毕业设计基于LabVIEW的一种具有四阶级联结构的ⅡR数字滤波器的设计

个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途PAGE19个人收集整理勿做商业用途XX大学本科毕业论文（设计、创作)题目：基于LabVIEW的一种具有四阶级联结构的ⅡR数字滤波器的设计学生姓名：学号:院（系）：电气工程与自动化学院专业：测控技术与仪器入学时间：年月导师姓名：职称/学位:导师所在单位：完成时间：年月

基于LabVIEW的一种具有四阶级联结构的ⅡR数字滤波器的设计摘要应用虚拟仪器LabVIEW软件设计二级四阶级联型结构的椭圆带通IIR数字滤波器,对它的—3dB带宽、Q值、阻带衰减等主要指标进行测量，并与在相同条件下设计的贝塞尔、巴特沃斯、切比雪夫等其他3种数字滤波器进行性能比较.在此基础上，应用这几种滤波器对一带谐的标准语音主信号进行测试，比较其滤除谐波的效果,得出：椭圆滤波器具有更优越的带通性能.通过对IIR数字滤波器算法的研究,得出IIR数字滤波器的设计方案。经过仿真实验表明该滤波器能够滤除信号中的噪声，滤波效果良好,可与其它大型虚拟电子测量系统兼容以完成不同环境下的测量要求.关键词：级联型结构;IIR数字滤波器;四阶带通；LabVIEW

TitleDesignofIIRDigitalFilterwithFourth—orderCascadeFormAbstractAbandpassellipticIIRdigitalfilteroftwostageswithfourth2ordercascadeformwasdesignedbyvirtualinstrumentsoftwareLabVIEW.Themaintechnicaltargetofthefiltersuchas—3dBpassbandwidth，QvalueandstopbandattenuationweretestedandcomparedwithBessel,ButterworthandChebyshevfilterdesignedinthesamecondition。Onthebasisofthesedesigns，themainfrequencywithstandardhar2monicvoicesignalswastestedbyusingthesefilters,andtheresultsofharmoniccomponentsfilteringwerecompared。ItwasshownthattheellipticalfilterhadbetterbandpassperformancethanBessel,ButterworthandChebyshevfilter.文档为个人收集整理,来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络ThroughthestudyofIIRdigitalfilters，thisdiscoursepresentsadetaileddesignofIIRdigitalfilterssystem。Andtheresultsofemulationalexperimentsshowthatthisfiltercouldeffectivelyfilternoise，atthesametimebecompatiblewithotherlarge2scalevirtualelectronicmeasuringsystemtomeetthemeasuringrequire2mentsinvarioussituations。Keywords:cascade—formstructure；IIRdigitalfilter；fourth—orderbandpass；LabVIEW

目录TOC\o”1-3"\h\u127511引言 5215641。1基于LabVIEW的数字滤波器的设计简介 5306992LabView和数字滤波器 6194332.1LabView 6130562。1。1虚拟仪器(VI）的概念 6133032。1.2LabVIEW的概念 6123002.1。3特点 666082。1。4未来 6291012.2IIR数字滤波器 7238162.2.1数字滤波器的概念 7273462.2。2IIR数字滤波器的特点 761063本文设计原理及相关算法概述 8316803.1设计原理 811533.2IIR数字滤波器算法等效 9114093。3二级四阶级联结构 1036713.4椭圆滤波器仿真原理框图 11144224系统前面板设置 12299155系统相关参数设置 13221346系统程序设计 13225496。1模块一：频率响应测试模块。 13235726.2模块二:使用低通滤波器提取正弦波模块 142427结论 15239267。1四种滤波器的比较 1534607.2滤波器滤波效果测试 1630654主要参考文献： 1810321附录 1928036致谢 19

1引言1.1基于LabVIEW的数字滤波器的设计简介LabVIEW是图形化虚拟仪器编程语言,它具有强大的数字信号处理功能。LabVIEW程序由两部分组成:前面板程序和框图程序.整个程序是基于多线程设计，即前面板和框图程序各占用一个线程。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,使用了各种图标如开关，实时趋势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。随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，为虚拟仪器技术的发展提供了广阔的前景。在世界范围内，汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过LabVIEW提高了应用开发的效率,其应用涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段。［1]虚拟数字滤波器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用。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，使这部分信号能顺利通过;对其它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系统,如低通、高通、带通、带阻。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。数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中，相对于模拟滤波器,数字滤波器具有以下显著优点：(1）精度高;(2)灵活性大;(3）可靠性高；(4）易于大规模集成；（5）并行处理.数字滤波器的这些优势使它的应用越来越广泛,在数字通信、语音图像处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用。数字滤波器总的说来可以分成两大类.一类称为经典滤波器,即一般的滤波器，特点是输入信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带,通过一个合适的选频滤波器达到滤波的目的.而另一类现代滤波器,例如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等最佳滤波器.但是,应用文本软件实现的数字滤波器在使用过程中存在难以调整滤波系数、与硬件接口程序、开发周期长等不足.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.2LabView和数字滤波器2.1LabView2。1.1虚拟仪器（VI)的概念虚拟仪器（virtualinstrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式,一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及HYPERLINK”/view/880.htm"操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的HYPERLINK”/view/2102581。htm”数据采集系统.虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和HYPERLINK”http：///view/162096.htm”数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是HYPERLINK”/view/2398。htm”美国NI公司的LabVIEW.2.1.2LabVIEW的概念LabVIEW标志LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库.LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等,便于程序的调试.LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言.传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面.用户界面在LabVIEW中被称为前面板.使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制.这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。2。1.3特点尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是HYPERLINK”/view/37.htm”软件。可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。2.1。4未来虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议.未来的仪器也应当是网络化的。LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS—232和RS—485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能.它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言.使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径.使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的HYPERLINK”/view/159830.htm"可执行文件，它是一个真正的32位/64位HYPERLINK”http：///view/487018.htm"编译器。像许多重要的软件一样,LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本.它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件!现在的图形化主要是上层的系统,国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的），不断完善中（大家可以搜索CPUVIEW会有更详细信息）。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途2.2IIR数字滤波器2.2。1数字滤波器的概念数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理,以达到改变信号频谱的目的。数字滤波器是一个HYPERLINK”/view/1146761.htm”离散时间系统（按预定的算法，将输入HYPERLINK”/view/4414724。htm”离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置)。应用数字滤波器处理模拟信号时,首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换.数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即1／2抽样频率点呈http：///view/873549.htm”数模转换、平滑.数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点.数字滤波器在IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成,可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时,我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换,将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。IIR数字滤波器的相位特性不好控制，对相位要求较高时,需加相位校准网络。在MATLAB下设计IIR滤波器可使用Butterworth函数设计出HYPERLINK”http：///view/391252。htm"巴特沃斯滤波器，使用Cheby1函数设计出契比雪夫I型滤波器，使用Cheby2设计出契比雪夫II型滤波器，使用ellipord函数设计出椭圆滤波器。下面主要介绍前两个函数的使用.与http：///view/1424251.htm"线性相位的，可以应用于对相位信息不敏感的音频信号上；FIR幅频特性精度较之于IIR低,但是线性相位,就是不同频率分量的信号经过FIR滤波器后他们的通带和HYPERLINK”/view/3822285.htm"阻带等波纹的一种HYPERLINK”/view/141368。htm"滤波器。椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的HYPERLINK"http：///view/391268.htm”切比雪夫滤波器.4系统前面板设置LabVIEW程序由两部分组成：前面板程序和框图程序。整个程序基于多线程设计,即前面板和系统程序各占用一个线程。前面板是用户接口,即交互式界面，用于用户向程序中输入各种控制参数和观察输出量，在前面板中,使用了各种仿真图标,如开关、旋钮等，并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板。本文中前面板的设计,充分发挥LabVIEW的特长，即建立了友好的人机操作界面，系统前面板如图所示.图2为信号经过巴特沃斯和切比雪夫带通滤波器以后的波形。图3为信号经过贝塞尔和椭圆带通滤波器以后的波形。图2图3按图2,3所示的频率响应测试系统的前面板。用户可以很方便地进行滤波器类型的选择,设置滤波器的阶次、低（高）端截止频率、通带波纹等各项参数.5系统相关参数设置系统相关参数设置如下：频率响应函数幅值轴设置为Autoscale。低端截止频率设为2000，高端截止频率为4000,阶次设定为5,类型有Lowpass、Band2stop、Bandpass、Highpass4种选择，通带滤波为0。80dB。6系统程序设计框图程序如图所示。图4系统程序框图框图程序包含有两个模块,即两个case结构:一个用来实现频率响应测试；另一个用来模拟从混有高频噪声的信号数据中提取正弦波。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.6。1模块一：频率响应测试模块.频率响应测试时采用冲激函数做激励信号，通过在Functions〉allfunctions〉Analyze〉SignalProcessing>SignalGeneration>ImpulsePattern。vi函数子模板中调用来实现，并且需要对冲激函数的采样数、幅值和延时3个参数进行设置。用Transfer函数计算出系统输出与输入的傅立叶变换之比,从而得到系统的频率响应函数。在本设计系统中，共包含有4种类型滤波器，分别为:巴特沃斯滤波器（Butterworth）、切比雪夫滤波器（Chebyshev)、贝塞尔滤波器（Bessel)、椭圆滤波器（Ellipse）.通过在Functions〉allfunctions>Analyze>SignalProcessing〉Filters中调用相应的函数子模板来实现，并且对滤波器的阶次、类型、低(高)端截止频率、通带波纹等各项参数进行设置,为了验证所设计的系统对滤波器频率响应特性分析的效果,将开关设置为“开”的状态。如果由于四种滤波器的波形全部在一个波形测量节点显示会影响观测效果,所以在程序设计时，将滤波器的波形分成两组输出。在LabVIEW中调用functions>Analyze〉SignalProcessing〉frequencedomain>transferfunction。vi来计算两个滤波器的频率响应函数。个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途图5模块一6.2模块二：使用低通滤波器提取正弦波模块通常微机应用系统的输入信号中会不可避免地受到各种噪声的干扰，可以采用数字滤波方法对其予以削弱或滤除。本模块输入信号为一个正弦波,并加入一个白噪声来模拟信号传输中的干扰信号，在设计过程中，使用巴特沃斯低通滤波器滤除噪声分量，从而达到提取正弦波的目的。该模块程序中共有两个巴特沃斯滤波器。图6模块二7结论7。1四种滤波器的比较频率响应测试时采用冲激函数做激励信号，通过在Functions>allfunctions〉Analyze>SignalProcessing>SignalGeneration〉ImpulsePattern。vi函数子模板中调用来实现，并且需要对冲激函数的采样数、幅值和延时3个参数进行设置。用Transfer函数计算出系统输出与输入的傅立叶变换之比,从而得到系统的频率响应函数.在本设计系统中,共包含有4种类型滤波器,分别为：巴特沃斯滤波器（Butterworth）、切比雪夫滤波器(Chebyshev）、贝塞尔滤波器（Bessel）、椭圆滤波器（Ellipse)。通过在Functions>allfunctions>Analyze>SignalProcessing>Filters中调用相应的函数子模板来实现，并且对滤波器的阶次、类型、低(高)端截止频率、通带波纹等各项参数进行设置，为了验证所设计的系统对滤波器频率响应特性分析的效果，将开关设置为“开”的状态.如果由于四种滤波器的波形全部在一个波形测量节点显示会影响观测效果,所以在程序设计时,将滤波器的波形分成两组输出。在LabVIEW中调用functions〉Analyze>SignalProcessing>frequencedomain>transferfunction.vi来计算两个滤波器的频率响应函数。文档为个人收集整理,来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络仿真实验证实，当滤波器的阶次较高时,系统的频率响应速度越快,阶次越高就越接近理想特性.本例选用巴特沃斯滤波器，它拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外,频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应,在阻带中响应为零.巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应,缺点是通带与阻带之间过渡缓慢。相比之下,切比雪夫滤波器的幅度特性在通带中具有这种等波纹特性,并且阶次越高等波纹也相应增加,同时阻带内衰减也相应增加.图7四种数字滤波器的通带参数比较—3db图8四种数字滤波器的通带参数比较—60db7。2滤波器滤波效果测试调用LabVIEW中Functions〉allfunctions>Analyze〉SignalProcessing〉SignalGeneration中的SinePattern。vi子程序和UniformWhiteNoise。vi子程序产生一个正弦波和均匀分布的白噪声（用来模拟实际混入