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文档简介
1、摘 要目前,在电子测量和自动化控制领域,虚拟仪器技术取得了巨大的发展。虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器,是具有仪器功能的软件、硬件的组合,从而实现各种传统仪器的功能。LabVIEW是一种图形化的虚拟仪器编程语言,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。数字滤波器的设计是它的主要应用领域之一。本文介绍了IIR、FIR数字滤波器设计方法,以及LabVIEW的功能特点,并给出了基于LabVIEW的多功能数字滤波器系统的总体设计方案,系统有五个模块组成:启动模块、登陆模块、信号发生模块、滤波模块和显示模块。启动模块显示动态启动过程;登陆模块用来设置用户权限,只有当用户名和密码
2、正确且匹配后,可进入系统;信号发生模块生成含有噪声的模拟信号,信号的频率、幅值、相位和噪声幅值以及采样信息都可调;滤波模块由IIR和FIR数字滤波器组成,通过设置前面板的滤波器参数来满足滤波效果;显示模块,该模块用来对滤波前后信号的波形、信号的频谱以及滤波器的频率特性进行分析比较。测试结果表明,该系统可操作性强,界面友好,显示直观,响应速度快,精度高,有很好的滤波效果。关键字: 虚拟仪器,LabVIEW,数字滤波器,FIR,IIR目 录第1章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 研究内容和目的2第2章 数字滤波器32.1 滤波概念32.2 滤波器分类32.3 数字滤波器的原理及分类42.4
3、数字滤波器设计步骤62.5 数字滤波器技术指标72.6 IIR数字滤波器的设计方法82.6.1 脉冲响应不变法设计数字低通滤波器92.6.2 双线性变换法设计数字低通滤波器112.6.3 数字高通、带通和带阻滤波器的设计122.7 FIR数字滤波器的设计122.7.1 FIR数字滤波器的特征132.7.1 窗函数法设计法142.7.2 常用窗函数介绍162.7.3 频率采样法和切比雪夫逼近法介绍182.8 IIR和FIR数字滤波器比较18第3章 虚拟仪器203.1 虚拟仪器基础203.1.1 虚拟仪器概述203.1.2 虚拟仪器的构成203.2 LabVIEW的概述213.2.1 LabVIE
4、W的构成213.2.2 LabVIEW的操作选板243.2.3 LabVIEW的特点263.3 LabVIEW的运行与调试263.3.1 VI运行263.3.1 VI调试263.4 LabVIEW设计虚拟仪器的方法30第4章 多功能数字滤波器系统设计324.1 多功能数字滤波器系统的总体方案设计324.2 多功能数字滤波器系统的各个模块设计324.2.1 启动模块324.2.2 登陆模块344.2.3 信号发生模块354.2.4 滤波模块374.2.5 显示模块38第5章 多功能数字滤波器系统的仿真分析405.1 系统仿真流程405.2 启动界面的仿真分析415.3 登陆界面仿真分析415.4
5、 信号滤波去噪仿真分析435.4.1 相同阶数不同逼近准则的IIR滤波器仿真分析435.4.2 同逼近准则不同阶数的IIR滤波器仿真分析495.4.3 窗函数法FIR滤波器仿真分析505.4.4 IIR和FIR对混频信号滤波仿真分析比较52第6章 总结58参考文献59附 录60致 谢62III第1章 绪论1.1 研究背景和意义在信号处理过程中,所处理的信号往往混有噪声,从接收到的信号中消除或减弱噪音信号是信号处理和传输中,十分重要的问题。根据有用信和噪声的不同特性,提取有用信号的过程,称为滤波,实现滤波的系统称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中,数字滤波器的应用极为广泛。数字滤波是语音、
6、图像处理、模式识别和谱分析等应用中一个基本处理部件,它可以满足滤波器对幅度和相位的严格要求,避免模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。1.2 研究内容和目的本设计是基于LabVIEW的多功能滤波器系统设计。我们平时所要设的数字滤波器,阶数和类型并不一定是完全给定的,很多时候都是要根据设计要求和滤波效果不断的调整,以达到设计的最优化。在这种情况下,滤波器的设计就要进行大量复杂的运算,单纯的靠公式计算很难在短时间内完成设计。这次利用LabVIEW设计的滤波器则不需要再靠公式计算,只需通过对前面板的输入控件的参数设置(IIR、FIR滤波参数)就可以设计出最优化的滤波器了。另外系统开始前
7、我们可以设计一个显示系统动态启动过程的启动界面,为了保系统的数据和使用主权,我还可以设计一个登陆界面,老用户直接输入用户名和密码,新用户需注册用户名和密码,只有当用户名和密码正确匹配后才可进入系统。通过研究本课题,我们可以了解现代仪器科学与技术的发展前沿,了解LabVIEW编程所需的基础知识,学习LabVIEW的基本功能和使用方法,复习数字信号处理的所学知识,运用LabVIEW设计一个虚拟的多功能数字滤波器系统,使其能模拟真实系统的启动过程,有一定使用权限的登陆界面,产生基本的带有噪声的模拟信号,并能使用户通过在前面板调节按钮,变换参数产生想要的滤波器,来对所产生的信号进行滤波,能显示滤波前后
8、的信号、频域分析的信号以及滤波器的频率特性。第2章 数字滤波器2.1 滤波概念在对信号作分析与处理时,常常会遇到有用的信号叠加上无用的噪声的问题。这些噪声有的是与信号同时产生的,有的是传输过程中混入的。因此,从接受到的信号中,消除或减弱干扰噪声,就成为信号传输与处理中十分重要的问题。滤波就是根据有用信号与噪声或干扰的不同特性,从含有噪声或干扰的信号中消除或减弱噪声,提取有用信号的过程。滤波问题在信号传输与处理中无处不在,如:音响系统的音调控制、通信中的干扰消除等;实现滤波功能的系统称为滤波器。它是一种具有一定传输特性的信号处理装置,它利用所具有的特定传输特性实现有用信号与噪声信号的有效分离。从
9、系统的角度看,滤波器是在时域具有冲激响应或脉冲响应的可实现的线性时不变系统。如果利用模拟系统对模拟信号进行滤波处理则构成模拟滤波器,它是一个连续时不变系统;如果利用离散时间系统对数字信号进行滤波处理则构成数字滤波器。滤波的输入输出关系:连续系统 离散系统时域: 频域: 从滤波的输入输出关系可知,它的原理就是设计一个系统或者,使有用信号不失真地通过,而且衰减或者消除无用信号的过程。2.2 滤波器分类滤波器按照不同的分类标准可分以下几种:(1)根据滤波器所处理的信号不同分类,主要分为模拟滤波器和数字滤波器两种形式。模拟滤波器是指它所处理的输入信号,输出信号均为模拟信号,而本身是一种线性时不变的模拟
10、系统。数字滤波器是指输入、输出信号均为数字信号,通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的算法。(2)按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声;高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量;带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声;带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。(3)按元件分类,滤波器可分为:有源滤波器、无源滤波器。有源滤波器是指由放大器和无源器件R、L、C构成的滤波电路。无源源滤波器是指由无源器件
11、R、L、C构成的滤波电路。2.3 数字滤波器的原理及分类设是系统的输入,是其离散时间傅里叶变换(DTFT)是系统的输出,是其离散时间傅里叶变换(DTFT)则:图2-1 数字滤波器原理图由图2-1可得LTI系统的输出为:(2-1)由(2-1)看出输入序列的频谱经过滤波器(其系统性能用表示)后变成,选取使输出符合我们的要求,这就是数字滤波器的工作原理。数字滤波器可按照不同的分类标准进行分类。 根据滤波器的适用对象不同,滤波器可以分成两种。一种为经典滤波器,它适用于输入信号中有用分量与希望滤除的干扰分量占据不同的频带,从而可通过一个合适的选频滤波器达到滤除干扰分量波的目的。另一种是现代滤波器,它主要
12、利用随机信号的统计规律,在某种准则下,最大限度地抑制干扰,同时最大限度地恢复信号,其主要代表有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、各种自适应滤波器等最佳滤波器。 根据数字滤波器从信号流图或单位脉冲响应上可分为两类:无限长单位脉冲响应(IIR)数字滤波器和有限长单位脉冲响应数字滤波器(FIR)。从系统网络结构来说,FIR滤波器没有反馈回路,而IIR有反馈回路。FIR滤波器的单位脉冲响应是有限长的,(N-1)阶FIR数字滤波器的系统函数为:(2-2)IIR数字滤波器的单位脉冲响应是无限长的,N阶IIR数字滤波器的系统函数为(2-3)相应地数字滤波器的频率响应为,一般为复数,可表示为(2-4)式中,称为幅频特
13、性函数,称为相频特性函数。幅频特性表示信号通过该滤波器后各频率的衰减情况,而相频特性反映信号通过该滤波器后各频率在时间上的延迟情况。所以当同一信号通过两个频率特性相同而相频特性不一样的滤波器时其输出信号也不一样。 根据滤波器功能不同,经典滤波器可分为四类:低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BSF),他们的理想幅频特性如图2-2所示。理想幅频特性是指滤波器幅频特性的通带部分和阻带部分是突变的,没有过渡带。它们的单位脉冲响应均是非因果且无限长的,所以理想滤波器往往是不可能实现的,但这些理想滤波器可作为滤波器设计时逼近的准则。另外,数字滤波器的幅频特性是以
14、为周期,滤波器的低频处于的整数倍附近,而高频处于的奇数倍附近,这与模拟滤波器是有区别的。模拟滤波器的理想幅频特性如图2-3所示。图2-2 数字低通、高通、带通、带阻滤波器的理想幅频特性图2-3 模拟低通、高通、带通、带阻滤波器的理想幅频特性2.4 数字滤波器设计步骤数字滤波器的设计就是根据实际工程要求,确定数字滤波器的性能指标,然后设计系统函数或单位脉冲响应去逼近这一性能指标,要求系统为因果稳定系统。基本设计步骤如下:按照实际工程的要求确定数字滤波器的技术指标。用一个因果稳定的线性时不变系统的系统函数或单位脉冲响应去逼近性能指标。 选择适当的运算结构实现这个系统函数;如级联型、并联型、卷积型、
15、频率采样型以及快速卷积(FFT)型等。利用软件、硬件或软硬件结合的方法实现所设计的系统。2.5 数字滤波器技术指标一般对IIR数字滤波器而言,通常只用幅频特性来描述设计的技术指标,对相频特性一般不作要求。若在实际应用中(如语音合成、波形传输、图像信号处理等)对相频特性有较高要求,可设计FIR滤波器。由于图2-2所示的理想幅频特性不可实现,在设计实际滤波器时,必须设计一个因果可实现的滤波器去逼近图所示的理想幅频特性。实际中通带和阻带中都允许一定的误差容限,通带可以不是完全水平的,阻带也可以不是绝对衰减到零的,且在通带与阻带之间还应设置一定宽度的过渡带7。下面以数字低通滤波器的幅频特性为例介绍数字
16、滤波器的技术指标:图2-4 数字低通滤波器的幅频特性图2-4中边界频率和分别为通带截止频率和阻带截止频率,和分别为通带波纹和阻带波纹。从图中可见,通带频率范围为,通带中要求;阻带频率范围,阻带中要求;在通带和阻带之间,称为过渡带。允许的幅度衰减值一般用dB数表示,通带内所允许的最大衰减和阻带内允许的最小衰减分别表示为 dB(2-5) dB(2-6)将化为1,上式则表示为dB(2-7)dB(2-8)故设计适当的幅度平方函数即可实现对理想幅频特性的逼近,即可完成对滤波器的设计。当幅频特性下降到的=0.707时,其对应的频率为,称为通带截止频率,此时=3dB。2.6 IIR数字滤波器的设计方法IIR
17、滤波器设计方法有间接法和直接法。间接法是借助于模拟滤波器的设计方法进行的;IIR直接法是直接在频域或者时域设计数字滤波器,它包括零极点位置累试法和借助计算辅助设计的最优化算法。零极点累试法根据系统函数在单位圆内的极点处出现峰值、在零点处出现谷值的特点来设置其零、极点的位置,当幅频特性尚未达到要求时,通过累次实验的方法改变零、极点的位置,最终达到近似逼近性能指标的目的。此方法能快速 对滤波器性能有一个粗略把握。计算机辅助设计的最优化算法是直接在时域或者频域利用最优化算法进行设计,由于要解联立方程,设计时需要计算机作辅助设计。目前,IIR数字滤波器设计常用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法。基本设
18、计步骤如下:根据数字技术指标,依据频率变换得到相应的模拟滤波器技术指标;设计一个模拟滤波器,得到其系统函数。将按频率变换成满足技术指标的数字滤波器。系统函数为的模拟滤波器,只有当它的所有极点都位于s平面的左半平面,系统才是稳定的。那么由模拟滤波器得到特性相近的数字滤波器,也即s平面转化成z平面时模拟系统频响与数字系统频响之间的转换应满足下列要求: s平面的虚轴j轴映射到z平面的单位圆上。这样在两个域中的两个频率变量之间将存在直接的映射关系,保证数字滤波器的频率响应能够模仿模拟滤波器的频率响应。 s平面的左半平面必须映射到z平面的单位圆内的内部,保证将因果稳定的模拟系统转换成因果稳定的数字系统。
19、脉冲响应不变法和双线性变换法是将系统函数从s平面转换到z平面的常用方法,下面以数字低通滤波器为例来介绍这两种设计方法。2.6.1 脉冲响应不变法设计数字低通滤波器脉冲响应不变法的基本思想是让数字滤波器的单位脉冲响应最佳地逼近模拟滤波器的单位脉冲响应,即以模拟滤波器单位脉冲响应的均匀样本作为数字滤波器的单位脉冲响应,从而实现时域特性的最佳逼近。基本步骤如下:(1)为单阶极点时,模拟滤波器的系统函数可表示为部分分式的形式为: (2-9)(2) 将模拟滤波器系统函数求拉普拉斯逆变换得:(2-10)(3) 对采样,采样间隔是T可得:(2-11)(4) 对取z变换,得到数字滤波器的系统函数为(2-12)
20、对比(2-9)和(2-12),的极点映射到z平面的极点为,系数不变。为了找到这种方法的优缺点,需分析s平面与z平面之间的映射关系。设理想采样信号为(2-13)对拉氏变换得:(2-14)由,可得(2-15)则s平面到z平面的映射关系为:(2-16)设,则: (2-17)由式(2-17)得 当时,s平面的虚轴映射为z平面的单位圆上。 当时,s平面左半平面映射为z平面单位圆内部。 当时,s平面右半平面映射为z平面单位圆外部。在区间(,)时,将在(,)之间变化。s平面上每一条宽为的横带,都重叠地映射到z平面的整个平面上,横带的左半部映射到单位圆内,右半部分映射到单位圆外,轴映射到单位圆上。由以上分析可
21、知,脉冲响应不变法的优点是:频率变换关系是线性的,即;数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位脉冲响应波形,时域特性逼近好。但是,有限的模拟滤波器不可能是理想带限的,故最大缺点是会产生不同程度的频谱混叠失真,其适合用于低通、带通滤波器的设计,不适合用于高通、带阻滤波器的设计。 2.6.2 双线性变换法设计数字低通滤波器当用脉冲响应不变法设计数字滤波器时,因从s平面到z平面不是一一映射关系,会产生频率混叠失真。为了克服频率混叠失真,可采用双线性变换法。双线性变换法是将整个模拟频率轴压缩到之间,然后再利用变换到z平面。这样s平面与z平面是一一对应关系, 消除了多值变换性, 也就消除了频谱混
22、叠现象。s平面到z平面的变换可采用:(2-18)由上式可知当从经过0变化到时,则由经过0变化到,由式(2-18)可得 (2-19)令 ,有:(2-20)再用从平面转换到z平面上,得到:或(2-21)这种s平面与z平面间的单值映射关系称为双线性变换。用双线性变换法设计数字滤波器时,在得到相应的模拟滤波器系统函数后,将上式代入,即可得到数字滤波器的系统函数即: (2-22)将,代入式(3-21),得模拟频率和数字频率之间的映射关系为:(2-23)由以上分析知,双线性变换法虽避免了混叠失真,却带来了非线性的频率失真。在零频附近,与之间的变换关系近似于线性,随着的增加,表现出严重的非线性。因此双线性变
23、换法适合分段常数特性滤波器的设计。如低通、高通、带通、带阻等选频滤波器。2.6.3 数字高通、带通和带阻滤波器的设计当实际工程中需要设计数字高通、带通和带阻滤波器时,通常用相应的低通滤波器进行“频率变换”得到,常用方法为双线性变换。例如数字高通滤波器的设计,基本步骤如下:(1)确定所需类型数字滤波器的技术指标。(2)将所需类型数字滤波器的边界频率转换成相应类型模拟滤波器的边界频率,转换公式为: (3)将相应类型模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标。(4)设计模拟低通滤波器。(5)通过频率变换将模拟低通滤波器转换成相应类型的过渡模拟滤波器。(6)采用双线性变换法将相应的过渡模拟滤波器转
24、换成所需类型的数字滤波器。2.7 FIR数字滤波器的设计2.7.1 FIR数字滤波器的特征IIR滤波器的相位是非线性的,若需要线性相位,这时需用FIR滤波器。设FIR滤波器单位冲激响应的长度为N,系统函数为: (2-24)式中,为的N-1阶多项式,它在z平面有N-1个零点,在原点z=0处有N-1重极点。故永远为稳定系统。对于长度为N的,频率响应函数为: (2-25)式中,为幅度特性;为相位特性。其中,为的实函数,可能取负值,不同于总取正值的。线性相位是指是的线性函数,即 ,为常数 (2-26)或者,可表示为, 是起始相位 (2-27)严格地说,此时不具线性相位,但都满足群延时是一个常数,即:
25、(2-28)也称这种情况为线性相位。满足式(2-26)的是第一类线性相位,满足式(2-27)的为第二类线性相位。第一类线性相位条件的是:是实序列且对偶对称,即 (2-29)第二类线性相位条件的是:是实序列且对奇对称,即 (2-30)FIR滤波器的设计方法有窗函数法、频率采样法、切比雪夫等波纹逼近法等。2.7.1 窗函数法设计法基本设计思想:从时域出发,设计逼近理想的。设希望逼近的滤波器频率响应函数为,其单位脉冲响应为。 (2-31) (2-32)所求得的一般是无限长的,且是非因果的。要想得到一个因果的有限长的滤波器,最直接的方法是截断,或者说用一个窗口函数对进行加窗处理,即。所以选择窗口函数的
26、形状和长度是窗口函数法的关键。下面以一个截止频率为,延时常数为的理想数字低通滤波器为例说明设计过程。其理想的频率响应为:(2-33)单位脉冲响应为: (2-34)由(2-34)式可知是一个以为中心偶对称的无限长、非因果序列。对做截断处理同时满足线性相位约束条件,即使有对称性,以此作为所设计的FIR滤波器的单位脉冲响应。由于从截取一段有限长的,相当于将与一个窗函数相乘,因此这种方法叫窗函数法。如果用矩形窗函数截取,则(2-35)由频域卷积定理得: (2-36)其中,为为的傅里叶变换。即 (2-37)式中:,(2-38)若用表示理想低通滤波器的幅度特性,则式中 (2-39)可得 (2-40)式中
27、(2-41)由(2-41)式看出,截取后的滤波器幅度特性是理想滤波器幅度特性和矩形窗的幅度特性的卷积结果。卷积过程如图2-5所示图2-5 矩形窗对理想低通幅度特性的影响对理想滤波器加窗处理后,幅度特性从变化为 ,两者的差别有两点:(1)在理想频率特性不连续点附近形成过渡带,其宽度近似等于的主瓣宽度,精确值为。(2)通带内产生了波纹,最大峰值出现在处。阻带内产生了余振,最大的负峰在处。通带与阻带中波动的情况与窗函数的幅度谱有关。 越大,的波动愈快,通带与阻带内波动愈快,波动的大小取决于旁瓣的大小。这些差距是对加矩形窗引起的,称为吉布斯效应。如果增加矩形窗口的宽度,可以减少窗的主瓣宽度,从而减小过
28、渡带的宽度。但增大不能减少吉布斯效应的影响。在主瓣附近很小,故式(2-38)可改写为: (2-42)由(2-42)式知N增大时,主、旁瓣幅度同时加高,相对值不变,总是最大肩峰比高8.95%,最大负峰绝对值比零大8.95%。 不能改变主瓣和旁瓣幅度相对值,也就是不能增大阻带衰减。若要减小吉布斯效应,应选择合适的窗函数形状,使其谱函数的主瓣包含更多的能量,相应旁瓣幅度就变小了;旁瓣的减少可使通带与阻带波动减少,从而加大阻带的衰减。但这样总是以加宽过渡带为代价的。 综上可知,合乎要求的窗函数应该符合以下标准:窗谱主瓣尽可能窄,以获取较陡的过渡带;尽量减小窗谱的最大旁瓣的相对幅度;即能量集中于主瓣,使
29、肩峰和波纹减小,增大阻带的衰减。2.7.2 常用窗函数介绍设实际滤波器的单位脉冲响应为:其中,为窗函数。的频谱函数为: (2-43)(1)矩形窗(Rectangle Window) (2-44)频谱函数: (2-45)主瓣宽度为,第一旁瓣比主瓣低13dB。(2)三角形窗(Bartlett Window) (2-46)频率响应为: (2-47)它的主瓣宽度为,第一旁瓣比主瓣低25dB。(3)汉宁窗(Hanning)升余弦窗 (2-48)幅度函数: (2-49)汉宁窗幅度特性由三部分相加而成,使旁瓣相互抵消,能量更集中在主瓣,但主瓣宽度增加到,第一旁瓣比主瓣低31dB,阻带衰减加大。(4) 汉明(
30、Hamming)窗,又称改进的升余弦窗 (2-50)其幅度函数为: (2-51)与汉宁窗的主瓣宽度相同为,99.6%的能量集中在主瓣,第一旁瓣比主瓣低41dB。(5)布莱克曼(Blankman)窗,又称二阶升余弦窗 (2-52)其幅度函数:(2-53)该幅度特性由五部分组成,五部分相加的结果使得旁瓣得到进一步抵消,第一旁瓣比主瓣低57dB左右,阻带衰减加大,而过渡带加大到。2.7.3 频率采样法和切比雪夫逼近法介绍频率采样法:是直接从频域出发,通过对期望滤波器频率响应函数采样得到采样点,然后以此作为实际FIR滤波器的单位脉冲响应的DFT,那么该FIR滤波器的频率响应函数在这些样本点处必定与相同
31、;另外,是对在某种程度上的逼近,故必然存在误差。设计出的滤波器与理想滤波器间在幅度特性的不连续点附近会由于吉布斯效应而出现最大误差。通过在间断点处增加过渡点,可以改善波动,提高阻带衰减,但过渡带相应越宽。切比雪夫逼近法是一种优化设计方法,这种滤波器将理想频率响应和实际频率响应之间的加权逼近误差均匀地分散到滤波器的整个通带和阻带,并且最小化最大误差,这样就可以利用相对较小的阶数来满足滤波器性能指标的要求。在设计时,同时可以实现边界频率的精确控制,克服窗函数法和频率采样法在这方面的不足。2.8 IIR和FIR数字滤波器比较前面已经介绍了IIR和FIR数字滤波器的设计方法,选择哪一种滤波器取决于每种
32、类型滤波器的优点在设计中的重要性。为了能在实际工作中恰当地选用合适的滤波器,现将两种滤波器特点比较分析如下:(1) 选择数字滤波器是必须考虑经济问题,通常将硬件的复杂性、芯片的面积或计算速度等作为衡量经济问题的因素。在相同的技术指标要求下,由于IIR数字滤波器存在输出对输入的反馈,因此可以用较少的阶数来满足要求,所用的存储单元少,运算次数少,较为经济。例如,用频率抽样法设计一个阻带衰减为20dB的FIR数字滤波器,要33阶才能达到要求,而用双线性变换法只需45阶的切比雪夫IIR滤波器就可达到同样的技术指标。这就是说FIR滤波器的阶数要高510倍左右。(2) 在很多情况下,FIR数字滤波器的线性
33、相位与它的高阶数带来的额外成本相比是非常值得的。对于IIR滤波器,选择性越好,其相位的非线性越严重。如果要使IIR滤波器获得线性相位,又满足幅度滤波器的技术要求,必须加全通网络进行相位校正,这同样将大大增加滤波器的阶数。就这一点来看,FIR滤波器优于IIR滤波器。(3) FIR滤波器主要采用非递归结构,因而无论是理论上还是实际的有限精度运算中他都是稳定的,有限精度运算误差也较小。IIR滤波器必须采用递归结构,极点必须在z平面单位圆内才能稳定。对于这种结构,运算中的舍入处理有时会引起寄生振荡。(4) 对于FIR滤波器,由于冲激响应是有限长的,因此可以用快速傅里叶变换算法,这样运算速度可以快得多。
34、IIR滤波器不能进行这样的运算。(5) 从设计上看,IIR滤波器可以利用模拟滤波器设计的现成的闭合公式、数据和表格,可以用完整的设计公式来设计各种选频滤波器。一旦选定了已知的一种逼近方法(如巴特沃斯,切比雪夫等),就可以直接把技术指标带入一组设计方程计算出滤波器的阶次和系统函数的系数(或极点和零点)。FIR滤波器则一般没有现成的设计公式。窗函数法只给出了窗函数的计算公式,但计算通带和阻带衰减仍无显式表达式。一般FIR滤波器设计仅有计算机程序可资利用,因而要借助于计算机。(6) IIR滤波器主要是设计规格化、频率特性为分段常数的标准低通、高通、带通和带阻滤波器。FIR滤波器则灵活很多,例如频率抽
35、样法可适应各种幅度特性和相位特性的要求。因此FIR滤波器可设计出理想正交变换器、理想微分器、线性调频器等各种网络,适应性很广,且有很多FIR滤波器的计算机程序供使用。第3章 虚拟仪器3.1 虚拟仪器基础3.1.1 虚拟仪器概述虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术,就是在计算机上加载一些具有和实际独立仪器类似外观和性能的软件或硬件,用户操作这台计算机,就像是在操纵一台自己专门设计的传统电子仪器。虚拟仪器技术的实质,硬件软件化,充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成,因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。有的资料上甚至直接将虚拟仪
36、器这种形式称为“软件即仪器” 10。与传统测试仪器不同,虚拟仪器技术在包含数据采集设备的通用计算机平台上,根据需求可以高效率地构建起形形色色的测量系统。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限,可以将多种信号处理的方法方便地用于测量种,并且为自动测量和网络化测量创造条件。下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。表3-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器仪器功能由用户定义仪器功能由厂商定义系统开放、灵活系统封闭、功能固定技术更新周期短(12年)技术更新周期长(510年)软件是关键硬件是关键价格低,可重用性和可配置性强价格昂贵开发与维护费用低开发与维护费用高与其它设备极易连接不易与其它设备连接3.1.2
37、虚拟仪器的构成虚拟仪器由仪器硬件平台和应用软件两部分组成。(1)虚拟仪器硬件的作用是获取测试对象的被测信号,由计算机和接口设备组成。计算机是虚拟仪器硬件平台的核心,一般为个人计算机或者工作站。接口设备是为计算机配置的电子测量仪器硬件模块,主要包括各种传感器、信号调理器、ADC、DAC、数据采集器(DAQ)等。(2)虚拟仪器软件实现数据采集、分析、处理、显示等功能,并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。虚拟仪器软件包括接口软件、仪器驱动软件和应用软件。接口软件是为虚拟仪器驱动层提供信息传递的底层软件,是实现开放、灵活的虚拟仪器的基础。它的功能是直接对仪器进行控制,完成数据读/写。仪器驱动程序是完
38、成某一特定仪器的控制与通讯的软件程序集合,是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序,仪器厂商将其以源码的形式提供给用户,用户在应用程序中调用仪器驱动程序6。应用软件建立在仪器驱动程序之上,直接面对操作用户,通过提供只管,友好的操作界面,丰富的数据分析与处理功能,来完成自动测试任务。应用软件还包括通用数字处理软件。通过数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数,如频域分析的功率谱估计、FFT、逆FFT和细化分析等;时域分析的的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。3.2 LabVIEW的概述3.2.1 Lab
39、VIEW的构成所有的LabVIEW应用程序,即虚拟仪器(VI),包括前面板,程序框图以及图标/连结器三部分5。(1)前面板前面板是图形化用户界面,是人机交互的窗口。包括用户输入和显示输出两类控件,分别用于参数的设置和测量结果的数值、波形显示等,具体表现有开关、旋钮、图形以及其它控制和显示对象。图3-1是一个简单的波形发生器VI的前面板,上面有5个控制对象,分别为信号类型的选择,波形的频率,幅值,相位以及停止。有一个显示对象,显示了所产生的波形。在前面板后面还有一个与之配套的流程图。图3-1 波形发生器的前面板(2)程序框图程序框图提供VI的图形化源程序。在程序框图中对VI编程,以控制和操纵定义
40、在前面板上的输入和输出功能。程序框图中包括前面板上的控件的连线端子,还有一些前面板上没有,但编程必须有的东西,例如函数、结构和连线等5。图3-2 波形发生器的流程图图3-2是图3-1对应的程序框图。在图中我们可以看到程序框图中包含了与前面板上对应的连线端子,还有一个基本函数发生器的函数及程序的循环结构。基本函数发生器通过连线将产生的波形送到显示控件,为了使它持续运行下去,设置了一个While Loop循环,由开关控制这一循环的结束。(3)图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序,这里称为子VI(SubVI),被其它VI调用。当一个VI的前面板和程序框图设计好之后,如果想
41、把这个VI作为子VI被其它VI在程序框图中调用,并与其它子VI在外观上有所区别,这时就要创建图标和连接器。默认情况下,每一个VI的图标都显示在前面板和程序框图的右上角,可以双击进行操作。比如设计滤波器时,输入信号需模拟真实的信号,可用一个基本函数发生器和均匀白噪声叠加起来模拟一个真实信号,如图3-3所示是信号发生模块的前面板,把输入信号模块做成一个子VI供调用,子VI如图3-4所示。图3-3信号发生的前面板信号发生模块有五个输入控件,即信号类型、频率、幅值、相位和采样信息,一个输出显示器,即波形显示。使用Wiring工具给前面板输入控件和输出显示器指定连接器端子。如图3-4右上角的彩色窗口表格
42、所示是指定好后的端子,后面是它对应的图标。图3-4信号发生的前面板给信号发生模块前面板的控件和指示器指定端子之后,就可以在主VI中调用该VI。如图3-4所示,它有五个输入端子,一个输出端子。3.2.2 LabVIEW的操作选板LabVIEW中的操作选板分为工具选板,控件选板和函数选板,LabVIEW程序的创建主要依靠这三个选板完成。这些选板集中反映了该软件的功能与特征5。(1)编辑工具工具选板工具选板如图3-5所示,利用工具选板可以创建、修改LabVIEW中的对象,并对程序进行调试。如果该选板没有出现,则可以在“查看”菜单下选择“工具选板”以显示该选板。当从选板内选择了任意一种工具后,鼠标箭头
43、就会变成该工具相应的形状。图3-5 LabVIEW工具选板(2)前面板设计工具控件选板控件选板中包括了用来创建前面板对象的各种控制量和显示量,是用户设计前面板的工具,LabVIEW中的控件选板如图3-6所示。可选择“查看”“控件选板”使其显示出来,也可单击鼠标右键,弹出临时控件选板。在控件选板中,按照所属类别,各种控制量和显示量被分门别类地安排在不同地子选板中,应用这些子选板,用户可以创建出界面美观且功能强大地VI前面板。图3-6 LabVIEW控件选板(3)框图程序设计工具函数选板 函数选板在程序框图中显示,在打开程序框图后才能调用函数选板,它是创建流程图程序的工具,如图3-7所示。可选择“
44、查看”“函数选板”使其显示出来,也可在程序框图窗口的单击鼠标右键,弹出临时函数选板。函数选板中包含创建程序框图所需的VI和函数。在函数选板中按VI和函数类型,将VI和函数归入不同的自选板中。图3-7 LabVIEW函数选板3.2.3 LabVIEW的特点LabVIEW是由美国国家仪器公司推出的一种基于图形编程语言(G语言)的开发环境,它具有十分强大的功能,包括数值函数运算、数据采集、信号处理、输入/输出控制、信号生成、图象的获取、处理和传输等等。LabVIEW与C、Visual Basic等传统编程语言有着诸多相似之处,如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具,以及模块化的编程特点等。但
45、二者最大的区别在于:传统编程语言用文本语言编程;而LabVIEW使用图象语言编程,界面非常直观形象,而且使用的都是测试工程师们熟悉的旋钮、开关、波形图等,因此是一种直觉式图形程序语言。用LabVIEW编程无需太多编程经验,只要以很直觉的方法建立前面板界面和方块图程序,便可以完成编程过程,使用户免于传统程序语言线性结构的困扰,这对于没有丰富编程经验的工程师们来说无疑是个极好的选择。同时,LabVIEW的执行顺序是依方块图间数据的传递来决定的,并不像传统文字式程序语言必须逐行地执行,因此用户能设计出可同时执行多个程序地流程图。3.3 LabVIEW的运行与调试3.3.1 VI运行LabVIEW中,
46、用户可以用两种方式来运行VI,即运行和连续运行。(1)运行 VI在工具栏单击“运行”按钮“”,可运行VI。运行时,“运行”按钮变为“”。使用这种方式运行VI,VI只运行一次。(2)连续运行VI在工具栏单击“连续运行”按钮“”,可连续运行VI。连续运行时,“连续运行”按钮变为“”。再次单击此按钮可停止连续运行。(3)停止运行VIVI运行时在工具栏单击“终止执行”按钮“”,可强行终止VI。(4)暂停VI运行在工具栏单击“暂停”按钮“”,可暂停VI的运行。3.3.1 VI调试LabVIEW编译环境有多种调试手段,除了传统编程语言的单步运行、断点和探针等调试手段,还可以高亮显示执行过程。如图3-8所示
47、是LabVIEW的调试工具。图3-8 LabVIEW程序框图工具栏调试工具(1)单步运行单步运行VI不同传统编程的单步运行,它是在程序框图中,按照节点间的逻辑关系,沿数据连线逐个节点地执行VI。单步执行VI过程中,当前执行到的节点将闪烁表示此时执行到该节点,如图3-9所示。图3-9单步执行过程(2)高亮显示执行过程这种调试方式下,LabVIEW会在程序框图实时地显示程序执行过程,同时实时地用连线上移动的气泡来显示每一条数据连线和每一个端口的数据,如图3-10所示。图3-10高亮显示执行过程(3)使用探针探针用来查看即使数据,在需要查看的额数据线上单击右键,添加探针后会出现一个内含探针编号的小方
48、框,并弹出一个探针监视窗口,如图3-11所示。VI运行时,监视窗口显示即使数据信息。图3-11使用探针调试工具(4)设置断点当需要在VI的某个位置(如节点、连线)暂停执行,这是需设置断点。可使用工具选板的断点工具,在程序框图中想要设置或清除断点的处单击即可设置断点。节点上的断点用红框表示,连线上的断点用红点表示。如图3-12所示。图3-12设置断点(4)查找错误每种编程语言在编程过程中都会出现各种错误,LabVIEW程序错误有两种,一种错误为程序编辑错误或结果不符合语法,这种错误会导致程序无法运行,此时“运行”按钮“”变为“”,单击它可以显示“错误列表”,如图3-13所示。修改错误方法是先定位
49、错误位置,然后再根据正确的语法修改错误。常遇到的编辑和语法错误有三种:框图连线一段悬空或连线两端数据类型不匹配造成的断线。必须连接的函数端子没有连线子VI不能执行或在框图中放置子VI后又编辑了该子VI的连线板。另一种错误为语义和逻辑上的错误,或程序运行时某种外部条件得不到满足引起的运行错误。这种错误难以排除,必须由程序员对程序进行充分测试并分析运行结果来发现错误,也可借助调试工具来找出错误位置和原因。图3-13显示错误列表3.4 LabVIEW设计虚拟仪器的方法LabVIEW的图形化程序设计是基于现代软件地面向对象技术和数据流技术而发展起来的。数据流程序设计表示只有在所有输入都有效时,一个对象
50、才开始执行,同样,只有当对象的功能完成以后,对象输出才有效。这样的话,互相在对象间的数据流控制执行顺序,执行顺序不局限于来自文本式程序设计的线性顺序,它可以不受其限制。用户能够通过连接功能模块来快速开发自己地应用程序,甚至能够使用多路数据通道,实现同步操作6。与传统的文本程序设计一样,LabVIEW也有控制流程图功能执行的部分,它们包括循环结构、分支结构、顺序结构,它们被图形化地描述成边界结构,像在传统的线性化程序设计中可以插入代码段一样,可以把图标放在LabVIEW图形结构的界限内部。LabVIEW有一个图形编辑器来产生最优化编辑代码,虚拟仪器执行它们相当编译C的速度。利用应用程序生成器,用
51、户能够产生虚拟仪器,就像独立的执行程序一样。下面按步骤说明进行图形化的程序设计。 (1)建立方案:选用LabVIEW软件,可以构建虚拟仪器,而不是编写程序。有了交互式控制的软件系统,用户可以很方便地建立其前面板接口。为了实现具体功能,用户利用向导把流程图组合在一起。 (2)建立前面板:从控制模块上选择你需要的对象,放在虚拟仪器的前面板上。当你的虚拟仪器完成以后,就能在虚拟仪器工作时利用前面板去控制整个系统,如移动滑动片、在图象中变向、从键盘输入等。 (3)构建图形化的流程图:对虚拟仪器进行程序设计,你不必担心很多传统程序设计所需的语法细节,而可自己构建流程图。从函数模板上选择对象(用图标表示)
52、,并用线将它们连接起来以便数据进行传递。函数模板上的对象包括简单的数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出操作。 (4)数据流程序设计:LabVIEW用一种精巧的数据流程序设计模式把用户从文本式语言的线性化方式构建程序的办法中解放出来。因为在LabVIEW软件中程序的执行顺序由各方块中的数据流决定。 (5)模块化和层次:LabVIEW虚拟仪器实行模块化设计,因而任何虚拟仪器既能独立运行,又能被用作其他虚拟仪器的一部分。甚至可以创建自己的虚拟仪器图标,因而可以设计由虚拟仪器构成的多层系统,并可以改变它,同其他虚拟仪器交换和连接以满足不断变化的应用需要。第4章 多功能数字滤波器系统
53、设计4.1 多功能数字滤波器系统的总体方案设计基于LabVIEW的多功能数字滤波器的系统框图如图4-1所示。图4-1 数字滤波器系统框图4.2 多功能数字滤波器系统的各个模块设计多功能数字滤波器系统有五个模块:启动模块、登陆模块、信号发生模块、滤波模块以及显示模块。下面分别介绍各个模块的设计。4.2.1 启动模块启动模块程序框图如图4-2所示,每当While循环计数一次,滚动条进度增加10%,并通过格式化字写入符串将滚进度显示出来,动态文字数组通过索引数组输出不同的文字并显示,每计数一次循环等待1s,也就是滚动条以每秒10%的滚动,然后继续循环,循环共进行10次。当While循环结束后,通过V
54、I属性节点关闭启动界面,通过调用节点打开并运行登陆界面。图4-2 启动模块的程序框图如图4-3所示是启动模块的前面板,运行后可看到数字滚动条以每秒10%的速度滚动,滚动条上面显示加载(Loading)的进度(10%、20%100%)和动态文字显示,当滚动条滚动到100%时,启动界面自动关闭,并自动跳转到登陆界面。图4-3 启动模块的前面板4.2.2 登陆模块登陆模块的程序框图如图4-4所示,整体看由一个While循环和一个事件结构(Event Structure)组成。事件结构包括一个或多个子程序框图或事件分支,结构执行时,仅有一个子程序框图或分支在执行。 本模块的事件结构有两个分支,即“确定
55、”按钮分支和“注册”按钮分支。图4-4 登陆模块的程序框图“确定”按钮分支用来判断用户名和密码是否正确和匹配,如果用户名和密码不正确或不匹配,for循环将输出“F”,则条件结构(Case Structure)“假”执行,提示用户名或密码错误,清空用户名和密码,可重新输入。如果用户名和密码正确,for循环将输出“T”,则条件结构“真”执行,提示登录成功,只有这种情况才能进入后续模块。“注册”按钮分支用来注册用户名和密码,以供多个用户使用。其程序框图如图4-5,内有一个平铺式顺序结构,包括两个顺序执行的子程序框图(也叫帧),一个是注册用户信息,主要是将用户信息写入ini文件,并将用户信息保存,以此为标准,每次登录时与“用户信息.ini”文件中信息相对比,确定用户名和密码的正确性和匹配性。另一个是提示注册成功,通过“单按钮对话框”来实现。平铺式顺序结构的帧是按照从左至右的顺序执行的。每帧执行完毕后会将数据至传递至下一帧,也就是当用户输入注册信息后,才会提示“注册成功”。注册完成之
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