東南大學(xué)虛擬儀器第五次數(shù)字濾波器課件

1、東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 虛 擬 儀 器 實(shí)驗(yàn)報(bào)告第 五 次實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 生 物 醫(yī) 學(xué) 工 程 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 同組人員： 學(xué) 號(hào)： 實(shí) 驗(yàn) 室: 醫(yī)用電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心（綜合樓716） 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2014.11.4 14節(jié) 評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 14目錄一、 實(shí)驗(yàn)題目3二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容31.1實(shí)驗(yàn)方案31.1.1 方案概述31.1.2 方案流程圖41.2程序框圖設(shè)計(jì)51.2.1方案優(yōu)缺點(diǎn)分析71.3程序前面板設(shè)計(jì)81.4調(diào)試過(guò)程91.5結(jié)果分析101.6使用說(shuō)明13四、 心得體會(huì)13五、 參考文獻(xiàn)141、 實(shí)驗(yàn)題目1使用低通濾波器從

2、含有噪聲的信號(hào)中提取有用的正弦波(見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)九 數(shù)字濾波器中的第一題) 目的：用數(shù)字濾波器從含有高頻噪聲的采樣數(shù)據(jù)中提取正弦信號(hào)。2、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.明確數(shù)字濾波器的基本概念，了解數(shù)字濾波器的功能。2.學(xué)習(xí)如何應(yīng)用數(shù)字濾波器從含有噪聲的信號(hào)中提取有用的信號(hào)。 3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求：輸入信號(hào)為一正弦波，并加入一個(gè)白噪聲的干擾來(lái)模擬信號(hào)傳輸中的隨機(jī)干擾信號(hào)（用以模擬含有噪聲采樣序列）。（模擬含有噪聲采樣序列具體可用正弦波信號(hào)疊加高頻噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了使濾波效果明顯，本實(shí)驗(yàn)的高頻噪聲是用高頻均勻分布白噪聲（Uniform）通過(guò)Butterworth高通濾波器過(guò)濾生成的，高通濾波器的截止頻率設(shè)為10

3、倍輸入信號(hào)頻率。）在程序中設(shè)計(jì)一個(gè)低通巴特沃斯濾波器，以濾除信號(hào)中的噪聲分量，提取輸入的正弦波信號(hào) ?？烧{(diào)節(jié)信號(hào)濾波器的截止頻率和階數(shù)，可顯示濾波前與濾波后的時(shí)域信號(hào)。給出濾波前與濾波后的頻譜特性的顯示。1.1實(shí)驗(yàn)方案1.1.1 方案概述首先使用正弦波形控件 并設(shè)定信號(hào)的參數(shù)和采樣信息，產(chǎn)生正弦波。使用均勻白噪聲波形 并設(shè)定采樣信息產(chǎn)生白噪聲；將噪聲通過(guò)高通濾波器，濾除10倍以下正弦信號(hào)波頻率的噪聲。將正弦信號(hào)和白噪聲疊加，產(chǎn)生待處理的混合信號(hào)，并在前面板顯示波形。將混合信號(hào)通過(guò)一截止頻率與階數(shù)均可變的低通濾波器進(jìn)行濾波，并在前面板顯示波形。將混合信號(hào)與濾波后信號(hào)分別通過(guò)FFT頻譜 進(jìn)行傅里葉

4、變換，得到頻譜圖像在前面板顯示。本次試驗(yàn)采用兩種不同的控件進(jìn)行濾波。1.1.2 方案流程圖開(kāi)始設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生正弦波產(chǎn)生均勻白噪聲經(jīng)過(guò)高通濾波器濾除10倍以下信號(hào)頻率的波合成待處理信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器提取正弦信號(hào)設(shè)定階數(shù)與截止頻率處理后信號(hào)顯示信號(hào)波形經(jīng)過(guò)FFT頻譜生成頻譜信號(hào)顯示信號(hào)處理前后的頻譜波形顯示信號(hào)波形1.2程序框圖設(shè)計(jì)首先運(yùn)用正弦波形控件 正弦波的頻率與幅度均可以用數(shù)值輸入控件改變，采樣頻率與采樣個(gè)數(shù)也可以用數(shù)值輸入控件設(shè)置數(shù)值，這就產(chǎn)生了一個(gè)正弦信號(hào)。運(yùn)用均勻白噪聲控件 ，其采樣頻率與采樣個(gè)數(shù)設(shè)置為與控制正弦波的采樣信息相同，產(chǎn)生均勻白噪聲。將白噪聲通過(guò)高通濾波器 并設(shè)置濾波器截止頻

5、率為10*正弦信號(hào)頻率，得到濾波后的均 勻白噪 聲信號(hào)。將正弦信號(hào)與噪聲信號(hào)混合疊加，得到待處理信號(hào)，并在前面板顯示波形。將待處理信號(hào)通過(guò)FFT頻譜控件與波形圖，顯示未處理信號(hào)的頻譜圖。接下去本次試驗(yàn)，我們采用了兩種濾波方案。方案一采用了Butterworth濾波器 進(jìn)行濾波。設(shè)置濾波器類型為低通濾波器，添加2個(gè)數(shù)值輸入控件，用于控制濾波器的階數(shù)與低截止頻率。運(yùn)用按名稱解除捆綁 將采樣信息的簇解除捆綁，得到采樣頻率與采樣個(gè)數(shù)。將采樣頻率連接到低通濾波器的采樣頻率段，設(shè)置其采樣頻率。將濾波后的信號(hào)通過(guò) 進(jìn)行捆綁成簇。設(shè)置初值x=0，步長(zhǎng)dx=1采樣頻率，將簇連接波形圖，產(chǎn)生時(shí)域信號(hào)波形。將濾波后

6、的信號(hào)通過(guò)FFT頻譜 由幅度端點(diǎn)輸出，將捆綁好的信號(hào)簇解除捆綁 取得信號(hào)的y值；將采樣頻率/采樣個(gè)數(shù)得到頻譜信號(hào)的步長(zhǎng)，設(shè)定頻譜信號(hào)的初值為0；將以上三個(gè)數(shù)據(jù)捆綁成簇 連接波形圖顯示于前面板。方案二采用了簡(jiǎn)單的濾波器 設(shè)置其階數(shù)與類型，又添加了1個(gè)數(shù)值輸入控件，僅能進(jìn)行低截 止頻率的控制。然后將濾波后產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò) 在前面板顯示。將信號(hào)通過(guò)FFT頻譜 產(chǎn)生頻譜信號(hào)，在前面板顯示。 波形生成控件 FFT頻譜（幅度-相位）濾波器1.2.1方案優(yōu)缺點(diǎn)分析方案一實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)要求中的可改變?yōu)V波器的截止頻率與階數(shù)，但由于采用 ，輸出數(shù)據(jù)為一維數(shù)組，當(dāng)連接波形圖時(shí)需要通過(guò)簇設(shè)置其初值與步長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)FFT后，由于

7、輸出為捆綁好的簇，需要先解除捆綁，然后再設(shè)置捆綁，才能得到正確的波形。程序變得復(fù)雜了。方案二中濾波器 的使用操作簡(jiǎn)單，其輸出信號(hào)可以直接連接波形圖進(jìn)行顯示。也 可直接進(jìn)行FFT然后顯示，程序簡(jiǎn)單。不足之處為用戶不能自由 設(shè)定濾波器的階數(shù)，只能設(shè)定其截止頻率。兩種方案各有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)不需要改變?yōu)V波器階數(shù)時(shí)推薦采用方案二，程序簡(jiǎn)單易懂。但方案一的設(shè)定更加靈活，其參數(shù)的設(shè)定可以加深我們對(duì)傅里葉變換及濾波器原理的理解。1.3程序前面板設(shè)計(jì)在前面板添加6個(gè)波形圖控件，用于顯示波形。設(shè)置時(shí)域信號(hào)波形圖控件x軸為時(shí)間，y軸為幅度；頻譜信號(hào)波形圖控件x軸為頻率，y軸為幅度。改變6個(gè)圖的標(biāo)簽以示區(qū)分。添加數(shù)值輸入控

8、件用于控制濾波器階數(shù)與截止頻率。添加提示，方便用戶使用。添加背景圖進(jìn)行美化。在程序框圖的操作導(dǎo)致前面板自動(dòng)產(chǎn)生了設(shè)定正弦信號(hào)頻率幅值以及采樣信息的輸入控件。1.4調(diào)試過(guò)程此次實(shí)驗(yàn)遇到了很多問(wèn)題，首先是信號(hào)如何產(chǎn)生的問(wèn)題。如果采用這2個(gè)控件則無(wú)法設(shè)置正弦波采樣頻率。同樣的均勻白噪聲控件 也存在這個(gè)問(wèn)題。在查閱大量資料和查看范例后，我發(fā)現(xiàn)使用 產(chǎn)生信號(hào)就可以設(shè)置需要的參數(shù)，方便的產(chǎn)生波形了。采樣頻率和采樣個(gè)數(shù)，我之前一直沒(méi)有完全明白，通過(guò)不斷調(diào)試，我知道了t=N/Fs即采樣時(shí)間為采樣數(shù)除采樣頻率。關(guān)于信號(hào)疊加，兩個(gè)信號(hào)如果類型相同，可以直接用 ，或者可以用 創(chuàng)建波形。濾波器控件選擇問(wèn)題上我也思考了

9、好久，使用這個(gè)控件時(shí) 較為方便，而使用 參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜，但更加符合實(shí)驗(yàn)要求。剛開(kāi)始濾波后波形不對(duì)，結(jié)果反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)濾波器類型為高通時(shí)應(yīng)該設(shè)置其高截止頻率，而非低截止頻率，反之亦然。將波形得到后，對(duì)于如何得到幅頻曲線我不太清楚，Labview中有很多控件可以使用，我在查看了范例后決定使用 該控件直接生成了幅頻特性曲線與相頻特性曲線。十分方便。在最初的圖像生成后，我發(fā)現(xiàn)方案一產(chǎn)生的波形圖x軸坐標(biāo)不對(duì)，結(jié)果思考，我發(fā)現(xiàn)根源在于波形圖控件會(huì)對(duì)輸入的y值進(jìn)行自動(dòng)匹配x值，所以我采用捆綁簇使x軸的初值與步長(zhǎng)符合要求。而要改變頻譜圖的x軸，則需要先將FFT后的簇解捆綁再重新按要求捆綁成簇進(jìn)行波形顯示。

10、為方便用戶使用，我們最后添加了提示語(yǔ)句。但發(fā)現(xiàn)文本顯示控件在每次重新打開(kāi)后文字就沒(méi)了，問(wèn)老師后，知道需要經(jīng)過(guò)初始化。我在前面板放了一張圖片作為背景，比之前的前面板美觀多了。1.5結(jié)果分析分析：設(shè)置正弦信號(hào)頻率為10Hz，正弦信號(hào)幅值為20V。采樣頻率為500Hz，采樣個(gè)數(shù)為500。截止頻率為15Hz。方案一設(shè)置濾波器階數(shù)為2后，濾波效果與方案二（已經(jīng)設(shè)置為二階濾波器）相同。分析：方案一濾波器階數(shù)設(shè)置為大于2階，如5階時(shí)，濾波效果更好，信號(hào)的幅度更加接近正弦信號(hào)幅度20V?？梢?jiàn)濾波器階數(shù)越高，濾波效果越好。分析：采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)少，如上圖，得到的波形效果就差。分析：上圖一設(shè)置了濾波器截止頻率為100H

11、z，上圖二設(shè)置了截止頻率為15Hz，濾波的效果明顯優(yōu)于圖一。所以截止頻率的設(shè)定越接近所求信號(hào)，濾波效果越好。分析：正弦信號(hào)的幅度若小于噪聲的幅度（10V），信號(hào)的頻譜圖不如正弦信號(hào)幅度大的好，如果噪聲很大，就有可能影響頻譜分析。解決方法可以是加高階濾波器，也可以是在前端對(duì)正弦信號(hào)先進(jìn)行放大，再進(jìn)行分析。兩者可結(jié)合使用，對(duì)我們專業(yè)的人體微弱信號(hào)分析有益。1.6使用說(shuō)明設(shè)置正弦信號(hào)的幅度與頻率，設(shè)置合理的采樣信息。根據(jù)提示設(shè)定濾波器參數(shù)，點(diǎn)擊 ，即可在波形圖上看到原始信號(hào)的時(shí)域和頻譜圖，以及兩種方案處理后的信號(hào)的時(shí)域與頻譜圖。改變?cè)O(shè)定的參數(shù)，可以觀察圖像的變化，從而理解那些參數(shù)的重要意義。4、 心得體會(huì)通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)我學(xué)會(huì)了如何使用濾波器，在選擇濾波器控件時(shí)要多方面考慮，盡量使用既滿足要求，操作又簡(jiǎn)單的控件。我知道了高通濾波器需要設(shè)置其高截止頻率，低通濾波器要設(shè)置其