探微多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

譚 靜（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

探微多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

譚 靜
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

在濾波器的生產(chǎn)過程中，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是重點(diǎn)部分，也是一個(gè)難點(diǎn)部分。所以，為了使人們能夠更好的知道與掌握數(shù)字濾波器的原理，促使更多的人對數(shù)字濾波器的認(rèn)識，提高數(shù)字濾波器的生產(chǎn)質(zhì)量。本文主要研究了數(shù)字濾波器的多功能設(shè)計(jì)以應(yīng)用，從其工作原理的角度出發(fā)，深入分析設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)該產(chǎn)品時(shí)的方法，從系統(tǒng)功能到系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)來考慮LabVIEW軟件系統(tǒng)在數(shù)字濾波器當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，期待通過筆者的闡述能夠?yàn)閿?shù)字濾波器的研究提供些許借鑒意義。

多功能數(shù)字濾波器；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0　前言

數(shù)字濾波器的作用是用于對不同數(shù)字信號的處理。即使是專業(yè)學(xué)習(xí)信息方面知識的學(xué)生也應(yīng)該很好的掌握數(shù)字濾波器的原理。而我國中對于數(shù)字濾波器的研究，多為抽象的公式計(jì)算，很難形象而又客觀的對其進(jìn)行分析與研究。使很多設(shè)計(jì)人員在對數(shù)字濾波器的學(xué)習(xí)過程中，很難掌握與理解數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程與工作原理。而利用LabVIEW軟件系統(tǒng)對其進(jìn)行實(shí)際演示，可以使設(shè)計(jì)人員更加直觀與深刻的對數(shù)字濾波器進(jìn)行理解與掌握。文章就針對LabVIEW軟件為數(shù)字濾波器提供了設(shè)計(jì)的平臺，將所有屬于數(shù)字濾波器的功能都?xì)w攏到新開發(fā)的多功能型濾波器當(dāng)中，以此設(shè)計(jì)來為學(xué)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行演示，幫助其加強(qiáng)對濾波器的了解和認(rèn)知。

1　數(shù)字濾波器的工作原理

數(shù)字濾波器的主要功能是將輸入的數(shù)字信號通過一定的公式運(yùn)算將其變成輸出的數(shù)字信號。通過使用數(shù)字信號，使數(shù)字濾波器與傳統(tǒng)的模擬濾波器相比較，具有準(zhǔn)確性高、靈活性好、便于集成和實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)，還可避免出現(xiàn)因阻抗而產(chǎn)生的一系列問題。數(shù)字濾波器能夠形成大規(guī)模的集成也有利于多維濾波的實(shí)現(xiàn)，其可靠性比虛擬濾波器更加穩(wěn)定。而且數(shù)字濾波器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬濾波器的功能，還能完成模擬濾波器由于自身局限性而難以實(shí)現(xiàn)的功能。

數(shù)字濾波器根據(jù)特性的不同能夠劃分為不同類型的濾波器。根據(jù)頻率特性可劃分為高通、低通、帶通和帶阻等不同的數(shù)字濾波器。而按照沖擊響應(yīng)的不同則可分為有限沖激響應(yīng)、無限沖激響應(yīng)兩種濾波器。有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR）的沖擊響應(yīng)是一個(gè)在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)衰減的。無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（IIR）的沖擊響應(yīng)則是一個(gè)理論上無限持續(xù)的［1］。

有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）的設(shè)計(jì)方法是利用一個(gè)理想的濾波器去設(shè)計(jì)一個(gè)無限接近于它的數(shù)字濾波器，利用傅里葉變換我們可得到一個(gè)函數(shù)公式：sa（n）=sin（n∩）/n∏，再通過加窗的方法，最后可得到數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)。

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）的設(shè)計(jì)方法是在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上利用雙線性變換法來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

2　多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

2.1多功能數(shù)字濾波器的系統(tǒng)功能

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）和有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）的類型均可分為高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）可根據(jù)輸入波形的不同，設(shè)置不同的信號參數(shù)，進(jìn)而選擇所需要的濾波器類型、不同波形參數(shù)IIR濾波器的波形輸出變化和逼近準(zhǔn)則（如巴特沃斯法，切比雪夫法等準(zhǔn)則）。

有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）在輸入波形不同的情況下，選擇所需要的濾波器類型、不同波形參數(shù)時(shí)FIR濾波器的波形輸出變化和設(shè)計(jì)方法（如窗函數(shù)法、等波紋法等）［2］。

2.2多功能數(shù)字濾波器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文分析利用LabVIEW軟件研究數(shù)字濾波器的工作原理。LabVIEW軟件是一種由美國開發(fā)出來十分常用的虛擬儀器軟件，它不僅僅擁有完整的驅(qū)動(dòng)程序和函數(shù)庫，還能夠?qū)崿F(xiàn)對儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示等功能。LabVIEW的編程方式放棄了傳統(tǒng)的文字編程方式，而是采用了基于圖形的框圖編程。使用這種編程方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是使得系統(tǒng)的編程更加簡單、調(diào)試更加方便，更有利于對信號的實(shí)際處理，也是到現(xiàn)在為止發(fā)展速度最快、使用范圍最廣、功能性最強(qiáng)的圖形軟件。

LabVIEW的設(shè)計(jì)程序主要包括能夠完成濾波器內(nèi)部程序設(shè)計(jì)的框圖程序和實(shí)現(xiàn)儀器面板功能的前面板程序［3］。其中框圖程序是LabVIEW設(shè)計(jì)程序的核心。前面板的程序上分為原始信號參數(shù)區(qū)域、濾波參數(shù)區(qū)域和結(jié)果顯示區(qū)域。在前面板程序上利用人機(jī)交互的系統(tǒng)界面，設(shè)置原始的信號參數(shù)，再選擇不同的類型的數(shù)字濾波器與波形參數(shù)，最后觀察經(jīng)過濾波器過濾后的波形與原始波形的變化，分析并將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤?？驁D程序包括原始信號的輸入、信號的頻率響應(yīng)、濾波和顯示四個(gè)部分。信號的輸入可采用預(yù)先設(shè)置的信號和手動(dòng)輸入信號兩種方式。信號的頻率響應(yīng)主要是用來區(qū)分不同濾波器的頻率特性。濾波是LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的核心部分，其框圖程序分為最外層和里層兩個(gè)部分，最外層部分是用來對FIR濾波器和IIR濾波器進(jìn)行類型的選擇，里層則是包含巴特沃斯、切比雪夫等五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。顯示程序部分主要是用來顯示信號在被濾波器濾波前后波形和頻率的變化。

3　總結(jié)

總之，在學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的知識過程中根據(jù)培訓(xùn)狀態(tài)以及社會(huì)發(fā)展的情況，本文選擇利用LabVIEW軟件的操作簡單、結(jié)果具體等特點(diǎn)輔助設(shè)計(jì)人員在培訓(xùn)過程當(dāng)中對多功能濾波器進(jìn)行客觀具體的了解。使設(shè)計(jì)人員能夠利用實(shí)驗(yàn)對多功能數(shù)字濾波器有更深刻的理解與認(rèn)識，調(diào)動(dòng)其探索的興趣，避免出現(xiàn)一味的理論公式化枯燥的培訓(xùn)方式，能夠更好的提高培訓(xùn)效果和設(shè)計(jì)者的知識接收效果。

［1］謝啟，劉妍，陸建明，李智超.多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，09（02）：18.

［2］田浩，段麗君.基于LabVIEW的多功能數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2011，05（03）：66.

［3］王怡，陳燕東.新型虛擬多功能數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，04（02）：43.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.121

譚靜（1963-），女，內(nèi)蒙古錫林浩特人，本科，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)量與測試。