基于LABVIEW的多功能濾波器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 PAGE21 / NUMPAGES22目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc201226384摘要 PAGEREF _Toc201226384 h 1HYPERLINK l _Toc201226386緒論2HYPERLINK l _Toc201226404濾波器的總體設(shè)計(jì)方案2HYPERLINK l _Toc201226405濾波器的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)3HYPERLINK l _Toc201226406信號(hào)發(fā)生模塊3HYPERLINK l _Toc201226407濾波去噪模塊5HYPERLINK l _Toc201226408頻域分析模塊12HYPERLINK

2、 l _Toc201226409多功能濾波器的仿真17HYPERLINK l _Toc201226410參考文獻(xiàn)22HYPERLINK l _Toc201226411心得體會(huì)22摘 要目前，在電子測(cè)量和自動(dòng)化控制領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。虛擬儀器是一種功能意義上的測(cè)量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合，從而實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)儀器的功能。本文敘述了虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW的特點(diǎn)，并給出了軟件設(shè)計(jì)方案。開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的多功能濾波器，重點(diǎn)講述了各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，并利用該濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行了濾波和頻譜分析，結(jié)果較為滿意。在開(kāi)發(fā)虛擬儀器的同時(shí)，掌握了LabVIEW編

3、程語(yǔ)言，對(duì)虛擬儀器的構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)手段和開(kāi)發(fā)方法有了一定的認(rèn)識(shí)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面友好，功能多，并有很好的濾波、分析精度等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字：虛擬儀器 ；LabVIEW ；濾波器 ；頻率1 緒論 LabVIEW是一種基于“圖形”方式的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從流程圖式的編程，不需要預(yù)先編譯就存在語(yǔ)法檢測(cè)和調(diào)試過(guò)程使用的數(shù)據(jù)指針，到其豐富的函數(shù)、數(shù)值、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，效率高，操作簡(jiǎn)單，并能對(duì)誤差精度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，把傳統(tǒng)儀器利用LabVIEW用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)周期短，易于維護(hù)和升級(jí)，

4、可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)儀器所不能比擬的虛擬儀器，“軟件就是儀器”這就是虛擬儀器技術(shù)的精髓。虛擬儀器已經(jīng)為越來(lái)越多的人所使用和接受，因?yàn)樘摂M儀器系統(tǒng)更快速簡(jiǎn)捷和方便，也可以節(jié)省硬件資源。通過(guò)虛擬濾波器設(shè)計(jì)，可對(duì)虛擬儀器有更深的理解和領(lǐng)悟，也為以后進(jìn)行更進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)。我的設(shè)計(jì)題目是基于LabVIEW的多功能濾波器設(shè)計(jì)。我們平時(shí)所要設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，階數(shù)和類型并不一定是完全給定的，很多時(shí)候都是要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷的調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。在這種情況下，濾波器的設(shè)計(jì)就要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，單純的靠公式計(jì)算很難在短時(shí)間完成設(shè)計(jì)。這次利用LabVIEW設(shè)計(jì)的濾波器則不需要再靠公式計(jì)算，只要通過(guò)

5、在前面板通過(guò)下拉菜單進(jìn)行調(diào)解就可以設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的濾波器了。了解LabVIEW編程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)LabVIEW的基本使用方法，復(fù)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理的所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的數(shù)字濾波器，使其能產(chǎn)生基本的帶有噪聲的模擬信號(hào)，或是能通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)輸入到微機(jī)里，并能使用戶通過(guò)在前面板調(diào)節(jié)按鈕，變換參數(shù)產(chǎn)生想要的濾波器，來(lái)對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)或從外界輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，并能對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。然后通過(guò)顯示面板來(lái)顯示濾波前后的信號(hào)與頻域分析的信號(hào)。濾波器的總體設(shè)計(jì)方案我設(shè)計(jì)的題目是基于LabVIEW的多功能濾波器設(shè)計(jì)。如圖9為總體設(shè)計(jì)方案的示意圖。圖9 總體設(shè)計(jì)示意圖通過(guò)軟件LabVI

6、EW設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的數(shù)字濾波器，使其能產(chǎn)生基本的帶有噪聲的模擬信號(hào)，或是能通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)輸入到微機(jī)里，并能使用戶通過(guò)在前面板調(diào)節(jié)按鈕，變換參數(shù)產(chǎn)生想要的濾波器，來(lái)對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)或從外界輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，這里的濾波器可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行選擇，可以找出最適合的濾波器。我設(shè)計(jì)的濾波器包括FIR濾波器，IIR濾波器以與小波去噪。其中這三大類濾波器分別有一些參數(shù)可調(diào)，例如IIR濾波器濾波的窗函數(shù)。進(jìn)行完濾波后還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種頻譜分析。然后通過(guò)顯示面板來(lái)顯示濾波前后的信號(hào)與頻譜分析的信號(hào)。 濾波器的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的濾波器的模塊有信號(hào)發(fā)生模塊，濾波模塊，以與頻譜分析模塊。信號(hào)發(fā)生模塊信

7、號(hào)發(fā)生模塊是信號(hào)有兩種，一種是通過(guò)基本函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生基本波形，包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波四種；一種是用戶通過(guò)編寫(xiě)公式來(lái)產(chǎn)生想要的波形。然后分別疊加噪聲信號(hào)，以此來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)。其中噪聲的類型有均勻白噪聲、高斯噪聲、周期性隨機(jī)噪聲、泊松噪聲。噪聲的幅值也可以調(diào)節(jié)。如圖10是信號(hào)發(fā)生模塊流程圖。圖10 信號(hào)發(fā)生模塊流程圖 其中需要注意的是采樣頻率的選擇，不然的話會(huì)出錯(cuò)，系統(tǒng)不能運(yùn)行。根據(jù)奈圭斯特采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于或至少等于信號(hào)截止頻率的2倍，以保證數(shù)字化后的信號(hào)數(shù)據(jù)不丟失原信號(hào)的特性。但是奈圭斯特采樣定理假設(shè)有一個(gè)理想的低通濾波器來(lái)恢復(fù)信號(hào)，并且被采樣的信號(hào)的頻帶圍有限，這些條件在

8、實(shí)際使用中是很難實(shí)現(xiàn)的，所以它只在理論上成立。對(duì)同一信號(hào)以不同的采樣率采集得到的結(jié)果是不同的，顯然采樣頻率越高，采集信號(hào)越接近真實(shí)信號(hào)，但是高采樣頻率意味著對(duì)存儲(chǔ)空間和存的更高要求，工程上用到的采樣頻率常常是信號(hào)最高頻率的510倍。如圖11所示為信號(hào)發(fā)生模塊流程圖對(duì)應(yīng)的前面板。圖11 輸入信號(hào)參數(shù)選板 濾波去噪模塊圖12 濾波去噪模塊流程圖圖13 濾波參數(shù)選板濾波去噪模塊的流程圖如圖12所示，信號(hào)的濾波去噪就是通過(guò)這個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖13為濾波參數(shù)選板，第一個(gè)布爾控件是來(lái)選擇是否要進(jìn)行濾波，當(dāng)指示燈亮?xí)r就進(jìn)行濾波了。布爾控件下面的叫做菜單下拉列表，是用來(lái)選擇濾波器的類型的。再往下的三個(gè)框分別是

9、IIR濾波器規(guī)，F(xiàn)IR濾波器規(guī)，小波去噪規(guī)，通過(guò)調(diào)節(jié)文本下拉列表可以搭配出最好的濾波器。其中有三點(diǎn)需要說(shuō)明一下，一是Case結(jié)構(gòu)，二是LabVIEW調(diào)用Matlab函數(shù)。三是小波去噪的相關(guān)容。(1)Case結(jié)構(gòu)是執(zhí)行條件語(yǔ)句的一種方法。這類似于常規(guī)的文本編程語(yǔ)言中常見(jiàn)的ifThenElse語(yǔ)句。從“函數(shù)”選項(xiàng)板的“控制過(guò)程執(zhí)行”子選項(xiàng)板中選擇Case結(jié)構(gòu)并將其放置在框圖上，并使其邊框包圍所希望的對(duì)象；也可以先將Case結(jié)構(gòu)放置在框圖上，然后再根據(jù)需要調(diào)整其大小并將對(duì)象拖拽到結(jié)構(gòu)部12。Case結(jié)構(gòu)可有多個(gè)子框圖，這些子框圖就像一疊卡片，一次只能看到一。在Case結(jié)構(gòu)邊框的頂部使子框圖標(biāo)識(shí)符。子

10、框圖標(biāo)識(shí)符可以是數(shù)字，布爾，字符串或枚舉型控件。在枚舉型控件就是無(wú)符號(hào)字節(jié)、無(wú)符號(hào)字或無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型，如圖14、圖15所示?？蓪⑦x擇器器端子放在Case結(jié)構(gòu)左邊框上的任何地方。選擇器標(biāo)簽自動(dòng)調(diào)整為輸入的數(shù)據(jù)類型。例如，如果選擇器連接的值從枚舉型改變到布爾型，那么對(duì)應(yīng)的0和1分支將分別改變成FALSE和TRUE。需要注意的一點(diǎn)是如果選擇器也值與連接到選擇器端子對(duì)象的類型不同，那么選擇器值以紅色顯示，并且置VI于中斷狀態(tài)。隧道是結(jié)構(gòu)上的數(shù)據(jù)出入口?？蓪ase結(jié)構(gòu)外的端子連接到結(jié)構(gòu)的端子。連接后，結(jié)構(gòu)的邊框上將出現(xiàn)矩形框表示隧道,見(jiàn)圖12。也可通過(guò)將外部端子連接到結(jié)構(gòu)邊框來(lái)創(chuàng)建隧道，然后再進(jìn)一步將端

11、子連接到部端子。隧道也可在其他結(jié)構(gòu)中找到，例如順序結(jié)構(gòu)，While循環(huán)和For循環(huán)。所有分支都能使用輸入隧道的所有數(shù)據(jù)。圖14 布爾型Case結(jié)構(gòu)圖15 多幀數(shù)字Case結(jié)構(gòu)如圖12所示，在濾波去噪模塊中，用到了三個(gè)Case結(jié)構(gòu)。最外圍的是一個(gè)布爾型的，通過(guò)它來(lái)選擇是否進(jìn)行濾波；中間的那個(gè)Case結(jié)構(gòu)是一個(gè)枚舉型的，通過(guò)它來(lái)選擇濾波器的類型；最里面的那個(gè)Case結(jié)構(gòu)也是枚舉型的，當(dāng)濾波器是小波濾波器時(shí)，通過(guò)這個(gè)Case可以選擇不同的小波基來(lái)進(jìn)行濾波。(2)LabVIEW調(diào)用Matlab函數(shù),會(huì)用到Matlab toolbox或采用Matlab script這時(shí)需要安裝Matlab,不可以脫離M

12、atlab環(huán)境。Matlab是科學(xué)和工程可視化計(jì)算領(lǐng)域廣泛流行的交互式編程環(huán)境。如果涉與到比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，則可以調(diào)用Matlab的腳本文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。Labview調(diào)用Matlab的功能是通過(guò)Matlab節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢詮摹昂瘮?shù)”選項(xiàng)板的“數(shù)學(xué)”“腳本與公式”“腳本節(jié)點(diǎn)”來(lái)訪問(wèn)Matlab腳本節(jié)點(diǎn)。如圖16所示為Matlab節(jié)點(diǎn)流程圖。圖16 Matlab節(jié)點(diǎn)流程圖向Matlab節(jié)點(diǎn)輸入Matlab文件的方法有兩種：一種是直接在框圖寫(xiě)入文件代碼，另一種是在Matlab節(jié)點(diǎn)的邊框上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“導(dǎo)入”命令選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中輸入Matlab腳本文件即可。Matlab腳

13、本節(jié)點(diǎn)把流程圖涉與的變量分為兩大類：輸入變量和輸出變量。顧名思義，輸入變量是指需要用戶定義的變量；輸出變量包括公式節(jié)點(diǎn)傳遞給其他節(jié)點(diǎn)的變量。創(chuàng)建變量的方法很簡(jiǎn)單，在公式節(jié)點(diǎn)的流程圖上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“添加輸入”命令或者“添加輸出”命令即可。輸入變量的邊沿是細(xì)線，輸出變量的邊沿是粗線，它們的分布位置可以是公式節(jié)點(diǎn)邊框上的任意位置，如圖16所示。在Matlab中，用戶一般不用指定數(shù)據(jù)類型，所有輸入變量會(huì)有缺省的類型，而在LabVIEW里面，Matlab節(jié)點(diǎn)并不能夠判斷數(shù)據(jù)類型，因此用戶必須要為每個(gè)數(shù)據(jù)變量指定一個(gè)類型。給Matlab節(jié)點(diǎn)變量定義類型的方法是：在變量上面單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜

14、單中選擇“選擇數(shù)據(jù)類型”命令選項(xiàng)，就會(huì)出現(xiàn)Matlab中的各種數(shù)據(jù)類型名稱，然后按照事先在Matlab中定義的類型給每個(gè)變量選擇合適的數(shù)據(jù)類型，則系統(tǒng)就會(huì)把變量變成相應(yīng)的LabVIEW的類型12。如圖12所示，當(dāng)在第二層的Case結(jié)構(gòu)中選擇小波去噪時(shí)，此時(shí)就用到了Matlab腳本節(jié)點(diǎn)，這里采用了第一種向Matlab節(jié)點(diǎn)輸入Matlab文件的方法，即直接在框圖寫(xiě)入文件代碼。這里調(diào)用了小波分析工具箱函數(shù)wden，它的功能是用小波進(jìn)行一維信號(hào)的自動(dòng)消噪。這里的小波基我列舉了6種供選擇，所以使用了6個(gè)Matlab腳本節(jié)點(diǎn)，在圖12中只能看到一個(gè)，在Case結(jié)構(gòu)的每一幀中有一個(gè)。在公式節(jié)點(diǎn)的流程圖上單擊

15、鼠標(biāo)右鍵添加輸入s和n,同理添加輸出xd,下表為它們的控件類型、數(shù)據(jù)類型和功能。最需要注意的就是數(shù)據(jù)類型，如果數(shù)據(jù)類型不對(duì)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，“運(yùn)行”的箭頭是斷開(kāi)的，雙擊斷開(kāi)的箭頭會(huì)彈出錯(cuò)誤提示，可以按錯(cuò)誤提示來(lái)改正，才能運(yùn)行。表1 Matlab腳本節(jié)點(diǎn)的輸入，輸出名稱控件類型數(shù)據(jù)類型功能輸入波形(s)1D Array of Real輸入波形輸出波形(xd)Waveform Graph1D Array of Real輸出波形分解層數(shù)(n)Digital ControlReal顯示小波去噪的分解層數(shù)基小波選擇Menu Ring顯示小波消噪使用的基小波 （3）小波去噪的相關(guān)知識(shí)。小波分析屬于時(shí)頻分析的一

16、種。傳統(tǒng)的信號(hào)分析時(shí)建立在傅立葉變換的基礎(chǔ)之上的，由于傅立葉分析使用的是一種全局的變換，要么完全在時(shí)域，要么完全在頻域，因此無(wú)法表述信號(hào)的時(shí)頻局域性質(zhì)，而這種性質(zhì)恰恰是非平穩(wěn)信號(hào)最根本和最關(guān)鍵的性質(zhì)。與標(biāo)準(zhǔn)傅立葉變換相比，小波分析中所用到的小波函數(shù)具有不唯一性，即小波函數(shù)具有多樣性19。但小波分析在工程應(yīng)用中，一個(gè)十分重要的問(wèn)題是最優(yōu)小波基的選擇問(wèn)題，這是因?yàn)橛貌煌男〔ɑ治鐾粋€(gè)問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。常用的小波函數(shù)介紹：Daubechies(dbN)函數(shù)的小波函數(shù)和尺度函數(shù)的有效長(zhǎng)度為2N-1,小波函數(shù)消失矩階數(shù)為N。dbN大多數(shù)不具有對(duì)稱性；對(duì)于有些小波函數(shù)，不對(duì)稱性是非常明顯的。正則性

17、隨著序號(hào)N的增加而增加。該函數(shù)具有正交性。Daubechies系中的小波基記為dbN,N為序號(hào)，且1，2，10。coiflet(coifN)函數(shù)也是由Daubechies構(gòu)造的一個(gè)小波函數(shù)，它具有coifN(1,2,3,4,5)這一系列。Coiflet具有比dbN更好的對(duì)稱性。從支撐長(zhǎng)度的角度看，coifN具有和db3N與sym3N一樣的長(zhǎng)度；從消失矩的數(shù)目來(lái)看，coifN具有和db2N與sym2N一樣的消失矩?cái)?shù)目。Symlets(symN)小波系是由Daubechies提出的近似對(duì)稱的小波函數(shù)，它是對(duì)db函數(shù)的一種改進(jìn)。Symlets函數(shù)系常常表示為symN(N2，3，8)的形式。小波分析的

18、應(yīng)用很多，本設(shè)計(jì)中是用于信號(hào)消噪處理。運(yùn)用小波分析進(jìn)行一維信號(hào)消噪處理是小波分析的一個(gè)重要應(yīng)用之一，下面將其消噪的基本原理作一個(gè)簡(jiǎn)要的說(shuō)明。一個(gè)含噪聲的一維信號(hào)的模型可以表示成如下的形式：其中，f(i)為真實(shí)信號(hào)，e(i)為噪聲，s(i)為含噪聲的信號(hào)。 s(i)=f(i) +e(i),i=0,n-1 （12）在這里，我們以一個(gè)最簡(jiǎn)單的噪聲模型加以說(shuō)明，即認(rèn)為e(i)為高斯白噪聲，噪聲級(jí)為1。在實(shí)際的工程中，有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻信號(hào)或是一些比較平穩(wěn)的信號(hào)，而噪聲信號(hào)則通常表現(xiàn)為高頻信號(hào)。所以消噪過(guò)程可以按如下方法進(jìn)行處理：首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解（如進(jìn)行三層分解，分解過(guò)程如圖17所示），則噪聲

19、部分通常包含在cD1, cD2, cD3中，因而，可以以門限閾值等形式對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)即可以大道消噪的目的。對(duì)信號(hào)s(i)消噪的目的就是要抑制信號(hào)中的噪聲部分，從而在s(i)中恢復(fù)出真實(shí)信號(hào)f(i)。圖17 小波三層分解圖一般來(lái)說(shuō)，一維信號(hào)的消噪過(guò)程可以分為三個(gè)步驟進(jìn)行：（1）一維信號(hào)的小波分解。選擇一個(gè)小波并確定一個(gè)小波分解的層數(shù)N，然后對(duì)信號(hào)s進(jìn)行N層小波分解。（2）小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。對(duì)第1到第N層的每一層高頻系數(shù)，選擇一個(gè)閾值進(jìn)行軟閾值量化處理。（3）一維小波的重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)和經(jīng)過(guò)量化處理后的第1層到第N層的高頻系數(shù)，進(jìn)行一維信號(hào)的小

20、波重構(gòu)。在這三個(gè)步驟中，最關(guān)鍵的就是如何選擇閾值和如何進(jìn)行閾值的量化，從某種程度上說(shuō)，它直接關(guān)系到信號(hào)消噪的質(zhì)量。下面介紹一下函數(shù)wden。功能：用小波進(jìn)行一維信號(hào)的自動(dòng)消噪格式：（1）XD,CXD,LXD=wden(X,TPTR,SORH,SCAL,N,wname) （2）XD,CXD,LXD=wden(C,L,TPTR,SORH, SCAL,N,wname)說(shuō)明：wden是一個(gè)利用小波對(duì)一維信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)消噪的函數(shù)。其中，X為原始信號(hào)，TPTR為閾值選擇規(guī)則。TPTRrigrsure時(shí)，采用史坦的無(wú)偏似然估計(jì)原理。TPTRheursure時(shí)，是啟發(fā)式閾值選擇。TPTRsqtwolog時(shí)，是固

21、定閾值。TPTRminmaxi時(shí)，用于極大極小值原理進(jìn)行閾值的選擇。SORH是軟閾值或硬閾值的選擇。SORHs時(shí)為軟閾值。SORHh時(shí)為硬閾值。SCAL定義所乘的閾值是否要重新調(diào)整：SCALone時(shí)，不用重新調(diào)整。SCALsln時(shí)，根據(jù)第一層的系數(shù)進(jìn)行一次噪聲層的估計(jì)來(lái)調(diào)整閾值。SCALmln時(shí)，在不同層估計(jì)噪聲層，以此來(lái)調(diào)整閾值。N為小波分解的層數(shù)。wname是一個(gè)指定的正交小波名，即基小波。XD為消噪后的信號(hào)，CXD,LXD為消噪后信號(hào)XD的小波分解結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中調(diào)用的代碼如下所示，xd=wden(s,heursure,s, one,n,sym4)；其中xd為輸出，s為輸入，采用啟發(fā)式閾值

22、選擇，閾值不重新調(diào)整?？晒┻x的基小波的類型有：sym1,sym4,sym8,coif5,db1,db4這六種。頻域分析模塊在頻域，每個(gè)數(shù)字信號(hào)都有典型的特征。比如正弦波僅含有單一頻率，而白噪聲包含所有頻率分量。信號(hào)的平穩(wěn)變化源于它的低頻分量，陡峭邊緣和急劇變化則源于它的高頻分量。信號(hào)的頻譜詳細(xì)描述了信號(hào)所包含的頻率分量。信號(hào)的頻譜有兩部分，即幅度頻譜和相位頻譜。幅度頻譜與每一頻率分量的大小或幅度有關(guān)，相位頻譜反映了不同頻率分量之間的相位關(guān)系。信號(hào)的頻域描述是以頻率為橫坐標(biāo)變量來(lái)描述幅值，相位的變化規(guī)律的。信號(hào)的頻域分析或者說(shuō)是頻率分析，是研究信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，即求取分量的幅值，相位按頻率的分布規(guī)

23、律，并建立以頻率為橫軸的各種譜。信號(hào)的頻域分析在信號(hào)處理領(lǐng)域中占有相當(dāng)重要的地位。將信號(hào)變換到頻域中以后，許多包含其中的有用信息就會(huì)凸顯出來(lái)，知道信號(hào)的頻率成分和幅度有時(shí)比僅知道某個(gè)時(shí)間采樣的幅度更有意義。圖18 頻域分析模塊流程圖圖19 頻域分析模塊前面板如圖18所示，為信號(hào)的頻域分析模塊流程圖，這里的是輸出信號(hào)的頻域分析，輸入的和輸出的頻域分析模塊是一樣的，這里不再列出。這里的分析有三種，分別是：信號(hào)的功率譜分析，信號(hào)的自功率譜分析，快速傅立葉變換頻譜。如圖19所示為信號(hào)的頻域分析模塊的前面板。通過(guò)菜單下拉列表可以選擇以上三種頻域分析方法，通過(guò)文本下拉列表可以選擇加不同的窗函數(shù)。窗函數(shù)的主

24、要作用是對(duì)截?cái)嗵幍牟贿B續(xù)變化信號(hào)進(jìn)行平滑處理，以此來(lái)減少頻譜泄漏。窗函數(shù)作用于信號(hào)的過(guò)程可以用下面的式子表示：Y(t)=X(t)N(t) (13)其中：Y(t)為加窗后的信號(hào)，X(t)為加窗前的信號(hào)，N(t)為窗函數(shù)。 在實(shí)際測(cè)量中，采樣長(zhǎng)度總是有限的。采樣信號(hào)只是所測(cè)的連續(xù)信號(hào)的截?cái)啵@將不可避免的引起譜泄漏，造成計(jì)算機(jī)所得的頻譜與實(shí)際信號(hào)的頻譜不一致。減小譜泄漏的一種方法是無(wú)限延長(zhǎng)采樣周期，這樣FFT就能計(jì)算出正確的頻譜，但在實(shí)際中這是無(wú)法做到的。另外一種方法是使用合適的窗函數(shù)進(jìn)行加窗處理。對(duì)采樣信號(hào)加窗，可以較小截?cái)嘈盘?hào)的轉(zhuǎn)折沿，從而減小譜泄漏，在這個(gè)意義上，平滑窗相當(dāng)于窄帶低通濾波器。

25、譜泄漏的能量取決于突變的幅值，突變幅值越大，譜泄漏就越多。加窗處理過(guò)程是對(duì)采樣信號(hào)乘以一個(gè)幅值變化很平滑且邊緣趨近于零的有限長(zhǎng)度的窗函數(shù)來(lái)減少邊緣處的突變，從而抑制頻譜上的泄漏。為了獲取較好的頻譜分析精度，總是希望窗函數(shù)頻譜的旁瓣幅值小而主瓣寬度窄。因?yàn)榕园晷】梢詼p小泄漏誤差，而主瓣窄可以提高頻率分辨率。因此泄漏的降低是以分辨率的下降為代價(jià)的。換句話說(shuō)，頻譜分析精度和分辨率兩個(gè)指標(biāo)是相互矛盾的，不能要求兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)都好，而需要根據(jù)信號(hào)分析的不同要求來(lái)選擇合適的窗。通常，窗的選擇可以考慮如下方式：對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，可以選擇矩形窗，并使整個(gè)信號(hào)都包括在窗，這時(shí)，因兩端截?cái)喑鲂盘?hào)為零

26、，也就沒(méi)有泄漏發(fā)生；對(duì)于包含周期信號(hào)在的無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)，可以采用漢明窗，窗或余弦矩形窗平滑，以減少泄漏誤差；如果信號(hào)分析的目的主要是準(zhǔn)確的確定頻譜中的尖峰頻率，如系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自振頻率，此時(shí)最重要的指標(biāo)是頻率的分辨率，因而應(yīng)選用主瓣最窄的矩形窗。具體選用什么窗，要根據(jù)問(wèn)題的需要和各種窗的特點(diǎn)而定。本論文中采用實(shí)數(shù)FFT VI進(jìn)行頻譜分析，并在此之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行了加窗處理。下圖為實(shí)數(shù)FFT VI的流程圖。圖20 實(shí)數(shù)FFT VI的流程圖信號(hào)的功率譜分析反映了信號(hào)在頻率上的能量分布，突出信號(hào)頻譜的主頻率。這就是本次設(shè)計(jì)所涉與到的三個(gè)模塊的詳細(xì)介紹。把它們用線連接起來(lái)就是我所設(shè)計(jì)的多功能濾波器了。整個(gè)程序流程

27、圖如下錄2。 多功能濾波器的仿真本設(shè)計(jì)是對(duì)模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行濾波仿真的，主要是為了驗(yàn)證該程序設(shè)計(jì)的是否正確以與對(duì)各種濾波器的去噪效果進(jìn)行比較?，F(xiàn)在我們輸入一個(gè)模擬含有均勻白噪聲的正弦信號(hào)，信號(hào)的頻率為“5”，幅值為“10”，均勻白噪聲的幅值為“2”。信號(hào)的采樣頻率為“1000”，采樣數(shù)為“1000”。如圖21為輸入信號(hào)參數(shù)選板。輸入信號(hào)波形如圖22所示。圖21 濾波器參數(shù)設(shè)定圖22 輸入信號(hào)波形顯示下面我們采用不同的低通濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波去噪，看一下濾波效果如何。一是采用FIR濾波器，它的參數(shù)設(shè)定如圖21的FIR濾波器規(guī)所示,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是“windowed FIR”，類型是“l(fā)owpass”，最

28、低通帶是“12”，濾波效果如圖23所示。圖23 FIR濾波器的濾波效果圖二是采用IIR濾波器，它的參數(shù)設(shè)定如圖21所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)“Butterworth”,類型是“l(fā)owpass”,階數(shù)是“7階”，低截止頻率是“8”，通帶波紋為“1”，濾波效果如圖24所示。圖24 IIR濾波器的濾波效果圖三是采用小波去噪，基小波選擇“db4”，層數(shù)選擇“7”濾波效果如圖25所示。圖25 小波去噪效果圖通過(guò)圖22、圖23、圖24、圖25進(jìn)行比較，可以看出：FIR濾波器，IIR濾波器，小波去噪都可以達(dá)到很好的去噪效果。并且相比較而言，IIR濾波器和小波去噪的濾波相對(duì)來(lái)說(shuō)要好一些。而且證明該設(shè)計(jì)正確。下面我們進(jìn)行頻譜分析的仿真，輸入信號(hào)選擇“公式波形”，波形的公式為“cos(4*w*t)+sin(2*pi(1)*t)+sin(w*t)”，信號(hào)的頻率為“100”,采樣頻率為“1000”，采樣數(shù)為“1000”，噪聲為“高斯噪聲”，噪聲幅值為“1”。濾波參數(shù)面板中選擇“IIR濾波器”，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“Chebyshev”,類型為“Highpass”, 階數(shù)為“11” ，低截止頻率為“110”，通帶波紋為“1”。頻域分析面板選“快速傅立葉變換頻譜”，選擇“Hamming”窗。如圖26所示，運(yùn)行濾波器，觀看“輸入信號(hào)頻域分析”