多功能数字滤波器设计.docx
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多功能数字滤波器设计
目录
0.多功能数字滤波器设计任务书1
1.虚拟仪器简介4
1.1虚拟仪器概念4
1.2虚拟仪器与传统仪器区别4
1.3虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点5
1.4虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计多通道数字滤波器的优点5
2.数字滤波器7
2.1数字滤波器的概念7
2.2滤波器的分类7
3.基于LabVIEW的多功能数字滤波器设计8
3.1LabVIEW程序设计9
3.2设计思路9
3.3系统整体设计流程图11
4.多功能数字滤波器整体程序设计12
4.1多功能数字滤波器前面板设计12
4.1.1前面板各模块的设计12
4.1.2前面板设计总体图15
4.2多功能数字滤波器程序框图设计16
4.2.1程序框图各模块设计16
4.2.2总体程序框图设计图22
5.系统功能23
6.系统调试24
7.心得体会与小结27
8.参考文献28
多功能数字滤波器设计
《虚拟仪器技术》课程设计任务书
（二）
题目：
多功能数字滤波器设计
一、课程设计任务
数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分，数字滤波器与模拟滤波器相比具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变,灵活性高，不存在阻抗匹配问题，便于大规模集成，可实现多位滤波等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用。
LabVIEW是图形化开发环境，它具有功能强大、编程效率高、界面友好、参数修改方便等优点，同时它在功能完整性和应用灵活性上也不逊于任何高级语言。
本课题选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，设计IIR和FIR等数字滤波器，可分别实现巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔多阶滤波器功能，在交互式界面可以根据工程要求方便的选择实用数字滤波器，有效地解决工程数字滤波问题。
具体指标与要求如下：
（1）IIR滤波器：
演示在不同输入波形（正弦波、直流波、三角波、锯尺波或方波，可设置信号频率、幅值、采样频率、采样点数等参数，且可加入不同类型与大小的噪声）情况下，选择不同的滤波器类型（高通、低通、带通和带阻）和逼近准则（巴特沃思法、切比雪夫Ⅰ型法、切比雪夫Ⅱ型法、椭圆滤波器法和贝塞尔滤波器法等）以及相应的滤波参数时IIR滤波器输出波形变化。
（2）FIR滤波器：
演示在不同输入波形情况下，选择不同的滤波器类型（高通、低通、带通和带阻）和不同的设计方法（窗函数加权法、EquirippleFIR法和FIRbySpecification法）以及不同的滤波参数时FIR滤波器输出波形变化。
（3）中值滤波器：
演示在不同输入波形情况下，选择不同的滤波参数时中值滤波器输出波形变化。
（4）系统具有交互式友好界面，并可以根据工程要求方便的选择各种不同的实用型数字滤波器。
二、课程设计目的
通过本次课程设计使学生具备：
1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力；8）通过本次课程设计，加深对各种滤波器的认识，并对各滤波器的滤波特性有一个更加全面的了解。
三、课程设计要求
1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；
2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立数字滤波器的功能和工作原理，确定多功能数字滤波器的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；
3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；
4、撰写完整的课程设计报告。
四、课程设计内容
1、多功能数字滤波器前面板设计；
前面板要求：
仪器操作均在前面板进行；仪器操作方便，人性化设计；前面板美观大方。
2、多功能数字滤波器框图程序设计。
框图程序要求：
设计思路简洁；功能完善，达到设计要求；布线合理，便于查看。
五、课程设计报告要求
报告中提供如下内容：
1、目录
2、正文
（1）课程设计任务书；
（2）总体设计方案（包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计多功能数字滤波器，多功能数字滤波器的总体结构图等）；
（3）简述所设计的多功能数字滤波器的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，要求根据上面的具体指标画出时序图，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的多功能数字滤波器；
（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；
（5）调试、运行及其结果；要求有多功能数字滤波器设计的源程序和运行结果等。
3、收获、体会
4、参考文献
六、课程设计进度安排
本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:
时间
上午
下午
星期一
课程设计动员、布置课程设计任务
查找与消化相关资料、总体方案设计
星期二
软件设计
软件设计
星期三
软件设计
软件设计
星期四
系统调试
系统调试及性能分析与总结、撰写课程设计报告
星期五
完成课程设计报告并上交
答辩
七、课程设计考核办法
本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
第一章虚拟仪器简介
1.1虚拟仪器概念
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟实现一个方面的应用结果。
即一种功能上的仪器，充分利用计算机强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据采集、控制、数据分析和处理及测试结果的显示，通过软硬件的配合来实现传统仪器的各方面功能。
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。
使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。
虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。
20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。
虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。
美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。
“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。
从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。
I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。
NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。
1.2虚拟仪器与传统仪器区别
传统仪器技术发展到今天，已经经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，从20世纪70年代开始进入了虚拟仪器时代。
通常在完成某个测试任务时需要很多仪器，如示波器，电压表，频率分析仪、信号发生器等。
对复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪，IC测试仪等。
这么多仪器不仅价格昂贵，体积大、占有空间，相互连接起来很费事、费时。
而且经常由于仪器之间的连接、信号带宽等问题给测量带来很多麻烦。
然而，由于虚拟仪器的出现，使传统仪器的某县硬件乃至整个仪器都被计算机软件代替。
大大突破传统仪器在数据处理、显示传送、存储的等方面的限制，使用户可以方便的对仪器进行维护、扩展和升级。
综上，虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表1.1所示）：
虚拟仪器
传统仪器
开发维护费用低
开发维护费用高
技术更新周期短（0.5～1年）
技术更新周期短（5～10年）
软件是关键
硬件是关键
价格低
价格昂贵
开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置
固定
可用网络联络周边各仪器
只可连有限的设备
自动化、智能化、多功能、远距离传输
功能单一，操作不便
表1.1虚拟仪器与传统仪器的比较
1.3虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点
所有的LABVIEW应用程序包括前面板，框图程序以及图标/连接器三部分。
框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。
框图程序提供VI图形化源程序，在框图程序中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入输出功能。
其最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术想结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。
在虚拟仪器中使用相同硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。
1.4虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计多通道数字滤波器的优点
采用虚拟仪器软件来设计多功能数字滤波器，使得设计时可以由用户自己定义，相对于传统仪器设计，用户可对其方便修改进行增减，调试更加方便直观。
同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：
（1）性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。
此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。
在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。
（2）扩展性强
NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。
这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。
在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。
（3）开发时间少
在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、传统仪器与虚拟仪器构成比较。
仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。
NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。
（4）无缝集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。
随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。
NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。
第二章数字滤波器
2.1数字滤波器的概念
滤波器是一种选频装置，它对某一个或几个频率范围（频带）内的电信号给以很小的衰减，使这部分信号能够顺利通过；对其他频带内的电信号则给以很大的衰减，从而尽可能地阻止这部分信号的通过。
在更多的情况下，滤波器被狭义地理解为选频信号，如低通、高通、带通、带阻。
所谓数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分的器件。
数字滤波器（DF）由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲滤波器及逻辑单元等数字电路构成。
它精度高、灵活性大、可靠性高、不存在阻抗匹配问题、可以时分复用，能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。
其缺点是需要抽样、量化、编码，以及受时钟频率所限，所能处理的信号最高频率还不够高。
另外，由于有限字长效应会造成与设计值的频率偏差、量化和运算噪声及极限环振荡。
此次我们要求设计的就是数字滤波器。
2.2滤波器的分类
从各种不同角度对数字滤波器分类：
（1）按冲激响应h（n）的长度分类
分为有限冲激响应（FIR）数字滤波器和无限冲激响应（IIR）数字滤波器两种。
冲激响应本来是用于模拟系统，指系统对冲激函数δ（t）的响应。
发展到数字滤波器后，工程上仍沿用这个名称，与单位抽样响应和单位脉冲响应的说法通用。
IIR数字滤波器和FIR数字滤波器在特性、结构、设计方法、运用场合等方面均不相同，要根据实际情况而定。
（2）按有无递归结构分类
分为递归型和非递归型。
递归表现为实现过程中出现反馈回路。
即将某些输出量反馈到原输入点与原输入量相加。
一般来说，IIRDFH（z）有分母，须用递归型结构实现；FIRDF的H（z）无分母，用非递归型结构实现。
但是FIRDF也可以用递归型结构实现，比如H（z）=1+z-1+z-2+z-3可以改写然后用递归型结构实现。
因此，尽管IIR、FFR与递归非递归有着密切的关系，但它们毕竟是从不同的角度看问题，在概念上不能混为一谈。
（3）按功能分类
分为低通滤波器（LPDF）、高通滤波器（HPDF）、带通滤波器（BPDF）和带阻滤波器（BSDF）四种。
这里要特别强调一点的是：
数字滤波器的频响是周期的,其重复周期是采样频率f，或者数字频率2π，且在每一周期内，幅频特性具有对称性。
比如采样频率f=8000Hz，数字带通的通带是300～3400Hz，那么它的重复周期为8000Hz，由对称性可知4600～7700Hz也是通带，由周期性可知8300～11400Hz也是通带，等等。
因此，如果你想从0～20kHz的信号中滤出1～4kHz的频率成分，那么在0～20kHz的频率范围内，带通滤波器应该只有1～4kHz的通带。
因为频响的周期为采样频率f所以在f内与1～4kHz相对称的通带f-4kHz～f-1kHz必须在20kHz的频率之外，应有f-4kHz>20kHz即f>24kHz。
此时带通滤波器的通带范围为1～4kHz、20～23kHz、25～28kHz等，从而保证了在0～20kHz的频率范围内，只有1～4kHz的频率成分可以通过该滤波器。
因此，所谓低通、高通、带通、带阻都是指频率f介于0～f/2或数字频率ω介于0～π的那一段幅频特性而言的。
也就是说，数字滤波器处理的频率应该小于f/2。
关于数字频率ω，一定要注意它是真实频率与采样频率之比。
说一个数字频率低通的带通是0～0.1π,则时钟为1Hz时是指0～50Hz，时钟为2Hz时是指0～100Hz，时钟为100kHz时是指0～5kHz，是相对频率。
（4）按同时处理的变量的个数分
分为一维和多维滤波器。
一维滤波器的输入、输出、冲激响应和频响分别是x（n）、y（n）、h（n）、和H（ejω）,二维滤波器分别是x（n,m）、y（n,m）、h（n,m）和H（ejω1,ejω2）,三维和三维以上类推。
一位滤波器最常用。
二维滤波器主要用于图象处理，其用途日益广泛。
分类的方法还有很多，比如线性滤波器和非线性滤波器、时变DF和非时变DF、纯振幅DF和纯相位DF、线性相位DF和非线性相位DF等等。
第三章基于LabVIEW的多功能数字滤波器设计
3.1LabVIEW程序设计
LabVIEW程序由两部分组成：
前面板和程序框图程序。
LabVIEW的前面板，即交互式界面，用于设置输入数值和观察输出量，在前面板中，使用了各种图标如枚举、数值输入输出控件、波形图等来模拟真实仪器的面板,并可如同操作实际仪器一样方便地调节输入参数和进行输出模式定制。
本文中前面板的设计，充分发挥了LabVIEW的特长,即建立了友好的人机操作界面。
本程序将几种典型的IIR、FIR以及中值数字滤波器集成在一个应用程序中,因此可以根据实际需要选择基于不同逼近准则的滤波器。
用户可以方便地调整采样率,波纹幅度等滤波参数而不必要修改框图程序。
由位于上方的输出波形图可以直观地观察滤波器滤波后的波形以及幅频与相频特性，在IIR和FIR数字滤波器的前面板设计中采用了装饰框,使整个虚拟面板变得简洁、美观。
由于滤波器对信号的分析要求循环进行，而整个过程都希望是人为控制的，因此框图程序里需要一个While循环结构。
所设计的滤波器可以进行IIR、FIR中值滤波器三种滤波方式，并且最后要在前面板上显示滤波后的波形、滤波器信息以及滤波后的频谱信息，因此这里采用了两个选择结构，一个实现滤波方式的选择,一个实现波形显示的选择。
可以将IIR数字滤波器中的Butterworth、Chebyshev、Bessel、Ellipse、Inverse和FIR数字滤波器中的Hamming窗、Hanning窗、Triangular窗、Blackman窗、ExactBlackman窗、Blackman-Harris窗、FlatTop窗和Kaiser-Bessel窗等几种典型滤波方式集成于一个应用程序中。
这几种典型的滤波方式各有各的优势,以IIR数字滤波器中的几种模拟滤波器原型而言，Butterworth型IIR滤波器具有单调下降的幅频特性；Chebyshev型幅频特性在通带或者在阻带有波动，可以提高选择性；Bessel型通带内有较好的线性相位特性；而Ellipse其选择性相对前三种是最好的。
由于LabVIEW高效的编程方式和灵活的编程特点，将他们集成在一起，可以大大的满足用户的需要。
3.2设计思路
设计的数字滤波器是把采集来的信号，进行滤波，保存打印。
在LabVIEW中设计虚拟数字滤波器，关键问题是要知道滤波器图标的调用路径和合理设置滤波器的有关参数。
比如，要设计一个虚拟数字式巴特沃斯滤波器，其设计过程是在Functions选项板下次选择信号处理子选项板，最后在滤波器子选项板中选择ButterworthFilter.vi图标，选中后在流程图中便出现巴特沃斯滤波器（ButterworthFilter.vi）图标，然后，设置ButterworthFilter.vi的相关参数。
虚拟滤波器去除噪声在信号传输过程中,经常会混入高频噪声,噪声的能量甚至会超过信号能量。
因此接收端收到信号后,通常首先要进行低通滤波,然后才能对信号做进一步处理。
设计的流程图如图2.1所示。
图3.1设计流程图
系统包括自选信号、滤波部分和现实部分。
自选信号是信号发生器发出的信号加上噪声信号来实现的。
在信号发生器部分应用波形生成子选项板中的基本波形子VI产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等标准信号，噪声部分我使用了自行选择的方式，从8中噪声中选择一种，然后一起相加生成自选信号。
滤波部分是本程序的核心部分。
选用滤波速度快，对相位没有要求的IIR滤波器，本程序采用Butterworth滤波器和Chebyshev滤波器。
显示部分是本程序面向用户的一个关键部分，最终的成果是通过它呈现出来。
我们要显示的波形图分为滤波前的自选信号和滤波后的信号。
同时得到滤波信息，其中包括幅频信号和相频信号。
3.3系统整体设计流程图
图3.2整体设计流程图
第四章多功能数字滤波器整体程序设计
4.1多功能数字滤波器前面板设计
4.1.1前面板各模块的设计
各模块的设计大体分为三块，有波形信号产生界面的设计、信号处理及滤波的界面设计、显示界面的设计。
其中，波形信号产生界面包含原始波形产生的参数设置，噪声加入设计；信号的处理考虑到FIR滤波器、IIR滤波器、及中值滤波器的界面设计及参数设置，分别在下面进行分析。
（1）信号发生模块
如图4.1为信号参数的设置，其中，波形的选择有5种，分别为正弦波、方波、三角波、锯齿波及直流信号。
直流信号可以用正弦波或其他波形来代替，只要将幅值设置成0即可。
图4.1信号产生前面板
（2）噪声加入模块
在LabVIEW的程序设计中，共可模拟产生9种噪声，分别为均匀白噪声（uniformwhitenoise）、高斯白噪声（gaussianwhitenoise）、周期性随机噪声（periodicnoise）、反幂律噪声、gamma噪声（gammanoise）、泊松噪声（poissionnoise）、二项分布噪声（binomialnoise）、bernoulli噪声（bernoullinoise）和MLS序列噪声（MLSSeauencenoise）。
为了能精确的模拟各种噪声，在设计时将所有的噪声类型都考虑在内。
前面板图及参数如图4.2所示。
图4.2噪声加入前面板
（3）滤波处理模块
IIR滤波器的设计要考虑到其在不同输入波形（正弦波、直流波、三角波、锯齿波或方波输入的情况下，可设置信号幅值、频率、相位、采样频率、采样点数等参数，且可加入不同类型与大小的噪声）情况下，选择不同的滤波器类型（高通、低通、带通和带阻）和逼近准则（巴特沃思法、切比雪夫Ⅰ型法、切比雪夫Ⅱ型法、椭圆滤波器法和贝塞尔滤波器法等）以及相应的滤波参数时IIR滤波器输出波形变化的功能。
设计界面如图4.3。
图4.3IIR滤波器前面板
FIR滤波器的设计要考虑到其有不同的滤波器类型（高通、低通、带通和带阻）和不同的设计方法（窗函数加权法、FIRbySpecification法、EquirippleFIR法和不使用的情况子）以及不同的滤波参数时如高通截止频率、低通截止频率等。
本次设计使用的是利用LabVIEW自动生成输出的方式。
得到前面板如图4.4。
图4.4FIR滤波器前面板
与IIR和FIR滤波器相比较，中值滤波器的设计界面则相对简单，只要设置一个滤波级数即可，如图4.5。
图4.5中值滤波器前面板
（4）波形显示模块
信号的处理结果显示应包含有原始信号（可加噪声）和经过滤波处理后的输出信号，同时滤波信息也应显示出来，包括幅频信号输出和相频信号输出。
设计界面如图4.6、4.7。
图4.6滤波前后信号输出前面板
图4.7滤波信息输出前面板
4.1.2前面板设计总体图
结合滤波器的形成原理，把滤波器类型分为低通、高通、带通和带阻，由于低通和高通只需要求截止频率，而带通和带阻滤波器需要上下截止频率，所以把这四个类型分开设计。
信号的处理考虑到IIR滤波器、FIR滤波器、及中值滤波器的界面设计及参数设置。
另外还显示幅值，相位和相关系数。
如果设计的滤波器符合本课题的要求，可以把这个相关系数存盘，以便写成滤波器的形式。
具体的前面板设计如图4.8。
图4.8前面板设计总体图1
上图中将滤波前后的时域信号波形显示出来，同时把经过滤波处理后的输出信号的滤波信息也应显示出来，其中包括幅频信号输出和相频信号输出。
前面板设计如图4.9。
图4.9前面板设计总体图2
4.2多功能数字滤波器程序框图设计
4.2.1程序框图各模块设计
（1）信号输入模块的设计
自选信号是虚拟信号发生器发出的信号加上噪声信号来实现的。
在信号发生器部分应用波形生成模块里正弦波、方波、三角波、锯齿波等子VI产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等标准信号。
噪声部分我使用了一个条件结构，可以选择加入噪声或者不加，其中加入的噪声有9种选择，然后一起相加生成自选信号。
在本程序中，设定采样频率和采样点数均为1000，根据奈奎斯特抽样定理生成信号的频率小于Fs/2，频谱就不会失真，所以上述信号发生器生成信号的频率最好不要超过500Hz。
但经过试验在LabVIEW中采样
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