数字信号处理

课程设计报告

课题名称：多功能滤波器

系别：通信工程系

同组学生姓名：张玺，齐冉，白晓

指导教师：罗向龙

目   录

摘  要....................................................................... 1

 绪论........................................................................ 2

 滤波器的总体设计方案........................................................ 2

滤波器的各个模块的设计....................................................... 3

信号发生模块................................................................. 3

滤波去噪模块................................................................. 5

频域分析模块................................................................ 12

 多功能滤波器的仿真......................................................... 17

参考文献.................................................................... 22

心得体会.................................................................... 22

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。

本文叙述了虚拟仪器开发平台LabVIEW的特点，并给出了软件设计方案。开发了基于LabVIEW的多功能滤波器，重点讲述了各个功能模块的软件设计，并利用该滤波器对模拟信号进行了滤波和频谱分析，结果较为满意。在开发虚拟仪器的同时，掌握了LabVIEW编程语言，对虚拟仪器的构成、实现手段和开发方法有了一定的认识。

该系统操作简单，界面友好，功能多，并有很好的滤波、分析精度等优点。

关键字：虚拟仪器 ；LabVIEW ；滤波器 ；频率

1 绪论

   

       LabVIEW是一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，LabVIEW开发环境具有一系列优点，从流程图式的编程，不需要预先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据指针，到其丰富的函数、数值、信号处理和设备驱动等功能，应用LabVIEW进行滤波器设计，效率高，操作简单，并能对误差精度进行实时调整，把传统仪器利用LabVIEW用软件的方法来实现，开发周期短，易于维护和升级，可以设计出传统仪器所不能比拟的虚拟仪器，“软件就是仪器”——这就是虚拟仪器技术的精髓。虚拟仪器已经为越来越多的人所使用和接受，因为虚拟仪器系统更快速简捷和方便，也可以节省硬件资源。通过虚拟滤波器设计，可对虚拟仪器有更深的理解和领悟，也为以后进行更进一步的研究提供了基础。

我的设计题目是基于LabVIEW的多功能滤波器设计。我们平时所要设计的数字滤波器，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，只要通过在前面板通过下拉菜单进行调解就可以设计出最优化的滤波器了。了解LabVIEW编程所需的基础知识，学习LabVIEW的基本使用方法，复习数字信号处理的所学知识，运用LabVIEW设计一个虚拟的数字滤波器，使其能产生基本的带有噪声的模拟信号，或是能通过数据采集卡采集信号输入到微机里，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，来对所产生的信号或从外界输入的信号进行滤波，并能对信号进行频域分析。然后通过显示面板来显示滤波前后的信号及频域分析的信号。

滤波器的总体设计方案

我设计的题目是基于LabVIEW的多功能滤波器设计。如图9为总体设计方案的示意图。

图9  总体设计示意图

通过软件LabVIEW设计一个虚拟的数字滤波器，使其能产生基本的带有噪声的模拟信号，或是能通过数据采集卡采集信号输入到微机里，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，来对所产生的信号或从外界输入的信号进行数字滤波，这里的滤波器可以根据用户的需要进行选择，可以找出最适合的滤波器。我设计的滤波器包括FIR滤波器，IIR滤波器。其中这两大类滤波器分别有一些参数可调，例如IIR滤波器滤波的窗函数。进行完滤波后还能对信号进行各种频谱分析。然后通过显示面板来显示滤波前后的信号及频谱分析的信号。

 滤波器的各个模块的设计

我设计的滤波器的模块有信号发生模块，滤波模块，以及频谱分析模块。

 信号发生模块

信号发生模块是信号有两种，一种是通过基本函数发生器产生基本波形，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波四种。然后分别叠加噪声信号，以此来模拟现实中的信号。其中噪声的类型有均匀白噪声、高斯噪声、周期性随机噪声、泊松噪声。噪声的幅值也可以调节。如图10是信号发生模块流程图。

图10  信号发生模块流程图

    其中需要注意的是采样频率的选择，不然的话会出错，系统不能运行。根据奈圭斯特采样定理，采样频率应大于或至少等于信号截止频率的2倍，以保证数字化后的信号数据不丢失原信号的特性。但是奈圭斯特采样定理假设有一个理想的低通滤波器来恢复信号，并且被采样的信号的频带范围有限，这些条件在实际使用中是很难实现的，所以它只在理论上成立。对同一信号以不同的采样率采集得到的结果是不同的，显然采样频率越高，采集信号越接近真实信号，但是高采样频率意味着对存储空间和内存的更高要求，工程上用到的采样频率常常是信号最高频率的5～10倍。如图11所示为信号发生模块流程图对应的前面板。

图11  输入信号参数选板

 滤波去噪模块

图12  滤波去噪模块流程图

图13  滤波参数选板

滤波去噪模块的流程图如图12所示，信号的滤波去噪就是通过这个模块来实现的。图13为滤波参数选板，第一个布尔控件是来选择是否要进行滤波，当指示灯亮时就进行滤波了。布尔控件下面的叫做菜单下拉列表，是用来选择滤波器的类型的。再往下的两个框分别是IIR滤波器规范，FIR滤波器规范，通过调节文本下拉列表可以搭配出最好的滤波器。

频域分析模块

在频域，每个数字信号都有典型的特征。比如正弦波仅含有单一频率，而白噪声包含所有频率分量。信号的平稳变化源于它的低频分量，陡峭边缘和急剧变化则源于它的高频分量。信号的频谱详细描述了信号所包含的频率分量。信号的频谱有两部分，即幅度频谱和相位频谱。幅度频谱与每一频率分量的大小或幅度有关，相位频谱反映了不同频率分量之间的相位关系。信号的频域描述是以频率为横坐标变量来描述幅值，相位的变化规律的。信号的频域分析或者说是频率分析，是研究信号的频率结构，即求取分量的幅值，相位按频率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种谱。

信号的频域分析在信号处理领域中占有相当重要的地位。将信号变换到频域中以后，许多包含其中的有用信息就会凸显出来，知道信号的频率成分和幅度有时比仅知道某个时间采样的幅度更有意义。

图18  频域分析模块流程图

图19  频域分析模块前面板

如图18所示，为信号的频域分析模块流程图，这里的是输出信号的频域分析，输入的和输出的频域分析模块是一样的。这里的分析有三种，分别是：信号的功率谱分析，信号的自功率谱分析，快速傅立叶变换频谱。如图19所示为信号的频域分析模块的前面板。通过菜单下拉列表可以选择以上三种频域分析方法，通过文本下拉列表可以选择加不同的窗函数。

窗函数的主要作用是对截断处的不连续变化信号进行平滑处理，以此来减少频谱泄漏。

图20  实数FFT VI的流程图

信号的功率谱分析反映了信号在频率上的能量分布，突出信号频谱的主频率。

这就是本次设计所涉及到的三个模块的详细介绍。把它们用线连接起来就是我所设计的多功能滤波器了。

最终整个程序流程图如下

录2。

 多功能滤波器的仿真

本设计是对模拟信号来进行滤波仿真的，主要是为了验证该程序设计的是否正确以及对各种滤波器的去噪效果进行比较。

现在我们输入一个模拟含有均匀白噪声的正弦信号，信号的频率为“5”，幅值为“10”，均匀白噪声的幅值为“2”。信号的采样频率为“1000”，采样数为“1000”。如图21为输入信号参数选板。输入信号波形如图22所示。

图21  滤波器参数设定

图22  输入信号波形显示

下面我们采用不同的低通滤波器对该信号进行滤波去噪，看一下滤波效果如何。

一是采用FIR滤波器，它的参数设定如图21的FIR滤波器规范所示,拓扑结构是“windowed FIR”，类型是“lowpass”，最低通带是“12”，滤波效果如图23所示。

图23  FIR滤波器的滤波效果图

二是采用IIR滤波器，它的参数设定如图21所示，拓扑结构“Butterworth”,类型是“lowpass”,阶数是“7阶”，低截止频率是“8”，通带波纹为“1”，滤波效果如图24所示。

图24  IIR滤波器的滤波效果图

通过图22、图23、图24进行比较，可以看出：FIR滤波器，IIR滤波器都可以达到很好的去噪效果。并且相比较而言，IIR滤波器的滤波相对来说要好一些。而且证明该设计正确。

前面板如下图

图26  频谱仿真

参考文献

[1] 杨乐平，李海涛． LabVIEW程序设计与应用．电子工业出版社, 2005．

[2] 周求湛，等．虚拟仪器与LabVIEW 7 Express程序设计．北京航空航天大学出版社, 2004．

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心得体会

 在这次设计中，我们充分运用课堂中学习到的知识，虽然是第一次接触labview，但是通过这次的设计，让我们在设计的过程中对LabVIEW软件了解与熟练。由于知识掌握所限，与传统的示波器相比有些功能无法设计与实现，设计出来的虚拟示波器只可以实现示波器的一部分功能。通过这次设计，我更加明白理论与实际的差距，我们应该多动手，多思考，提高自己的实践动手能力。

第二篇：带通滤波器实验报告

《  带通滤波器设计制作 》实验报告

一：使用 FilterPro 滤波器设计软件分别设计高通滤波器、低通滤波器。

1：低通滤波器

     

2：高通滤波

二：使用Multism 仿软件对上述设计报告的滤波电路进行仿真。

1，低通滤波器

2：高通滤波

三：制作及调试

1：实验器材

稳压源 ，信号发生器，数字示波器，交流毫伏表，焊接工具及焊接元器件等。

2：实验数据记录（输入电压恒为100mV）

3：数据制图

4、数据分析及总结

由数据表及频谱曲线图可以清晰读出，输入频率在20Hz以下时，几乎为零；在过了20Hz以后，信号开始出现，并开始随着频率的增加而激增，并在400Hz左右达到100mV左右。信号在7500Hz时开始明显减小，在10000Hz时衰减到了原信号强度的60%左右。并衰减的速率开始放缓，并在70000Hz时信号基本消失。

    由此看来，在考虑实验合理误差的范围内，此带通滤波器的通带范围可近似看作30Hz~10000Hz的带通滤波器，衰减及增益均在考虑实验合理误差后，基本符合最初设计要求。

                                                20##年6月21日

附：《带通滤波器实验数据》

   《低通滤波仿真》

   《低通滤波设计报告52a沙超奇.fpd》

   《高通滤波仿真SCQ》

   《高通滤波设计报告SCQ.fpd》

详见文件夹