基于虛擬儀器的數(shù)字濾波器的設(shè)計

王鈺楠+關(guān)靜+劉然

摘 要： 由于數(shù)字濾波器在信號處理過程中應(yīng)用廣泛，所以研究濾波器的設(shè)計具有重要的實際意義。文章利用LabWindows/CVI軟件設(shè)計了濾波處理界面，該界面包括信號的產(chǎn)生、噪聲的疊加和濾波器處理；該界面可以選擇多種原始信號與噪聲信號，并且可以快速、便捷地修改濾波器的參數(shù)。經(jīng)過實驗驗證，利用LabWindows/CVI軟件設(shè)計數(shù)字濾波器，操作簡單、功能強大，可以用于實際。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字濾波器； 虛擬儀器； 濾波； 噪聲

中圖分類號：TP312 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）03-34-03

Abstract： Because of the wide application of digital filter in signal processing， it is of great practical significance to study the design of the filter. With LabWindows/CVI software， a filter processing interface is designed in this paper， which includes signal generation， noise superposition and filter processing； the interface can choose a variety of the original signal and noise signal， and can quickly and conveniently modify the filter parameters. After experimental verification， designing digital filter with LabWindows/CVI software is simple and powerful， and can be widely used in practice.

Key words： digital filter； virtual instrument； filtering process； noise

0 引言

在信號處理過程中，對處理的實時性和快速性的要求越來越高。許多信號與信息處理都要用到濾波器，如對信號的過濾、檢測、預(yù)測、估計等。其中模擬濾波器一般是由硬件電路實現(xiàn)，使用電容、電阻、電感等元器件實現(xiàn)濾波功能。而利用硬件電路設(shè)計濾波器，會使得電路計算、測試、調(diào)試過程復(fù)雜，且存在電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題；相較而言，數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精度高、設(shè)計靈活、實現(xiàn)方便等許多突出的優(yōu)點，克服了模擬濾波器的缺陷[1]。因而隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)濾波器的功能越來越受到人們的注意并得到廣泛的應(yīng)用。

1 LabWindows/CVI簡介

LabWindows/CVI是美國國家儀器公司（NI公司）推出的交互式C語言開發(fā)平臺。LabWindows/CVI將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控工具有機地結(jié)合起來，利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)設(shè)計人員編寫檢測系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境[2]。

2 數(shù)字濾波器

2.1 數(shù)字濾波器的原理

數(shù)字濾波器在數(shù)字信號處理中占據(jù)著非常重要的地位。其實數(shù)字濾波可以被看做是一種運算過程，即將一組被輸入的數(shù)字信號量的序列通過一定的運算轉(zhuǎn)換后，得到另一組輸出的數(shù)字信號序列。因此它本身就是一臺數(shù)字式的處理設(shè)備[3]。

一個數(shù)字濾波器可以用系統(tǒng)函數(shù)表示為：

對式⑴進行歸一化處理，可以得出對應(yīng)濾波器輸入輸出關(guān)系的常系數(shù)線性差分方程：

數(shù)字濾波器主要分為兩種有限長數(shù)字濾波器（FIR）和無限長數(shù)字濾波器（IIR）。IIR濾波器的首要優(yōu)點是可在相同階數(shù)時取得更好的濾波效果；而FIR濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路，則不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題；同時，F(xiàn)IR濾波器可以同時保證幅度特性隨意設(shè)置和線性相位精確度，穩(wěn)定和線性相位特性是FIR濾波器的突出優(yōu)點[4]。

2.2 數(shù)字濾波器設(shè)計的一般步驟

⑴ 確定濾波器的性能指標，使其滿足具體的任務(wù)需求；

⑵ 用因果系統(tǒng)的離散線性時不變系統(tǒng)函數(shù)來逼近確立的性能指標；

⑶ 利用有限精度算法去實現(xiàn)這個系統(tǒng)函數(shù)。（包括選擇適當?shù)倪\算結(jié)構(gòu)、確定合適的字長和有效數(shù)字處理方法等）

⑷ 用適當?shù)能洝⒂布夹g(shù)實現(xiàn)。（包括采用通用計算機軟件、數(shù)字濾波器硬件、或者兩者結(jié)合）

3 利用LabWindows/CVI設(shè)計數(shù)字濾波器

在LabWindows/CVI集成開發(fā)環(huán)境下，先建立一個工程，一個工程最終有.iur（用戶界面文件）、.c（源文件）和自動生成的.h（頭文件），.c文件中包含一個mian{}或者winMaln{}形式的c語言程序框架及與用戶界面資源對應(yīng)的一些空回調(diào)函數(shù)，.h文件包含用戶界面文件中使用的各種資源的定義[5]。

利用LabWindows/CVI設(shè)計濾波處理界面，需要首先新建一個用戶界面文件，然后在該用戶界面中添加所需的控件，利用該軟件生成所需的代碼，最后根據(jù)自己的需求，利用C語言編輯代碼實現(xiàn)所需的功能。

本文設(shè)計的濾波器的方法是巴特沃斯，且該濾波器的設(shè)計包括三部分，分別為：產(chǎn)生信號、疊加信號和濾波處理。首先產(chǎn)生一個模擬的原始信號和一個噪聲，通過信號疊加處理產(chǎn)生一個受噪聲干擾的模擬信號，最后經(jīng)濾波器濾波處理，得到原始信號。用戶面板設(shè)計如圖1所示。

程序設(shè)計的主要思路是：先產(chǎn)生原始信號與噪聲信號，設(shè)計圖表控件，裝載界面時顯示信號波形；然后對原始信號與噪聲信號進行疊加處理；最后設(shè)計濾波器的濾波方法與濾波方式，將原始波形、噪聲波形、疊加噪聲波形與濾波后的波形分別顯示出來，將原始波形、疊加噪聲干擾波形與濾波處理后波形進行比較，分析濾波器的濾波效果。程序流程圖如圖2所示。

3.1 信號源

虛擬儀器產(chǎn)生的信號主要來自數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將輸入的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字信號，再對這些數(shù)據(jù)進行處理。信號的產(chǎn)生類庫位于LibraryàAdvanced AnalysisàSignal Generation下。信號的產(chǎn)生類庫可以產(chǎn)生多種信號，在本界面中主要設(shè)計了5種原始信號與4種噪聲信號。

⑴ 原始信號

SinePattern （samplepoint， amp， phase， cycle， wave）；

//正弦信號

TriangleWave （samplepoint， amp， （double）cycle/

samplepoint， &phase， wave）； //三角波信號

⑵ 噪聲信號

GaussNoise （samplepoint， 1.0， 1， wave）；

//高斯白噪聲信號

Uniform （samplepoint， 1， wave）； //均勻白噪聲信號

3.2 信號疊加

本設(shè)計所用到的信號處理方式是信號疊加。信號的分析類庫位于LibraryàAdvanced AnalysisàSignal Processing下。

選擇噪聲的類型，然后設(shè)置噪聲的增益、采樣頻率以及周期等參數(shù)，最后在原始信號的基礎(chǔ)上疊加噪聲。

noisewave=malloc （wavepoint * sizeof （double））；

Uniform （wavepoint， 1， noisewave）；

//在原信號基礎(chǔ)上疊加高斯白噪聲信號

noisewave=malloc （wavepoint * sizeof （double））；

Uniform （wavepoint， 1， noisewave）；

//在原信號基礎(chǔ)上疊加均勻白噪聲信號

3.3 濾波處理

本文利用巴特沃斯方法設(shè)計了濾波器。首先選擇濾波方法（一步法、二步法、三步法），然后對濾波階數(shù)、上限截止頻率、下限截止頻率等濾波參數(shù)進行設(shè)置，最后選擇選擇濾波器的類型低通、高通、帶通、帶阻完成信號的濾波處理。

Bw_CascadeCoef （wavepoint， lowercutoff， highercutoff，

filterinformation）； //產(chǎn)生巴特沃斯濾波器系數(shù)

IIRCascadeFiltering （noisewave， wavepoint，

filterinformation， noisewave）； //信號濾波

FreeIIRFilterPtr （filterinformation）； //釋放濾波器結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計實例，介紹了利用LabWindows/CVI實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計與濾波處理，該設(shè)計方法使用簡單、操作快捷，大大減輕了開發(fā)員的工作量，通過比較原始波形與濾波器濾波處理后的波形，可以看出，濾波器過濾掉了噪聲干擾，恢復(fù)出了原始波形，實現(xiàn)了濾波器的濾噪功能。在實際的應(yīng)用中，只需按照需求修改濾波器參數(shù)，而不用修改程序，即可以實現(xiàn)不同截止頻率的數(shù)字濾波器的設(shè)計，該方法有很好的應(yīng)用價值。

參考文獻（References）：

[1] 萬娟.地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)字濾波器設(shè)計[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[2] 王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3] 劉萬松.基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計[D].貴州大學(xué)，2008.

[4] 葛遠香，胡開明，GEYuan-xiang等.基于MATLAB和DspBuilder的電網(wǎng)信號FIR濾波器設(shè)計[J].東華理工大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2010.33（2）：197-200

[5] 李騰飛，張輝，LiTengfei等.基于LabWindows/CVI和Matlab的濾波器設(shè)計[J].電子科技，2007.3：29-31