基于LabVIEW的一種具有四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)的ⅡR數(shù)字濾波器的設(shè)計說明

1、 . PAGE18 / NUMPAGES18XX大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計、創(chuàng)作）題目：基于LabVIEW的一種具有四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)的R 數(shù)字濾波器的設(shè)計學(xué)生：學(xué)號：院（系）：電氣工程與自動化學(xué)院 專業(yè)：測控技術(shù)與儀器入學(xué)時間：年月導(dǎo)師： 職稱/學(xué)位：導(dǎo)師所在單位：完成時間：年月基于LabVIEW的一種具有四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)的R數(shù)字濾波器的設(shè)計摘 要應(yīng)用虛擬儀器LabV IEW 軟件設(shè)計二級四階級聯(lián)型結(jié)構(gòu)的橢圓帶通IIR數(shù)字濾波器, 對它的- 3dB帶寬、Q值、阻帶衰減等主要指標(biāo)進(jìn)行測量, 并與在一樣條件下設(shè)計的貝塞爾、巴特沃斯、切比雪夫等其他3種數(shù)字濾波器進(jìn)行性能比較. 在此基礎(chǔ)上, 應(yīng)用這幾種濾波器對一

2、帶諧的標(biāo)準(zhǔn)語音主信號進(jìn)行測試, 比較其濾除諧波的效果, 得出: 橢圓濾波器具有更優(yōu)越的帶通性能.通過對IIR數(shù)字濾波器算法的研究,得出IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方案. 經(jīng)過仿真實驗表明該濾波器能夠濾除信號中的噪聲,濾波效果良好,可與其它大型虛擬電子測量系統(tǒng)兼容以完成不同環(huán)境下的測量要求.關(guān)鍵詞：級聯(lián)型結(jié)構(gòu); IIR數(shù)字濾波器; 四階帶通; LabV IEWTitleDesign of IIR Digital Filter with Fourth-order Cascade FormAbstractA bandpass ellip tic IIR digital filter of two stag

3、eswith fourth2order cascade form was designedby virtual instrument software LabV IEW. The main technical target of the filter such as - 3 dB passbandwidth, Q value and stopband attenuation were tested and compared with Bessel, Butterworth and Chebyshevfilter designed in the same condition. On the ba

4、sis of these designs, the main frequency with standard har2monic voice signals was tested by using these filters, and the results of harmonic components filtering werecompared. Itwas shown that the ellip tical filter had better bandpass performance than Bessel, Butterworthand Chebyshev filter.Throug

5、h the study of IIR digital filters, this discourse p resents a detailed design of IIR digital filterssystem. And the results of emulational experiments show that this filter could effectively filter noise, at the sametime be compatible with other large2scale virtual electronic measuring system to me

6、et the measuring require2ments in various situations.Keywords:cascade-form structure; IIR digital filter; fourth-order bandpass; LabVIEW目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12751 1 引言 PAGEREF _Toc12751 5 HYPERLINK l _Toc21564 1.1 基于Lab VIEW的數(shù)字濾波器的設(shè)計簡介 PAGEREF _Toc21564 5 HYPERLINK l _Toc30699 2 Lab View

7、和數(shù)字濾波器 PAGEREF _Toc30699 6 HYPERLINK l _Toc19433 2.1 Lab View PAGEREF _Toc19433 6 HYPERLINK l _Toc13056 2.1.1 虛擬儀器(VI)的概念 PAGEREF _Toc13056 6 HYPERLINK l _Toc13303 2.1.2 Lab VIEW的概念 PAGEREF _Toc13303 6 HYPERLINK l _Toc12300 2.1.3 特點(diǎn) PAGEREF _Toc12300 6 HYPERLINK l _Toc6608 2.1.4 未來 PAGEREF _Toc6608

8、6 HYPERLINK l _Toc29101 2.2 IIR數(shù)字濾波器 PAGEREF _Toc29101 7 HYPERLINK l _Toc23816 2.2.1 數(shù)字濾波器的概念 PAGEREF _Toc23816 7 HYPERLINK l _Toc27346 2.2.2 IIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn) PAGEREF _Toc27346 7 HYPERLINK l _Toc6106 3 本文設(shè)計原理與相關(guān)算法概述 PAGEREF _Toc6106 8 HYPERLINK l _Toc31680 3.1 設(shè)計原理 PAGEREF _Toc31680 8 HYPERLINK l _Toc115

9、3 3.2 IIR數(shù)字濾波器算法等效 PAGEREF _Toc1153 9 HYPERLINK l _Toc11409 3.3 二級四階級聯(lián)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc11409 10 HYPERLINK l _Toc3671 3.4 橢圓濾波器仿真原理框圖 PAGEREF _Toc3671 11 HYPERLINK l _Toc14422 4 系統(tǒng)前面板設(shè)置 PAGEREF _Toc14422 12 HYPERLINK l _Toc29915 5 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置 PAGEREF _Toc29915 13 HYPERLINK l _Toc22134 6 系統(tǒng)程序設(shè)計 PAGEREF _To

10、c22134 13 HYPERLINK l _Toc22549 6.1 模塊一:頻率響應(yīng)測試模塊. PAGEREF _Toc22549 13 HYPERLINK l _Toc23572 6.2 模塊二:使用低通濾波器提取正弦波模塊 PAGEREF _Toc23572 14 HYPERLINK l _Toc242 7 結(jié)論 PAGEREF _Toc242 15 HYPERLINK l _Toc23926 7.1 四種濾波器的比較 PAGEREF _Toc23926 15 HYPERLINK l _Toc3460 7.2 濾波器濾波效果測試 PAGEREF _Toc3460 16 HYPERLIN

11、K l _Toc30654 主要參考文獻(xiàn): PAGEREF _Toc30654 18 HYPERLINK l _Toc10321 附錄 PAGEREF _Toc10321 19 HYPERLINK l _Toc28036 致 PAGEREF _Toc28036 191 引言1.1 基于Lab VIEW的數(shù)字濾波器的設(shè)計簡介Lab VIEW 是圖形化虛擬儀器編程語言, 它具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能。Lab VIEW程序由兩部分組成:前面板程序和框圖程序。整個程序是基于多線程設(shè)計,即前面板和框圖程序各占用一個線程。LabVIEW的前面板, 即交互式界面用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量,在前面板中,使用

12、了各種圖標(biāo)如開關(guān),實時趨勢圖等來模擬真實儀器的面板,并可如同操作實際儀器一樣方便地調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和進(jìn)行輸出模式定制。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)以與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,為虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。在世界圍，汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域均通過Lab VIEW提高了應(yīng)用開發(fā)的效率,其應(yīng)用涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開發(fā)所有階段。1虛擬數(shù)字濾波器的設(shè)計在電子測量領(lǐng)域中將會發(fā)揮極大的作用。濾波器是一種選頻裝置,它對某一個或幾個頻率圍(頻帶)的電信號給以很小的衰減,使這部分信號能順利通過;對其它頻帶的電信號則給以很大的衰減,從而盡可能地阻止這部分信

13、號的通過.在更多的情況下,濾波器被狹義地理解為選頻系統(tǒng),如低通、高通、帶通、帶阻。 數(shù)字濾波器是指輸入、輸出均為數(shù)字信號,通過一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或濾除某些頻率成分的器件. 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的組成部分之一,幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中,相對于模擬濾波器,數(shù)字濾波器具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):(1)精度高;(2)靈活性大;(3)可靠性高;(4)易于大規(guī)模集成;(5)并行處理. 數(shù)字濾波器的這些優(yōu)勢使它的應(yīng)用越來越廣泛,在數(shù)字通信、語音圖像處理、譜分析、模式識別、自動控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 數(shù)字濾波器總的說來可以分成兩大類。一類稱為經(jīng)典濾波器,即一般的

14、濾波器,特點(diǎn)是輸入信號中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶,通過一個合適的選頻濾波器達(dá)到濾波的目的。而另一類現(xiàn)代濾波器,例如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等最佳濾波器。但是, 應(yīng)用文本軟件實現(xiàn)的數(shù)字濾波器在使用過程中存在難以調(diào)整濾波系數(shù)、與硬件接口程序、開發(fā)周期長等不足。Lab VIEW 是圖形化開發(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), 同時它在功能完整性和應(yīng)用靈活性上也不遜于任何高級語言。2 Lab View和數(shù)字濾波器2.1 Lab View2.1.1 虛擬儀器(VI)的概念虛擬儀器(virtual instrument)是基于計算機(jī)的儀

15、器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以與其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件與HYPERLINK :/baike.baidu /view/880.htm操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的HYPERLINK :/baike.baidu /view/2102581.htm數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

16、虛擬儀器的研究中涉與的基礎(chǔ)理論主要有計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和HYPERLINK :/baike.baidu /view/162096.htm數(shù)字信號處理。目前在這一領(lǐng)域，使用較為廣泛的計算機(jī)語言是HYPERLINK :/baike.baidu /view/2398.htm美國NI公司的 Lab VIEW。2.1.2 Lab VIEW的概念LabVIEW標(biāo)志LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置HYPERLINK :/baike.ba

17、idu /view/278359.htm斷點(diǎn)、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)與其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI與函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界

18、面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。2.1.3 特點(diǎn)盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是HYPERLINK :/baike.baidu /view/37.htm軟件?？沙浞职l(fā)揮計算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。2.1.4 未來虛擬儀器研究的另一個問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連與與計算機(jī)的連接。目前使用較多的是 IEEE 488或GPIB協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)

19、當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、HYPERLINK :/baike.baidu /view/112004.htmRS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件與數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程與使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代

20、之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的HYPERLINK :/baike.baidu /view/159830.htm可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位/64位HYPERLINK :/baike.baidu /view/487018.htm編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、

21、Linux、Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)于軟件即硬件！現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系統(tǒng)，國現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出圖形化的單片機(jī)編程系統(tǒng)（支持32位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展的），不斷完善中(大家可以搜索CPUVIEW會有更詳細(xì)信息）。2.2 IIR數(shù)字濾波器2.2.1 數(shù)字濾波器的概念數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號頻譜的目的。數(shù)字濾波器是一個HYPERLINK :/baike.baidu /view/1

22、146761.htm離散時間系統(tǒng)（按預(yù)定的算法，將輸入HYPERLINK :/baike.baidu /view/4414724.htm離散時間信號轉(zhuǎn)換為所 要求的輸出離散時間信號的特定功能裝置）。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時，首先須對輸入模擬信號進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應(yīng)大于被處理信號帶寬的兩倍，其頻率響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性，且以折疊頻率即12抽樣頻率點(diǎn)呈HYPERLINK :/baike.baidu /view/3555.htm鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(jīng)HYPERLINK :/baike.baidu /view/8

23、73549.htm數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在HYPERLINK :/baike.baidu /view/158711.htm語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學(xué)生物信號處理以與其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時不變的或時變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時不變數(shù)字濾波器，以與fir濾波器。2.2.2 IIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)HYPERLINK :/baike.baidu /view/3088994.htmIIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形

24、式。IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和HYPERLINK :/baike.baidu /view/3044598.htm橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計工作量比較小，對計算工具的要求不高。在設(shè)計一個IIR數(shù)字濾波器時，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公

25、式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對相位要求較高時，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。在MATLAB下設(shè)計IIR濾波器可使用Butterworth函數(shù)設(shè)計出HYPERLINK :/baike.baidu /view/391252.htm巴特沃斯濾波器，使用Cheby1函數(shù)設(shè)計出契比雪夫I型濾波器，使用Cheby2設(shè)計出契比雪夫II型濾波器，使用ellipord函數(shù)設(shè)計出橢圓濾波器。下面主要介紹前兩個函數(shù)的使用。與HYPERLINK :/baike.baidu /view/2908166.htmFIR濾波器的設(shè)計不同，IIR濾波器設(shè)計時的階數(shù)不是由設(shè)計者指定，而是根據(jù)設(shè)計者輸入的各個

26、濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等），由軟件設(shè)計出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在MATLAB下設(shè)計不同類型IIR濾波器均有與之對應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。IIR單位響應(yīng)為無限脈沖序列FIR單位響應(yīng)為有限的IIR幅頻特性精度很高，不是HYPERLINK :/baike.baidu /view/1424251.htm線性相位的，可以應(yīng)用于對相位信息不敏感的音頻信號上；FIR幅頻特性精度較之于IIR低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過FIR濾波器后他們的HYPERLINK :/baike.baidu /view/208622.htm時間差不變。這是很好的性質(zhì)。另外有限的單位響應(yīng)也有利

27、于對數(shù)字信號的處理，便于編程，用于計算的時延也小，這對實時的信號處理很重要。3 本文設(shè)計原理與相關(guān)算法概述3.1 設(shè)計原理由數(shù)字濾波理論可知, IIR數(shù)字濾波器是一個采用有限精度算法實現(xiàn)的線性非時變離散系統(tǒng), 其無限沖激響應(yīng)的差分方程為2 :(1)其中: 和分別表示輸入和輸出信號序列; 為正向系數(shù); 為反向系數(shù). 式( 1) 為直接型傳遞函數(shù)形式, 其無限沖激響應(yīng)的z變換傳遞函數(shù)為3:(2)而四階級聯(lián)型的傳遞函數(shù)為: （3）其中: k為級聯(lián)的級數(shù), k = 1, 2, , Ns ; Ns = (Na + 1)/4為總級聯(lián)數(shù). 式(3) 中的總反向系數(shù)為4 Ns , 總正向系數(shù)為5 Ns. 在零

28、初始條件下, 從y(1) 開始計算, 則輸出序列為:y1 = b01 x 1,y2 = b01x2+b11x1-a11y1,y3 = b01x3+b11x2+b21x3-a11y2-a21y1, (4)在Lab VIEW仿真平臺中, 按式(4) 計算方法, 編程求解該二級四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)的八階橢圓濾波器正反向系數(shù). 用同樣的方法, 可分別求得八階貝塞爾、巴特沃斯、切比雪夫的系統(tǒng)傳遞函數(shù). 對式(2) 進(jìn)行逆z變換, 按式(4) 所示的計算過程, 在程序中調(diào)用Lab VIEW的橢圓濾波器子VI后, 經(jīng)FFT子VI變換, 再分解出幅頻、相頻特性3.2 IIR數(shù)字濾波器算法等效在現(xiàn)代由計算機(jī)組成的控制系

29、統(tǒng)中,數(shù)字濾波器的使用越來越廣泛,通過執(zhí)行一段相應(yīng)的程序即可實現(xiàn)數(shù)字濾波. 因果穩(wěn)定的Ha ( s) 映射成因果穩(wěn)定的H ( z) ,即s平面的左半平面必須映射到z平面單位圓的部 3 . H ( z) 的頻率響應(yīng)能模仿Ha ( s) 的頻率響應(yīng),即s平面的虛軸必須映射到z平面的單位圓上. 變換前后的濾波器在時域或頻域的主要特征(頻率響應(yīng)或單位沖激響應(yīng)等) 應(yīng)盡可能一樣或接近.將傳輸函數(shù)Ha ( s) 從s平面轉(zhuǎn)換到z平面的方法有多種,主要有沖激不變法和雙線性變換法4.在這里采用沖激不變法.設(shè)得到的模擬濾波器的傳輸函數(shù)Ha ( s) 對應(yīng)的單位沖擊響應(yīng)為ha ( t) , 即對ha ( t) 進(jìn)

30、行間隔為T的等間隔采樣,采到的值形成序列h ( n) ,即把h ( n) 作為數(shù)字濾波器的單位脈沖相應(yīng),對其作Z變換,就是數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H ( z) . 設(shè)模擬濾波器Ha ( s) 只有單階極點(diǎn),極點(diǎn)為si ,且為有理多項式,則可以將Ha ( s) 表示為將Ha ( s) 進(jìn)行拉氏逆變換,得對ha ( t) 進(jìn)行采樣,采樣間隔是T, 得再對h ( n) 進(jìn)行Z變換, 就得到了數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)對比式(1)和式(2) 可知在s平面上的極點(diǎn)si 映射到z平面上,變成極點(diǎn)es iT ,系數(shù)Ai 不變. 即由于頻率坐標(biāo)變換是線性的,即=T. 如果不考慮混疊現(xiàn)象,這種方法實現(xiàn)的數(shù)字濾波器會很好地

31、重現(xiàn)原模擬濾波器的頻率特性. 而且數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)完全模仿模擬濾波器的單位沖激響應(yīng),時域特性逼近好. 在本設(shè)計中,用沖激函數(shù)作為系統(tǒng)激勵信號,用各種數(shù)字濾波器作為測試系統(tǒng).沖激函數(shù)具有無限寬廣的頻譜,用沖激函數(shù)做激勵信號相當(dāng)于對測試系統(tǒng)輸入所有頻率的信號,系統(tǒng)必然有對應(yīng)的輸出. 用Transfer函數(shù)計算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比,從而得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù).3.3 二級四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)IIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)常用的有直接型、級聯(lián)型、并聯(lián)型和轉(zhuǎn)置型等4種, 其中由于級聯(lián)型具有串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 在實現(xiàn)時可以單獨(dú)調(diào)整濾波器子系統(tǒng)的零點(diǎn)、極點(diǎn), 而不影響其他子系統(tǒng), 因而便于調(diào)整濾波器的頻率

32、響應(yīng)性能 2 , 而且可有效減少有限字長效應(yīng), 因此得到普遍采用 3 . 級聯(lián)型有二階(一級) 和四階(一級) 2種級聯(lián)方式. 對一樣階數(shù)的數(shù)字濾波器, 采用四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計比采用二階結(jié)構(gòu)設(shè)計要計算的正向系數(shù)少, 可節(jié)省更多的延時單元, 使信號失真不至于過大. 因此,本文應(yīng)用Lab VIEW 4 控制軟件平臺, 設(shè)計一種具有二級四階級聯(lián)結(jié)構(gòu)的八階橢圓數(shù)字濾波器.3.4 橢圓濾波器仿真原理框圖橢圓濾波器（Elliptic filter）又稱考爾濾波器（Cauer filter），是在HYPERLINK :/baike.baidu /view/1268982.htm通帶和HYPERLINK :/b

33、aike.baidu /view/3822285.htm阻帶等波紋的一種HYPERLINK :/baike.baidu /view/141368.htm濾波器。橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在階數(shù)一樣的條件下有著最小的通帶和阻帶波動。它在通帶和阻帶的波動一樣，這一點(diǎn)區(qū)別于在通帶和阻帶都平坦的HYPERLINK :/baike.baidu /view/391252.htm巴特沃斯濾波器，以與通帶平坦、阻帶等波紋或是阻帶平坦、通帶等波紋的HYPERLINK :/baike.baidu /view/391268.htm切比雪夫濾波器。4 系統(tǒng)前面板設(shè)置Lab VIEW程序由兩部分組成: 前面板程序

34、和框圖程序。 整個程序基于多線程設(shè)計,即前面板和系統(tǒng)程序各占用一個線程。前面板是用戶接口,即交互式界面,用于用戶向程序中輸入各種控制參數(shù)和觀察輸出量,在前面板中,使用了各種仿真圖標(biāo),如開關(guān)、旋鈕等,并以數(shù)字或?qū)崟r趨勢圖等各種形式的輸出測試結(jié)果來模擬真實儀器的面板。本文中前面板的設(shè)計,充分發(fā)揮LabV IEW 的特長,即建立了友好的人機(jī)操作界面,系統(tǒng)前面板如圖所示。圖2為信號經(jīng)過巴特沃斯和切比雪夫帶通濾波器以后的波形。圖3為信號經(jīng)過貝塞爾和橢圓帶通濾波器以后的波形。圖2圖3按圖2,3所示的頻率響應(yīng)測試系統(tǒng)的前面板. 用戶可以很方便地進(jìn)行濾波器類型的選擇,設(shè)置濾波器的階次、低(高)端截止頻率、通帶

35、波紋等各項參數(shù)。5 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:頻率響應(yīng)函數(shù)幅值軸設(shè)置為Autoscale。 低端截止頻率設(shè)為2000,高端截止頻率為4000,階次設(shè)定為5,類型有Lowpass、Band2 stop、Bandpass、Highpass4種選擇,通帶濾波為0.80 dB.6 系統(tǒng)程序設(shè)計框圖程序如圖所示. 圖4 系統(tǒng)程序框圖框圖程序包含有兩個模塊,即兩個case結(jié)構(gòu):一個用來實現(xiàn)頻率響應(yīng)測試;另一個用來模擬從混有高頻噪聲的信號數(shù)據(jù)中提取正弦波. 由于濾波器對信號的分析要求循環(huán)進(jìn)行,而整個過程都希望是人為控制的,因此框圖程序里需要一個While循環(huán)結(jié)構(gòu).6.1 模塊一:頻率響應(yīng)測試模塊

36、.頻率響應(yīng)測試時采用沖激函數(shù)做激勵信號,通過在Functions all functions Analyze Signal Processing Signal Generation Impulse Pattern. vi函數(shù)子模板中調(diào)用來實現(xiàn),并且需要對沖激函數(shù)的采樣數(shù)、幅值和延時3個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。用Transfer函數(shù)計算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比,從而得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。在本設(shè)計系統(tǒng)中,共包含有4種類型濾波器,分別為:巴特沃斯濾波器(Butterworth) 、切比雪夫濾波器(Chebyshev) 、貝塞爾濾波器(Bessel) 、橢圓濾波器( Ellip se)。通過在Func

37、tions all functions Analyze Signal Processing Filters中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)子模板來實現(xiàn),并且對濾波器的階次、類型、低(高)端截止頻率、通帶波紋等各項參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,為了驗證所設(shè)計的系統(tǒng)對濾波器頻率響應(yīng)特性分析的效果,將開關(guān)設(shè)置為“開”的狀態(tài)。如果由于四種濾波器的波形全部在一個波形測量節(jié)點(diǎn)顯示會影響觀測效果,所以在程序設(shè)計時,將濾波器的波形分成兩組輸出.在LabV IEW中調(diào)用functions Analyze Signal Processing frequence domain transfer function. vi來計算兩個濾波器的頻率響應(yīng)函

38、數(shù)。圖5 模塊一6.2 模塊二:使用低通濾波器提取正弦波模塊通常微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號中會不可避免地受到各種噪聲的干擾,可以采用數(shù)字濾波方法對其予以削弱或濾除。本模塊輸入信號為一個正弦波,并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號,在設(shè)計過程中,使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量,從而達(dá)到提取正弦波的目的。該模塊程序中共有兩個巴特沃斯濾波器。圖6 模塊二7 結(jié)論7.1 四種濾波器的比較頻率響應(yīng)測試時采用沖激函數(shù)做激勵信號,通過在Functions all functions Analyze Signal Processing Signal Generation Impulse Pattern.

39、 vi函數(shù)子模板中調(diào)用來實現(xiàn),并且需要對沖激函數(shù)的采樣數(shù)、幅值和延時3個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置. 用Transfer函數(shù)計算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比,從而得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù). 在本設(shè)計系統(tǒng)中,共包含有4種類型濾波器,分別為:巴特沃斯濾波器(Butterworth)、切比雪夫濾波器(Chebyshev)、貝塞爾濾波器(Bessel)、橢圓濾波器(Ellip se)。通過在Functionsall functionsAnalyzeSignal ProcessingFilters中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)子模板來實現(xiàn),并且對濾波器的階次、類型、低(高)端截止頻率、通帶波紋等各項參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,為了驗證所設(shè)計的系統(tǒng)對濾波器頻率響應(yīng)特性分析的效果,將開關(guān)設(shè)置為“開”的狀態(tài)。如果由于四種濾波器的波形全部在一個波形測量節(jié)點(diǎn)顯示會影響觀測效果,所以在程序設(shè)計時,將濾波器的波形分成兩組輸出.在LabV IEW中調(diào)用functionsAnalyzeSignal Processing frequence d