 的傅 立 叶变换 之 比 ， 从而 得到 系统 的频率 响应 函数．
２ 系统 前 面 板 设 计
Ｉ ｂ Ｅ 程 序 由两部 分组 成 ： 面板 漫计和 系 统 Ｇ 程序 框 图． ． Ｖｌ Ｗ ａ 前 整个 程 序基 于多 线程 设 计 ， 即前 面板
和 系统程序 各 占用一 个 线程． 面板是 用户接 Ｉ， 前 ： 即交互 式 界 面 ， 于用 户 向程 序 中输 入 各 种 控制 参 数和 １ 用
．５ ． ４
安
徽
Ｔ
程
科
技
学 院
学
报
～ —
！ ！ ！ ！
观察输 出量 。 在前 面板 中 ， 用 了各种 仿 真 图标 ， 开关 、 钮 等 ， 以数 字或 实 时趋 势 图 等各 种 形 式 的输 使 如 旋 并
基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计
目录1 技术指标 (1)1.1 数字滤波器的性能要求 (1)1.2 虚拟仪器方案 (1)2 基本原理 (2)2.1 LabVIEW软件主要功能和特点 (2)2.2 数字滤波器功能简介 (2)2.2.1 带通，带阻与过渡 (3)2.2.2 带通纹波和带阻衰减 (4)2.3 数字滤波器的实现 (4)3 建立模型描述 (4)3.1 前面板的设计 (5)3.2 流程图的设计 (6)4 总结分析 (7)4.1 影响滤波器因素分析 (7)4.2 巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器的性能比较 (8)5 心得体会 (9)6 参考文献 (10)基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计1 技术指标基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计（利用LABVIEW设计一个数字滤波器，可以实现IIR、FIR等数字滤波功能，参数可调）。
1.1 数字滤波器的性能要求数字滤波器要求是实现对信号的滤波、提取、增强信号的有用分量、削弱无用的分量。
它是一种选频装置，它给一个或几个频率范围内的电信号给以很小的衰减，使这部分信号能顺利通过，对其他频带内的信号给以很大的衰减，从而尽可能阻止这部分信号的通过。
从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类，数字滤波器可以分为无限脉冲相应滤波器（Infinite impulse respose，IIR）和有限脉冲相应滤波器（Finite impulse respose，FIR）。
1.2 虚拟仪器方案图1 一般虚拟仪器的设计方案LabVIEW8.5具有强大的数据处理能力，包括信号的产生、数据信号处理、测量、数据滤波、概率统计、线性代数、曲线拟合、数值分析等多种软件分析功能。
它使用可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。
由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。
2基本原理下面简述各个功能模块的性能指标2.1 LabVIEW软件主要功能和特点LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）即实验室虚拟仪器工程平台，是由美国国家仪器NI（National Instrument）公司推出的世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统。
基于LabVIEW的数字滤波器设计
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实用第一 智慧 密集
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基于 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 的数字滤波器设计
徐晓 龙 ，党楠
（ 商洛学院 电子信 息与 电气工程学院 ，陕西 商洛 ７ ２ ６ ０ ０ ０ ）
摘
要 ：数 字滤波器相比模拟 滤波器更具有 灵活性 ，使 用 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 编 写数 字滤 波器，滤 波器的参数 可以通过
叠加噪声 。
Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 可利用运算 功能强大的计算 机 ，节省软件 程 序 的运行 时间 ；并且 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 具有 多种滤波 函数 ，因此数 字滤波 器的设计 开发 也就更便 利 。因此具 有基于虚拟仪 器 技术 的设计思想 的数 字滤波器 很有效德避 免传统滤波器 中 滤 波参 数难改 变 、开 发周期 长 、软硬件 接 口复杂 等问题 ， 给数字信号处理提供 了快捷方式翻 。
人手 ，从控件选板 中选择控件拖放到前面板上并设计放置的
言 。软件开发过 程 ，不必 写繁杂 的程序 代码 ，而是 使用程 序框图，是数据流的编程思路 。Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 作为 自动化测试 、 测量领 域 的专业软 件 ，其 内部集成 了 ６ ０ ０多个分 析 函数 ，
位置 ，要求是前面 板美观整齐 。 （ １ ）要显示 波形需 要在
信号处理等各种数据分析应用 。数学分析 ｖ Ｉ 函数最底层是 通过 Ｃ语言实现 的 ，具有很高 的运行效 率 ，因此通过 Ｌ ａ ｂ —
基于LabVIEW的IIR 数字滤波器的设计
基于LabVIEW 的IIR 数字滤波器的设计0 引言正常情况下，电力系统中三相电力是对称的，它们之间满足一定的幅值和相位条件；但当负载变化时，系统受到影响，波形会发生畸变。
随着经济的发展，许多非线性电力负荷投入使用，使电网中谐波分量猛增，而电力系统微机保护和二次控制中，很多信号的处理与分析是基于基波和某些整次谐波的，因此，滤波器一直是电力系统二次装置中的关键部件。
目前，微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。
传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。
利用LabVIEW（Laboratory Virtual INSTRUMENT Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工作平台）使用G 语言（Graphics Language，1. 数字滤波器及其传统设计方法1.1 数字滤波器概述滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的装置。
工程上常将它用于信号处理、数据传送和抑数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它的输入和输出信号都是离散的，与模拟滤波器相比，它具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变，灵活性高等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用[2]。
数字滤波器有多种分类，按频率特性分类可以分为：高通、低通、带通、带阻；按数字滤波器冲激响应的时域特征分类可以分为：有限冲激响应滤波器（finite impulse response, FIR）和无限冲激响应滤波器（infinite impulse response, IIR）。
FIR 滤波器的冲击响应h(n) 是有限序列，IIR 滤波器的冲击响应h(n) 是无限序列的。
数字滤波器的差分方程可以用下式表示：。
基于LabVIEW的虚拟数字滤波器的实验设计
２ １ 世纪是信息科学与技术 的时代 ，而数 字化 又
是 信 息技 术 发 展 的 方 向 ，其 中数 字 信 号 处 理 技 术 已 经 成 为 当今 一 门极 其 重 要 的 学 科 。 所 谓 数 字 信 号 处 理 ，主要 是 指 利 用 计 算 机 或 专 用 处 理 设 备 对 数 字 信
基于 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 的虚 拟数 字 滤 波 器 的实 验设 计
白 洁
（ 西 安交 通大 学 电气 工程学 院 ，陕西
摘
西安
７ １ ０ ０ ４ ９ ）
要 ：数 字 滤 波 器是 数 字信 号 处 理 中重 要 的 组 成 部 分 ，针 对 这部 分 内容 概 念 多 、抽 象和 学 生 理 解 困难 等
和 滤 波 器 幅 频 特 性 图选 取 最 优 的 滤 波 参 数 。其 结 构
见 图 １所 示 。
器按频率特性可分 为高通 、低通 、带通 、带 阻等类
型 ；按 冲 激 响 应 的 时 域 特 征 又 可 以分 为 Ｆ Ｉ Ｒ和 Ｉ Ｉ Ｒ
两 大 类 ，常 用 的 Ｉ Ｉ Ｒ 滤 波 器 有 巴 特 沃 斯 滤 波 器 、切 比雪 夫 滤 波 器 、椭 圆滤 波 器 和 贝塞 尔 滤 波 器 等 。为 了使 学 生 熟 练 掌 握 这 些 滤 波 器 类 型 特 点 ，灵 活 使
处 理 的模 块 ，它 不 会 涉 及 模 拟 滤 波 技 术 中 所 必 须 用 到 的 电感 和 电容 等 元 器 件 ，因 此 能 够 从 根 本 上 克 服
模 拟 滤 波 技 术 所 无 法 避 免 的 电压 漂 移 、温 度 漂 移 和
使用LabVIEW实现数字滤波器的设计
使用LabVIEW实现数字滤波器的设计引言正常情况下，电力系统中三相电力是对称的，它们之间满足一定的幅值和相位条件；但当负载变化时，系统受到影响，波形会发生畸变。
随着经济的发展，许多非线性电力负荷投入使用，使电网中谐波分量猛增，而电力系统微机保护和二次控制中，很多信号的处理与分析是基于基波和某些整次谐波的，因此，滤波器一直是电力系统二次装置中的关键部件。
目前，微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。
传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。
利用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工作平台）使用G 语言（Graphics Language，图形化编程语言）编程，可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。
由于G 语言编程具有诸多优点，因此基于LabVIEW 设计的数字滤波器具有高效、灵活、界面友好、集成性强、费用低、用户自定义功能强等诸多优点[1]。
1. 数字滤波器及其传统设计方法1.1 数字滤波器概述滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的装置。
工程上常将它用于信号处理、数据传送和抑数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它的输入和输出信号都是离散的，与模拟滤波器相比，它具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变，灵活性高等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用[2]。
数字滤波器有多种分类，按频率特性分类可以分为：高通、低通、带通、带阻；按数字滤波器冲激响应的时域特征分类可以分为：有限冲激响应滤波器（finite impulse response, FIR）和无限冲激响应滤波器（infinite impulse response, IIR）。
FIR 滤波器的冲击响应h(n) 是有限序列，IIR 滤波器的冲击响应h(n) 是无限序列的。
iir数字滤波器的设计步骤
IIR数字滤波器的设计步骤1.简介I I R（In fi ni te Im pu l se Re sp on se）数字滤波器是一种常用的数字信号处理技术，它的设计步骤可以帮助我们实现对信号的滤波和频率选择。
本文将介绍I IR数字滤波器的设计步骤。
2.设计步骤2.1确定滤波器的类型I I R数字滤波器的类型分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
根据信号的要求，我们需确定所需滤波器的类型。
2.2确定滤波器的规格根据滤波器的应用场景和信号特性，我们需确定滤波器的通带范围、阻带范围和衰减要求。
2.3选择滤波器的原型常用的I IR数字滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。
根据滤波器的需求，我们需选择适合的滤波器原型。
2.4设计滤波器的传递函数根据滤波器的规格和选定的滤波器原型，我们需计算滤波器的传递函数。
传递函数表示了输入和输出之间的关系，可以帮助我们设计滤波器的频率响应。
2.5对传递函数进行分解将滤波器的传递函数进行分解，可得到II R数字滤波器的差分方程。
通过对差分方程进行相关计算，可以得到滤波器的系数。
2.6滤波器的稳定性判断根据滤波器的差分方程，判断滤波器的稳定性。
稳定性意味着滤波器的输出不会无限增长，确保了滤波器的可靠性和准确性。
2.7选择实现方式根据滤波器的设计需求和实际应用场景，我们需选择I IR数字滤波器的实现方式。
常见的实现方式有直接I I型、级联结构和并行结构等。
2.8优化滤波器性能在设计滤波器后，我们可以对滤波器的性能进行优化。
优化包括滤波器的阶数和抗混淆能力等方面。
3.总结I I R数字滤波器的设计步骤包括确定滤波器的类型和规格、选择滤波器的原型、设计滤波器的传递函数、对传递函数进行分解、判断滤波器的稳定性、选择实现方式和优化滤波器性能等。
通过这些步骤的实施，我们可以有效地设计出满足信号处理需求的II R数字滤波器。
基于LabVIEW的IIR数字滤波器的设计
基于LabVIEW的IIR数字滤波器的设计
荣雅君;刘琳;贾艳;高广峰
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2008(24)16
【摘要】数字滤波器是数字系统的重要组成部分.利用文本文件实现数字滤波器存在滤波系数不易调整、开发周期长等问题.本文根据IIR的设计原理,采用LabVIEW 开发平台,完成了该平台下的数字滤波器的设计,经在电力系统仿真模型上的实验证明,该滤波器能有效地滤除信号中的谐波分量,提取有用分量,并且大大提高了开发效率.
【总页数】3页(P95-97)
【作者】荣雅君;刘琳;贾艳;高广峰
【作者单位】066004,河北省,秦皇岛市燕山大学电气工程学院;066004,河北省,秦皇岛市燕山大学电气工程学院;066004,河北省,秦皇岛市燕山大学电气工程学院;066004,河北省,秦皇岛市燕山大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于LabVIEW的IIR数字滤波器的设计 [J], 邹玲;郭彪;楚思红
bVIEW和Delphi混合编程实现IIR数字滤波器设计 [J], 郑冬;张河新
3.基于LabVIEW的IIR数字滤波器性能分析 [J], 桂静宜
4.基于Labview的IIR数字滤波器教学刍议 [J], 谭岳衡;眭仁武
5.基于LabVIEW平台的IIR数字滤波器设计 [J], 王丽坤;邵俊鹏;刘玉林;金婉如因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
IIR数字滤波器的设计及软件实现
IIR数字滤波器的设计及软件实现什么是IIR数字滤波器？IIR数字滤波器是一种数字信号处理滤波器，它基于递归的思想，可以对原始信号进行滤波处理。
与FIR数字滤波器相比，IIR数字滤波器具有更高的效率和更灵活的设计。
它的设计基于对滤波器的传递函数进行分析和优化，可以通过不同的传递函数来实现不同的滤波目标。
IIR数字滤波器的设计方法要设计一个IIR数字滤波器，可以采用以下步骤：步骤1：确定滤波器的类型根据滤波的目的和要求，确定滤波器的类型。
常见的滤波器类型有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
步骤2：计算滤波器的阶数滤波器的阶数是指滤波器中的二阶段数。
阶数越高，滤波器的性能越好，但也意味着计算量和实现难度会增加。
根据滤波的要求和性能要求，计算滤波器的阶数。
步骤3：选择滤波器的截止频率滤波器的截止频率是指滤波器在截止频率附近的频率响应。
对于低通滤波器和高通滤波器，截止频率通常是一个常数。
对于带通滤波器和带阻滤波器，截止频率需要确定两个频率。
步骤4：计算滤波器的传递函数根据滤波器类型、阶数和截止频率，可以通过传递函数的计算得到滤波器的传递函数。
步骤5：采用正则化处理在计算得到传递函数后，需要进行正则化处理。
正则化处理可以消除传递函数中的不稳定性，并确保滤波器的稳定性和可变性。
步骤6：实现反馈环和前馈环根据传递函数，可以实现反馈环和前馈环。
反馈环和前馈环的选择会影响滤波器的性能。
IIR数字滤波器的软件实现要实现IIR数字滤波器，可以使用MATLAB或Python等数学软件。
这里以Python为例进行说明。
步骤1：导入必要的库import numpy as np #用于处理数组和矩阵import scipy.signal as signal #用于信号处理import matplotlib.pyplot as plt #用于绘图步骤2：指定滤波器的类型、截止频率和阶数type ='lowpass'#低通滤波器fc =2000#截止频率order =4#阶数步骤3：计算滤波器的系数b, a = signal.butter(order, fc, type)步骤4：生成信号并进行滤波t = np.linspace(0, 1, 500, endpoint=False)x = np.sin(2* np.pi *5* t) + np.sin(2* np.pi *10* t) + np.sin(2* np.pi *20* t)y = signal.filtfilt(b, a, x)步骤5：绘制原始信号和滤波后的信号plt.plot(t, x, label='original signal')plt.plot(t, y, label='filtered signal')plt.legend(loc='best')plt.show()IIR数字滤波器是数字信号处理中一种重要的滤波器。
第5章基于LabVIEW的滤波器设计
第5章 基于 LabVIEW 的滤波器设计 161
带衰减特性。要想取得好的衰减特性,一般要求系统的单位抽样响应截取的长度要长。其
主要的优点是:首先,FIR 滤波器的系统是稳定的;其次,FIR 滤波器可以做 到 严 格 的 线 性相移;最后,FIR 系统允许设计多通带 (或多阻带)的滤波器。
FIR 数字滤波器的幅频响应中带有纹波,其设计就是要在满足频率响应的同时合理地 分配纹波。FIR 数字滤波器的设计方法主要是建立在对理想滤波器频率特性作某种近似的 基础上,这些近似方法有窗函数法、频率抽样法及最佳一致逼近法等。
图 5-1 几 种 常 用 滤 波 器 的 理 想 频 率 响 应
由 图 5-1 可 知 , 对 于 几 种 常 用 滤 波 器 的 理 想 频 率 响 应 描 述 如 下 。 ● 低通滤波器对信号中低 于 某 一 频 率 fc 的 成 分 均 能 以 常 值 增 益 通 过,fc 称 为 低 通
滤波器的上截止频率。 ● 高通滤波器对信号高于 某 一 频 率 fc 的 成 分 均 能 以 常 值 增 益 通 过,fc 称 为 高 通 滤
160 精通 LabVIEW 信号处理
波器的下截止频率。 ● 带通滤波器对信 号 中 高 于 某 一 频 率 fc1 和 低 于 频 率 fc2 的 成 分 以 常 值 增 益 通 过,
数字滤波器是数字信号处理最重要的内容之一,滤波器设计是信号的频域分析中的另 一个非常重要的应用。滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器,分别处理模拟信号和数字信 号。与模拟滤波器相比,数字滤波器具有下列优点:
● 可以用软件编程。 ● 稳定性高,可预测。 ● 不会因温度、湿度的影响产生误差,不需要精度组件。 ● 很高的性能价格比。 下面几种滤波操作都基于滤波器设计技术: ● 平滑窗口。 ● 无限冲激响应 (IIR) 或者递归数字滤波器。 ● 有限冲激响应 (FIR) 或者非递归数字滤波器。 ● 非线性滤波器。 在测试 VI中是使用数字滤波器。由于滤波器的分类方法很多,其参数类型也比较多, 所以,用户在 LabVIEW 中使用数字滤波器 VI时特别注意参数的设置。 另外,在 LabVIEW 中,对信号的滤波操作有两种方法:一种是用户自 己 通 过 编 程 实 现对信号的滤波和变换,这样能够作出特别适合自己的滤波程序,能很好地达到自己的要 求,但是编程相对来说比较复杂,程序可读性较差;另一种是调用 LabVIEW 中 滤 波 器 设 计的函数节点,这样编程方便而且速度快,程序执行效率高,本章重点介绍第二种方法。 本章首先介绍数字滤波器的相关知识,与模拟滤波器相比有何优点,以及在实际的应用 中如何选择适当的滤波器,然后重点讲述基于 LabVIEW 的数字滤波器的设计实现,包括有 限冲激响应 (FIR)滤波器和无限冲激响应 (IIR)滤波器的设计实现,重点讲述 LabVIEW 中巴特沃斯 (Butterworth)滤波器、切比雪夫 (Chebyshev)滤波器、椭圆 (Elliptic) 滤波 器和贝塞尔 (Bessel)滤波器函数 VI的使用,本章最后讲述基于 LabVIEW 的中值滤波器 及自适应滤波器的设计实现。
基于LabVIEW的IIR数字滤波器的设计
第26卷第3期湖 北 工 业 大 学 学 报2011年06月Vol.26No.3 Journal of Hubei University of Technology Jun.2011[收稿日期]2010-11-03[作者简介]邹 玲(1962-),女,湖北武汉人,湖北工业大学教授,研究方向为工程电磁场数值计算及电网络分析[文章编号]1003-4684(2011)03 0083 02基于LabV IEW 的IIR 数字滤波器的设计邹 玲,郭 彪,楚思红(湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北武汉430068)[摘 要]详细介绍了基于L abV IEW 虚拟滤波器的设计原理和开发过程.并以巴特沃斯低通滤波器为实例,用LabV IEW 软件模拟产生一个接近实际信号并带噪声的虚拟信号,可根据实验的需求调整参数,并通过仪器的前面板来显示滤波前后的时域波形.[关键词]LabV IEW;虚拟仪器;数字滤波器[中图分类号]T N 713,T P34[文献标识码]:A作为21世纪科学技术中的核心技术之一,虚拟仪器技术突破了以硬件为主体模式的传统电子仪器,是利用计算机自动化测试仪器的系统.虚拟仪器经由软件把计算机硬件资源和仪器有机地结合在一起,进而使计算机强大的计算处理能力同仪器硬件的控制、测量能力整合为一体,达到了减少体积与成本的目的,经过软件达到对数据的显示、分析、处理和储存的功能[1].1 数字滤波器原理数字滤波器是一种在信号中屏蔽无用噪声提取有用信号的重要装置,它在实际的信号处理中起到了重要的作用.巴特沃斯低通滤波器作为IIR 滤波器的一种,是用最平通带特性去逼近理想低通特性.其特性如下所示.1)幅频特性|H ( )|=[1+( / c )2n]-1.(1)式中,n =1,2,3, 为滤波器的阶次.2)一阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数H (s )=K b 0/(b 1s +b 0)=K /( s +1).(2)式中,s = +j , =b 1/b 0.令 =0得H (j )=H ( )=k/( j +1).(3)幅频特性A( )=|H (j )|=k /1+( / c )2.(4)相频特性(j )= ( )=-arctan =-ar ctan ( / c ).2 基于L abV IEW 的数字滤波器的应用该文研究的虚拟巴特沃斯滤波器需要一个能够产生方波、正弦波、三角波等典型信号的发生器,它是本文研究的先决条件,用来发生实验中所需要信号的波形,接着用巴特沃斯滤波器对这些波形实现滤波分析.滤波前后的信号波形能够显示在仪器前面板中的显示控件上.从而方便直观地观察和对比信号变化.滤波器类型、阶次、高低截止频率等参数能够依据测试的要求,经由仪器前面板上的对应控件选择和设定.2.1 butterw orthfilter.vi 图标的调用图1为butterw orthfilter.v i 图标,它的调用路径执行functions>analy ze>signalprocessing >fil ter >butterw orthfilter.vi 操作.图1 butter wo rthfilter.vi 图标图2为butterw orthfilter.v i 图标的参数设置.图中左侧为输入端口参数,右侧为输出端口参数.图2 but terw ort hfilter.v i 图标及其窗口2.2 前面板设计图3为虚拟巴特沃斯滤波器的前面板.两个波形显示的控件(Wavefo rmGraph)在前面板上,各自为了呈现生成模块产生的信号,这些信号是经由滤波分析前后的时域波形,滤波器类型的控件能够参考的滤波器为H ig hpass 、Low pass 、Bandstop 和Bandpass,而且能够通过低截止频率、高截止频率和阶次实现滤波器类型的确定,其他一些控件功能是确定生成信号源的参数,如信号频率、采样频率、采样点数、幅值、相位等.图3 虚拟巴特沃斯滤波器前面板2.3 程序设计在仪器的后面板也就是流程图设计中,使用case 这种分支选择结构,case 结构条件的端子输入值由一个波形类型选择的控件控制,能够决断哪个分支程序的运行,能够使用的波形类型为正弦波、三角波、锯齿波、方波,控制和调节虚拟滤波器前面板上的相应控件需要的信号波形.数据处理的模块,使用一个Butterw orthFilter.Vi 的函数,它被包含在 FunctionSig nalProcessing Filters 子模板中,这个VI 可以通过设置相关的参数达到对输入信号的滤波处理(图4).图4 虚拟巴特沃斯滤波器程序框图3 结束语通过以上仿真实验可以得出结论,当滤波器有较高的阶次时,系统中的频率响应速度就会较快,阶次越高就越能接近理想特性.采用图形化语言编程也增加了程序的可读性,在虚拟仪器系统中可以把虚拟滤波器作为子程序调用.为了达到不同环境下的测量要求,该系统完全可以并入大型虚拟仪器类电子测量系统.[ 参 考 文 献 ][1] 侯国屏,王 坤,叶齐鑫.L A BV IEW7.1编程与虚拟仪器设计[M ].北京:清华大学出版社,2005.[2] 姚天任,江太辉.数字信号处理[M ].武汉:华中科技大学出版社,1999.[3] Jose M Gr ima Palop,Jose M Andres T eruel.V irt ualWo rk Bench for Elet ronic Instrumentatio n T eaching [J].IEEE T ransaction on Education,2000,43(1):15[4] Luig ino Benetazzo ,M atteo Ber tocco,F ranco F err aris,A lessandro F err ero.A W eb Based Distr ibuted V irt ual Educat ional L abor ator y [J].IEEE T ransact ions on In str umentatio n and M easur ement,2000,49(2):349[5] Har riso n L an.T her mal analy sis of polymer s using virtual inst ruments[J],T her m chimicaActa,2001(8):367-368Design of Digital Filter Based on LabVIEWZOU Ling,GU O Biao,CH U Si hong(School of E lectr ical &Electr onic Engin.,H ubei Univ.of Tech.,Wuhan 430068,China)Abstract:T his paper descr ibes the virtual filter's design principles and dev elo pment pro cess based on the LabVIEW.Butterw orth lo w pass filter is used as an ex ample,a realistic simulation is generated w ith a no ise sig nal by LabVIEW,the virtual signal's parameter s can be adjusted,and the filtering w avefo rm can be displayed o n the instrument's front panel.Keywords:LabVIEW;v ir tual instrument;virtual Filter[责任编校:张岩芳]84湖 北 工 业 大 学 学 报2011年第3期。
基于labview的虚拟数字滤波器的设计
基于LabVIEW 的虚拟数字滤波器的设计摘要:通过对IIR 数字滤波器算法的研究，得出IIR 数字滤波器的设计方案经过仿真实脸表明该滤波器能够滤除信号中的噪声，滤波效果良好，可与其它大型虚拟电子测量系统兼容以完成不同环境下的测量要求.关键词:虚拟仪器;LabVIEW;数字滤波器随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，为虚拟仪器技术的发展提供了广阔的前景.在世界范围内，汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过LabVIEW 提高了应用开发的效率，其应用涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段.虚拟数字滤波器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用.1数字滤波器概述滤波器是一种选频装置，它对某一个或几个频率范围(频带)内的电信号给以很小的衰减，使这部分信号能顺利通过;对其它频带内的电信号则给以很大的衰减，从而尽可能地阻止这部分信号的通过.在更多的情况下，滤波器被狭义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻.所谓数字滤波器是指输人、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输人信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分的器件.数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中，相对于模拟滤波器，数字滤波器具有以下显著优点:(1)精度高;(2)灵活性大;(3)可靠性高;(4)易于大规模集成;(5)并行处理.数字滤波器的这些优势使它的应用越来越广泛，在数字通信、语音图像处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用.数字滤波器总的说来可以分成两大类.一类称为经典滤波器，即一般的滤波器，特点是输人信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带，通过一个合适的选频滤波器达到滤波的目的.而另一类现代滤波器，例如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等最佳滤波器.1.1滤波频率特性的逼近准则以低通滤波器的幅频特性为例来分析滤波频率特性的逼近准则.巴特沃斯滤波器( Butterworth)这种滤波器的特征是其通带和阻带都有平坦的幅度响应.N 阶低通滤波器的幅度平方函数(也称之为原型滤波器)2)( j H a 的表达式为2)(Ωj H a =Ncc 22)(11ΩΩ+, 其中CΩΩ为归一化频率，为低通滤波器的上截止频率，N 为滤波器的阶数，N 越大就越逼近理想特性.切比雪夫滤波器的幅度特性就是在一个频带中(通带或阻带)具有这种等波纹特性，在这里，只介绍切比雪夫I 型滤波器的设计方法.切比雪夫I 型滤波器是一个全极点滤波器，其幅度平方函数为 2)(Ωj H a =)(1122c N C ΩΩ+ε.在相同的通带内，N 越大通带内波动次数就相应增加，而在阻带内衰减的频率也越快，与理想特性越接近.1.2 IIR 数字滤波器算法等效在现代由计算机组成的控制系统中，数字滤波器的使用越来越广泛，通过执行一段相应的程序即可实现数字滤波.因果稳定的Ha(s)映射成因果稳定H(z)，即s 平面的左半平面必须映射到z 平面单位圆的内部. H(z)的频率响应能模仿Ha(s)的频率响应，即s 平面的虚轴必须映射到z 平面的单位圆上.变换前后的滤波器在时域或频域的主要特征(频率响应或单位冲激响应等)应尽可能相同或接近.将传输函数Ha(s)从s 平面转换到z 平面的方法有多种，主要有冲激不变法和双线性变换法.在这里采用冲激不变法.设得到的模拟滤波器的传输函数Ha(s)对应的单位冲击响应为ha(t)，即Ha(s)=LT[ha(t)],对ha(t)进行间隔为T 的等间隔采样，采到的值形成序列h(n)，即h(n)=)(nT h a =nT t t h a =)(,把h(n)作为数字滤波器的单位脉冲相应，对其作Z 变换，就是数字滤波器的系统函数H(z).设模拟滤波器Ha(s)只有单阶极点，极点为i s ，且为有理多项式，则可以将Ha(s)表示为将Ha(s)进行拉氏逆变换，得对Ha(t)进行采样，采样间隔是T，得再对h(n)进行Z变换，就得到了数字滤波器的传输函数对比式(1)和式(2)可知在s平面上的极点映射到z平面上，变成极点T s i e,系数A不变.即iω.如果不考虑混叠现象，这种方法实由于频率坐标变换是线性的，即TΩ=现的数字滤波器会很好地重现原模拟滤波器的频率特性.而且数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好.在本设计中，用冲激函数作为系统激励信号，用各种数字滤波器作为测试系统.冲激函数具有无限宽广的频谱，用冲激函数做激励信号相当于对测试系统输人所有频率的信号，系统必然有对应的输出.用Transfer函数计算出系统输出与输人的傅立叶变换之比，从而得到系统的频率响应函数.2系统前面板设计LabVIEW程序由两部分组成:前面板程序和框图程序.整个程序基于多线程设计，即前面板和系统程序各占用一个线程.前面板是用户接口，即交互式界面，用于用户向程序中输人各种控制参数和观察输出量，在前面板中，使用了各种仿真图标，如开关、旋钮等，并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板.本文中前面板的设计，充分发挥LabVIEw的特长，即建立了友好的人机操作界面，系统前面板如图1所示.图1 频率响应测试系统前面板按图1所示的频率响应测试系统的前面板.用户可以很方便地进行滤波器类型的选择，设置滤波器的阶次、低(高)端截止频率、通带波纹等各项参数.系统相关参数设置如下:频率响应函数幅值轴设置为Autoscale.低端截止频率设为2000，高端截止频率为4000，阶次设定为5，类型有Lowpass, Band-stop, Bandpass ,Highpass4种选择，通带滤波为0.80 dB.3系统程序设计框图程序如图3所示.框图程序包含有两个模块，即两个case结构:一个用来实现频率响应测试;另一个用来模拟从混有高频噪声的信号数据中提取正弦波.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.图3 程序框图模块一:频率响应测试模块.频率响应测试时采用冲激函数做激励信号，通过在Functions > all functions > Analyze > Signal Processing > Signal Generation > Impulse Pattern. vi函数子模板中调用来实现，并且需要对冲激函数的采样数、幅值和延时3个参数进行设置.用Transfer函数计算出系统输出与输人的傅立叶变换之比，从而得到系统的频率响应函数.在本设计系统中，共包含有4种类型滤波器，分别为:巴特沃斯滤波(Buttenvorth )、切比雪夫滤波器(Chebyshev)、贝塞尔滤波器(Bessel )、椭圆滤波器(El- lipse).通过在Functions > all functions > Analyze > Signal Processing > Filters中调用相应的函数子模板来实现，并且对滤波器的阶次、类型、低(高)端截止频率、通带波纹等各项参数进行设置，为了验证所设计的系统对滤波器频率响应特性分析的效果，将开关设置为“开”的状态.如果由于四种滤波器的波形全部在一个波形测量节点显示会影响观测效果，所以在程序设计时，将滤波器的波形分成两组输出.在LabVIEW中调用functions > Analyze > Signal Processing > frequence domain > transfer function. vi来计算两个滤波器的频率响应函数.模块二:使用低通滤波器提取正弦波模块，通常微机应用系统的输人信号中会不可避免地受到各种噪声的干扰，可以采用数字滤波方法对其予以削弱或滤除.本模块输人信号为一个正弦波，并加人一个白噪声来模拟信号传输中的干扰信号，在设计过程中，使用巴特沃斯低通滤波器滤除噪声分量，从而达到提取正弦波的目的.该模块程序中共有两个巴特沃斯滤波器.首先调用LabVIEW中Functions > all functions > Malyze > Signal Processing > Signal Generation中的SinePattern. vi子程序和Uniform White Noise. vi子程序产生一个正弦波和均匀分布的白噪声(用来模拟实际混人的干扰信号)，干扰信号通过一个巴特沃斯高通滤波器(滤波器的截止频率设为100 HZ，即滤掉频率小于I00 HZ的低频噪声)，生成一个高频噪声并与正弦信号叠加，用来模拟喊有噪声的采样序列，该信号再经过一个巴特沃斯低通滤波器，截止频率为25 HZ，即可以滤除频率大于25 HZ的高频噪声，进而实现正弦波提取.图4和图5分别为滤波前后的时域信号波形图.图4 滤波前时域信号波形图图5 滤波后时域信号波形图4结束语通过仿真实验可以证实，当滤波器的阶次较高时，系统的频率响应速度越快，阶次越高就越接近理想特性.本例选用巴特沃斯滤波器，它拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外，频率响应单调下降.在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零.巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应，缺点是通带与阻带之间过渡缓慢.相比之下，切比雪夫滤波器的幅度特性在通带中具有这种等波纹特性，并且阶次越高等波纹也相应增加，同时阻带内衰减也相应增加.基于LabVIE W的数字滤波器设计，使得滤波后噪声得到了有效抑制.滤波效果良好，可以比传统方式节省大量的开发时间，开发效率很高，由于采用图形语言编程，程序可读性增强，并且可以将其作为子程序在虚拟仪器系统中调用，具有很强的通用性，该系统可并人大型虚拟仪器电子测量系统以完成不同环境下的测量要求.参考文献:[1]杨乐平，李海涛，杨磊. LabVIEW程序设计与应用[M]. 北京:电子工业出版社,2005.[2]阎毅，黄联芬.数宇信号处理[M].北京:北京大学出版社，2006.[3]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社，2001.[4]张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器[M].北京:电子工业出版社，2004.[5]侯国屏.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社，2005.。
基于LabVIEW的数字滤波器
摘要随着微电子集成技术和微计算机技术的飞速发展，数字滤波器作为一种信号处理的重要测试仪器得到了更快的发展，不仅其功能越来越强、精度越来越高，而且外形越来越美观。
但现有的数字滤波器价格普遍偏高，使其应用受到一定限制。
充分利用虚拟现实技术研究功能强大、性价比高的虚拟数字滤波器，使之更好地满足实际应用的需求，具有很好的现实意义。
本文利用功能强大的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW并通过分析数字滤波的基本理论及所涉及到的各种滤波算法，在此基础上进行了虚拟数字滤波器（巴特沃斯数字滤波器演示仪)的软件设计。
通过在演示仪上“滤波器参数设置”，实现低通、高通、带通、带阻滤波器并通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，了解滤波器的特性与功能，选取最优的滤波参数。
最后对虚拟滤波器进行了实验，实验结果达到了预先的设计要求。
关键字：虚拟仪器,LabVIEW,数字滤波器ABSTRACTWith the rapid development of microelectronics integration technology and micro computer technology, digital filters, as a kind of signal processing important test instrument get faster development, not only the function is more and more strong, precision more and more high, and the appearance more and more beautiful . However, the current digital filter prices are generally high, making it subject to certain restrictions in application.Make full use of the virtual reality technology to develop cost-effective virtual digital filter which can better meet the needs of practical application, has the very good practical significance.In this paper, by a powerful graphical development platform LabVIEW virtual instrument and analyzing the basic theory of digital filtering and involved a variety of filtering algorithms ,We can make the software design of virtual of digital filter (Butterworth digital filter Demonstrator) B y a "filter parameter" for low pass, high pass, band pass, band stop filter on the demonstrator and through the observation "filtering demo map", " the before and after filtering signal amplitude-frequency characteristics map" and "the amplitude-frequency characteristic map" and the signal to noise ratio before and after filtering and distortion ,we can understand the features and functions of the filter and select the optimal filter parameters. Finally, a virtual filter of the experimental results can meet the pre-design requirements.KEY WORDS: Virtual Instruments, LabVIEW, digital filter目录1绪论 (1)1.1虚拟仪器的概述 (1)1.1.1虚拟仪器概念 (1)1.1.2虚拟仪器的现状 (1)1．1.3虚拟仪器与传统仪器的对比 (3)1.2课题研究的背景和意义 (3)1.3本课题研究的主要内容 (4)2数字滤波器 (5)2.1数字滤波器简介 (5)2.1.1滤波及数字滤波器 (5)2.1.2数字滤波器的分类 (5)2.2数字滤波器的基本原理 (7)2.2.1FFT算法和数字滤波理论基础 (7)2.2.2IIR数字滤波器算法 (8)3基于LABVIEW的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计 (11)3.1虚拟数字滤波器的总体设计思路 (11)3.2虚拟数字滤波器的功能 (11)3.3虚拟数字滤波器的软件实现 (11)3.3.1虚拟仪器的开发平台LABVIEW简介 (11)3.3.2巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计 (15)4虚拟数字滤波器的调试及结果分析 (23)4.1虚拟数字滤波器的仪表功能 (23)4.2程序的调试 (23)4.3实验总结与思考 (38)5结论与展望 (39)致谢 (41)参考文献 (43)附录 (45)1绪论1.1虚拟仪器的概述1.1.1虚拟仪器概念英国国家物理实验室(NPL)的定义：虚拟仪器是在通用计算机(如PC机、Mac 或工作站)中加上软件和或硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界而的可重用测量仪器。
基于LabVIEW的虚拟数字滤波器的设计
拟数字 滤波 器 的设 计在 电子测量 领域 中将 会 发挥极 大 的作用 ．
１ 数 字 滤 波 器概 述
滤波器是一种选频装置 ， 它对某一个或几个频率范围（ 频带） 内的电信号给以很小 的衰减， 使这部 分信号能顺利通过 ； 对其它频带内的电信号则给以很大的衰减 ， 从而尽可能地阻止这部分信号的通过． 在更 多 的情况下 ， 滤波 器被狭义 地 理解 为 选 频 系统 ， 如低 通 、 高通 、 通 、 阻 ． 谓 数 字 滤波 器 是指 输 带 带 所 入 、 出均 为数 字信号 ， 输 通过 一定 的运算关 系改 变输入 信号所 含频率 成分 的相 对 比例 或滤 除某些频 率成 分的器件． 数字滤波器是数字信号处理中最重要 的组成部分之一， 几乎 出现在所有的数字信号处理系统
丁 硕
（ 渤海大学 信 息科 学与工程 学院 ， 宁 锦 州 １ １０ ） 辽 ２ ００
摘 要： 通过对 Ｉ Ｉ Ｒ数字滤波器算法的研 究 ， 出 Ｉ 得 Ｉ Ｒ数字滤波器的设计方案． 经过仿 真实验表 明该滤波器
能够滤除信 号 中的噪 声， 滤波效果 良好 ， 可与其 它大型虚拟 电子测 量 系统 兼容 以 完成 不 同环境 下 的测 量
称为经典滤波器 ， 即一般的滤波器 ， 特点是输人信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不
同的频带 ， 通过 一个 合适 的选 频滤 波器达 到 滤波 的 目的． 而另一类 现代 滤波器 ， 如维纳 滤波器 、 例 卡尔曼
基于LabVIEW的IIR数字滤波器性能分析
基 于Ｌ ａ ｂ Ｖｌ Ｅ Ｗ 的Ｉ Ｉ Ｒ 数 字滤 波器 性 能分 析
湖 北理 工学院电气与电子信 息工程 学院 桂静 宜
【 摘要 】详细介绍 了基 于Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ ｗ 的Ｉ Ｉ Ｒ数 字滤波 器设计原理 和开发过程 。该 滤波 系统不仅可 以通过前 面板 方便 地调 整 滤 波器的种 类和 类型 ，而且还可 以根据 实际需求灵活地调 整滤波参数 ，显 示设 计结果 。最后 以 占空比可调 的矩形波信 号等 为例 ，分析 滤波前后信 号的 时域波形和频谱 图。仿真 结果表 明 ，所设计 的 系统性能与ｌ ｉ Ｐ － 滤波 器理论吻合 、滤波效
还有完善的图表可查 ，所 以Ｉ Ｉ Ｒ 滤波器常用 间接法设计 。 滤 波 器 频 率 响 应 是 描 述 滤 波器 动 态 特 性 的重 要 参 数 ，它与系统函数 的关系是 ：
） ＝ ） ｝ （ ３ ）
但 是 ，传统 的应用Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 文本文 件 实现的 数字滤 波 器 在使 用 中与硬件 接 口程 序 复杂 、滤 波系 数调整 困难 ， 不 能方 便地 构成系 统来测 试滤 波器在 工程应 用 中 的性 能
Ｉ Ｉ Ｒ 滤波器 的设计就是确 定其系统函数 ，即确定系数 ｑ 和 ，从而满 足所给的技术指标要求 。设计 方法 包括 “ 直 接法 ”和 “ 间接法 ”两种 。 “ 直接法”需要在确定最佳准
广 泛 。根 据 单位脉 冲响应 的时域 特 点 ，数 字滤波 器分 为
无 限冲 激 响应 （ Ｉ Ｉ Ｒ ） 滤 波 器 和有 限冲 激 响 应 （ Ｆ Ｉ Ｒ ） 滤 波
器 。Ｉ Ｉ Ｒ 滤波器 可 以借助模 拟滤波器 的设 计成果 、对设 计 工 具 的要求 不高 ，主要用 于具 有片 断常数特 性 的通带 滤 波 器 的设计 。其主 要 的缺 点是 不容 易实现 线性相 位 ，在 同样技术指标 的前提下 ，Ｉ Ｉ Ｒ 滤波器设计 成本低 。所 以在 对 线性相 位 要求不 高 的语 音通 讯 、语 音处 理等领 域波性能 测试系 统 ，可 以很方便 地修 改滤
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智能化测控技术设计论文
智能化测控技术课程设计
第二章基于Labview虚拟滤波器的设计
2.1 labview简介
LabVIEW 是NI（National INSTRUMENT，美国国家仪器）公司推出的一种基于G 语言的虚拟仪器（virtual INSTRUMENT，VI）开发工具。
LabVIEW 编程使用图形化语言，它是非计算机专业人员使用的工具，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，因此，LabVIEW 在世界范围内的众多领域如航空、航天、通信、电力、汽车、化学等领域得到广泛应用。
LabVIEW 有两个基本窗口：前面板窗口和流程图窗口。
编译环境下显示两个窗口，前面板用于放置控制对象和显示对象，控制对象相当于常规仪器的控制和调节按钮；前面板用于显示程序运行结果，相当于常规仪器的显示屏幕或指针。
流程图窗口用于编写和显示程序的图形源代码，它相当于语言编程中一行行的语句，它由各种能完成一定功能的模块通过连线连接而成。
当编写的LabVIEW 程序调试无误后，可将程序编译成应用程序。
此时，设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW 开发环境，用户只需通过前面板进行控制和观测。
2.2 基于labview的数字滤波器设计
数字滤波器的传统设计过程可归纳为以下三个步骤：
(1)按照实际需要确定滤波器的性能要求。
(2)用一个因果稳定的系统函数(即传递函数)去逼近这个性能要求。
此函数
可以分为两类：即IIR 传递函数和FIR 传递函数。
(3)用一个有限精度的运算去实现这个传递函数。
FIR 滤波器设计实质是确定能满足要求的转移序列或脉冲响应的常数，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。
目前，FIR 滤波器设计没有封闭的设计公式。
虽然窗函数法对窗口函数可给出计算公式，但计
第二章基于Labview虚拟滤波器的设计
算通带与阻带衰减仍无计算公式。
FIR 滤波器的设计只有计算程序可循，因此对计算工具要求较高，不用计算机编程一般很难实现。
IIR 滤波器的设计源于模拟滤波器设计，它通过对低通滤波器进行模拟频率变换得到。
常用的IIR 滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、切比雪夫Ⅱ滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。
目前，IIR 滤波器的设计可以借助模拟滤波器的成果，有封闭形式的设计公式，对计算工具的要求不高。
IIR 滤波器的设计虽然简单，但脱离不了模拟滤波器的设计模式，主要用于设计低通、高通、带通及带阻滤波器。
而FIR 滤波器的设计要灵活得多，尤其是频率采样设计法更易适应各种幅度特性和相位特性的要求。
电力系统滤波器可以从电力信号中将所需频段的信号提取出来并将干扰信号滤除或大大衰减。
利用LabVIEW 可以设计出满足电力系统需要的滤波器，利用LabVIEW 设计的IIR 数字滤波器前面板，前面板上有参数设置、波形显示两个区域。
在参数设置区域有六个设置项：滤波器选择、滤波器类型、下截止频率、上截止频率、采样频率、阶次、纹波、衰减；选择的滤波器不同时，需要设置的项也不同。
波形显示区域用于显示滤波前后的波形，在此区域可直观地看出滤波效果。
利用LabVIEW 实现的数字滤波，采用了图形语言编程，与采用文本语言编程相比，能缩短40%～70%的开发时间；与硬件仪器相比，又具有容易调整滤波器类型、降低成本、滤波效果直观等优点。
基于LabVIEW 编写的程序还可以将其作为子程序在其他虚拟仪器系统中调用，大大增强了程序的通用性。
2.3 数字滤波器的选择步骤
LabVIEW 为设计者提供了FIR 和IIR 滤波器VI，使用起来非常方便，只需要输入相应的指标参数即可，不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。
滤波器VI 位于LabVIEW 流程图面
Function>>Analyze>>SignalProcessing>>Filters 上。
不同滤波器VI 滤波时均有各自的特点，因此它们用途各异。
在利用LabVIEW 实现滤波功能时，选择合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可参照不同滤波器的特点，考虑滤波
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的实际要求来选择合适的滤波器。
各种滤波器的特点及选择滤波器的步骤见下图。
图2-1 数字滤波器选择步骤
第三章软件设计
第三章软件设计
3.1前面板的设计
在Labview环境下开发的应用程序称为VI（Virtual Instrument）。
VI是Labview的核心，有一个人机交互的界面——前面板，和相当于源代码功能的菜单框图程序——后面板组成，前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量和显示量两类对象。
在前面板中，控制量模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序，例如开关、旋钮等，而显示量则是模拟了仪器的输入装置并显示由框图程序获得或产生的数据，例如用于显示波形的窗口等。
后面板又称为代码窗口或流程图，是VI图形化的源程序，在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出等功能，流程图中包括前面板上没有但编程必须有的对象，如函数、结构和连线等[2]。
前面板如图3-1所示，由以下几个部分组成：参考信号的参数设置、待处理信号的参数设置、滤波结果的实时显示以及原始信号的波形图和滤波结果的波形图，可以设置参考信号的幅值和频率，也可以对3路正弦信号设置频率幅值和相位，程序成功运行后就可以从滤波实时显示区得到滤波结果的频率幅值和初相位，同时在波形显示区中也可以得到相应的波形，使结果更为直观地反映出来。
数字滤波器的前面板如下图所示。
前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实滤波器的前面板。
由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟滤波器控制软件的核心。
在设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁，用户能通过面板上的各种按钮、开关等控键来控制虚拟滤波器的工作。
实际中的待测信号可以由数据采集卡实时采集滤波，也可以由数据采集卡采集后保存为LabVIEW所能够识别的文件形式，之后再由LabVIEW进行分析滤波。
在这里用基本的信号(正弦波，余弦波，方波，锯齿波)来模拟原始信号。
程序采用窗
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函数法的计算流程，将窗函数与需要滤波的信号进行卷积实现信号的滤波。
使用者可对原始信号，噪声信号和滤波器参数进行设置。
原始信号的波形图，滤波的结果都可得到实时显示。
这样，在程序成功的运行后就可以从显示区得到结果，使结果更为直观的反映出来。
图3-1 前面板的设计
3.2 流程图的设计
本数字滤波器的后面板即程序代码框图如图3-2所示。
框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。
节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。
框图中的每一个对象端点与前面板上的对象(控制或显示)一一对应。
不同的线型代表不同的数据类型，在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。
后面板如图3-2所示，后面板中的控件与前面板中的控件相对应，并且通过连线、添加程序以及加入各种信号等措施进行编程，实现自相关滤波的功能，同时通过在前面板设置各种不同的参数，成功地运行程序，实现所要求的目标，为了实现这一功能，笔者又添加了激励信号源、滤波器加法器和乘法器等各种运算器，经过运行程序，测试结果显示能够实现从一个包含多种频
第三章软件设计
率成分的信号中提取出所需单一频率信号的功能，相当于实现了滤波，由于这种滤波的思路是从相关函数的定义出发的，因此成为相关滤波器。
在这里，用仿真信号发生器来模拟待测的信号，在实际中这个待测信号通常由数据采集卡采集得到，输入的待测信号为3路正弦信号的叠加，需要从中检测出20Hz的信号，这个测试VI实现了相关滤波过程的动态显示，使用了循环结构。
图3-2 滤波器的后面板
附录
附录
图1 数字滤波器的输入输出信号波形。