吉林工商學(xué)院信息工程分院 岳 紅

一、引言

濾波是信號(hào)處理中的一項(xiàng)基本而重要的技術(shù)。利用濾波技術(shù)可以從各種信號(hào)中提取出所要的信號(hào)，濾除不需要的干擾信號(hào)。而濾波器設(shè)計(jì)是信號(hào)的頻域分析中的另一個(gè)重要的應(yīng)用。濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器，模擬濾波器用來處理模擬信號(hào)或連續(xù)的信號(hào)，數(shù)字濾波器用來處理離散的數(shù)字信號(hào)。

二、數(shù)字濾波器的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

在大多數(shù)信號(hào)處理過程中，處理的信號(hào)往往混有一些噪音，從接收到的信號(hào)中消除或減弱噪音在信號(hào)傳輸和處理中就顯得十分重要。我們可以根據(jù)有用信號(hào)和噪音信號(hào)的不同特點(diǎn)，提取有用信號(hào)。在近代電子設(shè)備和各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器應(yīng)用極為廣泛。例如數(shù)字電視、通信、雷達(dá)、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代的到來，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是，模擬電路技術(shù)存在很多難以解決的問題，例如，模擬電路元件對(duì)溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術(shù)則避免很多類似的難題，當(dāng)然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理是目前的發(fā)展方向。依靠軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器與模擬濾波器或硬件實(shí)現(xiàn)的濾波器相比，有著靈活性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好等突出特點(diǎn)，而且具有極低的成本優(yōu)勢(shì)，所以在許多數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并且在逐步取代模擬濾波器。

圖1 低通濾波器的程序框圖

圖2 低通濾波器前面板

三、虛擬數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字濾波器可分為無限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器和有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器兩大類，兩者劃分的主要標(biāo)準(zhǔn)時(shí)系統(tǒng)函數(shù)對(duì)單位樣值響應(yīng)是否無限長。而IIR濾波器具有幅頻特性較平坦的特點(diǎn)，F(xiàn)IR濾波器則可以做到嚴(yán)格的線性相移。我們可以用Labview軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，因?yàn)樗峁┝藬?shù)目眾多的濾波函數(shù)，無論IIR濾波器還是FIR濾波器都可以實(shí)現(xiàn)，可傳遞的信號(hào)的數(shù)據(jù)類型也包括波形信號(hào)和數(shù)組信號(hào)，可靈活調(diào)用。Labview中與數(shù)字濾波器有關(guān)的函數(shù)在信號(hào)處理中的波形調(diào)理和濾波器中，而在函數(shù)選板信號(hào)處理的濾波器中有與數(shù)字濾波器相關(guān)的兩個(gè)高級(jí)Vi庫“高級(jí)IIR濾波”和“高級(jí)FIR濾波”，這兩個(gè)Vi庫中所含的濾波器設(shè)計(jì)和執(zhí)行Vi含有一些更高級(jí)的功能選項(xiàng)，而且把濾波器的設(shè)計(jì)與執(zhí)行分開了。這樣可以預(yù)先進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)好的濾波器系數(shù)傳遞到循環(huán)結(jié)構(gòu)中，在循環(huán)中只執(zhí)行濾波功能，就可以免去設(shè)計(jì)部分的循環(huán)調(diào)用，從而提高程序的執(zhí)行效率。下面我們創(chuàng)建一個(gè)低通濾波器，從含有高頻噪聲的信號(hào)中提取出正弦波信號(hào)。輸入信號(hào)為一個(gè)正弦波，并加入一個(gè)白噪聲，以模擬信號(hào)傳輸中的隨機(jī)干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，以濾除信號(hào)中的噪聲分量。首先在前面板上創(chuàng)建信號(hào)頻率、采樣、采樣頻率、輸入信號(hào)和濾波后信號(hào)及其頻譜等輸入控件。然后創(chuàng)建程序框圖。程序生成一個(gè)正弦波信號(hào)，同時(shí)由均勻白噪聲VI生成一個(gè)噪聲信號(hào)，使其通過一個(gè)高通濾波器（該濾波器的截止頻率為100Hz，即濾掉頻率小與100Hz的低頻噪聲），生成高頻噪聲并與正弦波疊加，用以模擬含有高頻噪聲的信號(hào)。將該信號(hào)通過一個(gè)低通濾波器后輸出顯示。程序框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

改變前面板上的濾波器的階數(shù)，改變截止頻率，可以觀察濾波后的信號(hào)波形如圖2所示。

用低通濾波器將100Hz的信號(hào)濾除，保留20Hz的信號(hào)。用IIR巴特沃斯濾波器，設(shè)置為低通類型。濾波后的波形跟疊加前的20Hz信號(hào)波形一致，即濾波效果比較理想，20Hz被完全保留，而100Hz被完全濾除。

四、結(jié)語

通過對(duì)Labview的學(xué)習(xí)與低通濾波器的了解，對(duì)用該軟件實(shí)現(xiàn)各種濾波器有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過驗(yàn)證，其他類型的濾波器，如IIR帶通和帶阻，F(xiàn)IR帶通和帶阻的功能只須選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置適當(dāng)?shù)臑V波參數(shù)，均能理想的濾波。

[1]王磊,陶梅等.精通Labview8.X[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[2]宗孔德,胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社,1988.