东南大学虚拟仪器第五次数字滤波器课件

1、东南大学生物科学与医学工程学院 虚 拟 仪 器 实验报告第 五 次实验 实验名称： 数字滤波器的设计 专 业： 生 物 医 学 工 程 姓 名： 学 号： 同组人员： 学 号： 实 验 室: 医用电子技术实验中心（综合楼716） 实验时间： 2014.11.4 14节 评定成绩： 审阅教师： 14目录一、 实验题目3二、 实验目的3三、 实验内容31.1实验方案31.1.1 方案概述31.1.2 方案流程图41.2程序框图设计51.2.1方案优缺点分析71.3程序前面板设计81.4调试过程91.5结果分析101.6使用说明13四、 心得体会13五、 参考文献141、 实验题目1使用低通滤波器从

2、含有噪声的信号中提取有用的正弦波(见实验指导书 实验九 数字滤波器中的第一题) 目的：用数字滤波器从含有高频噪声的采样数据中提取正弦信号。2、 实验目的1.明确数字滤波器的基本概念，了解数字滤波器的功能。2.学习如何应用数字滤波器从含有噪声的信号中提取有用的信号。 3、 实验内容要求：输入信号为一正弦波，并加入一个白噪声的干扰来模拟信号传输中的随机干扰信号（用以模拟含有噪声采样序列）。（模拟含有噪声采样序列具体可用正弦波信号叠加高频噪声来实现，为了使滤波效果明显，本实验的高频噪声是用高频均匀分布白噪声（Uniform）通过Butterworth高通滤波器过滤生成的，高通滤波器的截止频率设为10

3、倍输入信号频率。）在程序中设计一个低通巴特沃斯滤波器，以滤除信号中的噪声分量，提取输入的正弦波信号 。可调节信号滤波器的截止频率和阶数，可显示滤波前与滤波后的时域信号。给出滤波前与滤波后的频谱特性的显示。1.1实验方案1.1.1 方案概述首先使用正弦波形控件 并设定信号的参数和采样信息，产生正弦波。使用均匀白噪声波形 并设定采样信息产生白噪声；将噪声通过高通滤波器，滤除10倍以下正弦信号波频率的噪声。将正弦信号和白噪声叠加，产生待处理的混合信号，并在前面板显示波形。将混合信号通过一截止频率与阶数均可变的低通滤波器进行滤波，并在前面板显示波形。将混合信号与滤波后信号分别通过FFT频谱 进行傅里叶

4、变换，得到频谱图像在前面板显示。本次试验采用两种不同的控件进行滤波。1.1.2 方案流程图开始设定参数产生正弦波产生均匀白噪声经过高通滤波器滤除10倍以下信号频率的波合成待处理信号经过低通滤波器提取正弦信号设定阶数与截止频率处理后信号显示信号波形经过FFT频谱生成频谱信号显示信号处理前后的频谱波形显示信号波形1.2程序框图设计首先运用正弦波形控件 正弦波的频率与幅度均可以用数值输入控件改变，采样频率与采样个数也可以用数值输入控件设置数值，这就产生了一个正弦信号。运用均匀白噪声控件 ，其采样频率与采样个数设置为与控制正弦波的采样信息相同，产生均匀白噪声。将白噪声通过高通滤波器 并设置滤波器截止频

5、率为10*正弦信号频率，得到滤波后的均 匀白噪 声信号。将正弦信号与噪声信号混合叠加，得到待处理信号，并在前面板显示波形。将待处理信号通过FFT频谱控件与波形图，显示未处理信号的频谱图。接下去本次试验，我们采用了两种滤波方案。方案一采用了Butterworth滤波器 进行滤波。设置滤波器类型为低通滤波器，添加2个数值输入控件，用于控制滤波器的阶数与低截止频率。运用按名称解除捆绑 将采样信息的簇解除捆绑，得到采样频率与采样个数。将采样频率连接到低通滤波器的采样频率段，设置其采样频率。将滤波后的信号通过 进行捆绑成簇。设置初值x=0，步长dx=1÷采样频率，将簇连接波形图，产生时域信号波

6、形。将滤波后的信号通过FFT频谱 由幅度端点输出，将捆绑好的信号簇解除捆绑 取得信号的y值；将采样频率/采样个数得到频谱信号的步长，设定频谱信号的初值为0；将以上三个数据捆绑成簇 连接波形图显示于前面板。方案二采用了简单的滤波器 设置其阶数与类型，又添加了1个数值输入控件，仅能进行低截 止频率的控制。然后将滤波后产生的信号通过 在前面板显示。将信号通过FFT频谱 产生频谱信号，在前面板显示。 波形生成控件 FFT频谱（幅度-相位）滤波器1.2.1方案优缺点分析方案一实现了实验要求中的可改变滤波器的截止频率与阶数，但由于采用 ，输出数据为一维数组，当连接波形图时需要通过簇设置其初值与步长。经过F

7、FT后，由于输出为捆绑好的簇，需要先解除捆绑，然后再设置捆绑，才能得到正确的波形。程序变得复杂了。方案二中滤波器 的使用操作简单，其输出信号可以直接连接波形图进行显示。也 可直接进行FFT然后显示，程序简单。不足之处为用户不能自由 设定滤波器的阶数，只能设定其截止频率。两种方案各有优势，当不需要改变滤波器阶数时推荐采用方案二，程序简单易懂。但方案一的设定更加灵活，其参数的设定可以加深我们对傅里叶变换及滤波器原理的理解。1.3程序前面板设计在前面板添加6个波形图控件，用于显示波形。设置时域信号波形图控件x轴为时间，y轴为幅度；频谱信号波形图控件x轴为频率，y轴为幅度。改变6个图的标签以示区分。添

8、加数值输入控件用于控制滤波器阶数与截止频率。添加提示，方便用户使用。添加背景图进行美化。在程序框图的操作导致前面板自动产生了设定正弦信号频率幅值以及采样信息的输入控件。1.4调试过程此次实验遇到了很多问题，首先是信号如何产生的问题。如果采用这2个控件则无法设置正弦波采样频率。同样的均匀白噪声控件 也存在这个问题。在查阅大量资料和查看范例后，我发现使用 产生信号就可以设置需要的参数，方便的产生波形了。采样频率和采样个数，我之前一直没有完全明白，通过不断调试，我知道了t=N/Fs即采样时间为采样数除采样频率。关于信号叠加，两个信号如果类型相同，可以直接用 ，或者可以用 创建波形。滤波器控件选择问题

9、上我也思考了好久，使用这个控件时 较为方便，而使用 参数设置较为复杂，但更加符合实验要求。刚开始滤波后波形不对，结果反复调试，发现当滤波器类型为高通时应该设置其高截止频率，而非低截止频率，反之亦然。将波形得到后，对于如何得到幅频曲线我不太清楚，Labview中有很多控件可以使用，我在查看了范例后决定使用 该控件直接生成了幅频特性曲线与相频特性曲线。十分方便。在最初的图像生成后，我发现方案一产生的波形图x轴坐标不对，结果思考，我发现根源在于波形图控件会对输入的y值进行自动匹配x值，所以我采用捆绑簇使x轴的初值与步长符合要求。而要改变频谱图的x轴，则需要先将FFT后的簇解捆绑再重新按要求捆绑成簇进

10、行波形显示。为方便用户使用，我们最后添加了提示语句。但发现文本显示控件在每次重新打开后文字就没了，问老师后，知道需要经过初始化。我在前面板放了一张图片作为背景，比之前的前面板美观多了。1.5结果分析分析：设置正弦信号频率为10Hz，正弦信号幅值为20V。采样频率为500Hz，采样个数为500。截止频率为15Hz。方案一设置滤波器阶数为2后，滤波效果与方案二（已经设置为二阶滤波器）相同。分析：方案一滤波器阶数设置为大于2阶，如5阶时，滤波效果更好，信号的幅度更加接近正弦信号幅度20V。可见滤波器阶数越高，滤波效果越好。分析：采样点数过少，如上图，得到的波形效果就差。分析：上图一设置了滤波器截止频

11、率为100Hz，上图二设置了截止频率为15Hz，滤波的效果明显优于图一。所以截止频率的设定越接近所求信号，滤波效果越好。分析：正弦信号的幅度若小于噪声的幅度（10V），信号的频谱图不如正弦信号幅度大的好，如果噪声很大，就有可能影响频谱分析。解决方法可以是加高阶滤波器，也可以是在前端对正弦信号先进行放大，再进行分析。两者可结合使用，对我们专业的人体微弱信号分析有益。1.6使用说明设置正弦信号的幅度与频率，设置合理的采样信息。根据提示设定滤波器参数，点击 ，即可在波形图上看到原始信号的时域和频谱图，以及两种方案处理后的信号的时域与频谱图。改变设定的参数，可以观察图像的变化，从而理解那些参数的重要意义。4、 心得体会通过此次实验我学会了如何使用滤波器，在选择滤波器控件时要多方面考虑，尽量使用既满足要求，操作又简单的控件。我知道了高通滤波器需要设置其高截止频率，低通滤波器要设置其