劉 平

長治清華機(jī)械廠，山西長治 046012

基于 LabVIEW的數(shù)字濾波器技術(shù)

劉 平

長治清華機(jī)械廠，山西長治 046012

由于各種干擾，電器產(chǎn)品試驗存在噪聲，在分析中必須對信號進(jìn)行消噪，保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。本文介紹了 LabVIEW軟件中常用的數(shù)字濾波器的功能及其特點，同時還介紹了 subFilter軟件，其編程簡單、直觀、開發(fā)效率高，不但可以節(jié)約成本，還可以縮短在硬件濾波部分的研發(fā)周期，消除低壓電器產(chǎn)品試驗的各種信號噪聲。

噪聲；數(shù)字濾波；LabVIEW軟件

0 引言

由于各種干擾，低壓電器產(chǎn)品試驗參數(shù)總是受到各種噪聲信號影響，在對參數(shù)進(jìn)行分析前必須進(jìn)行消噪處理，保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。最常用的消噪手段是硬件濾波，但存在的問題是硬件器件體積大，而且會使投資成本增加。隨著大規(guī)模集成電路和電子信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前工業(yè)設(shè)計中可以使用計算機(jī)軟件實現(xiàn)消噪。美國NI公司出品的LabVIEW軟件集成了功能強(qiáng)大的數(shù)字濾波器模塊，消噪可以通過該模塊的簡單編程進(jìn)行實現(xiàn)，通過軟件消噪可以節(jié)省硬件成本。顯而易見的，通過LabVIEW進(jìn)行軟濾波進(jìn)而對低壓電器產(chǎn)品的參數(shù)信號進(jìn)行去噪具有十分重要的意義。

1 低壓電器信號存在噪聲的原因分析

電子裝置和機(jī)械裝置結(jié)合構(gòu)成了低壓電器產(chǎn)品的測試系統(tǒng)，故該系統(tǒng)復(fù)雜度高，會引入噪聲，也就是干擾信號。測試現(xiàn)場中噪聲信號成形方式有多種，如空間場噪聲的侵入，或者沿線路噪聲的侵入，電網(wǎng)中浪涌電壓通過供電線路是入侵等主要途徑；系統(tǒng)接地裝置設(shè)計不合理也會引入噪聲信號；傳感器、輸入輸出線路的制造質(zhì)量問題也會引入噪聲。以空間場方式入侵的噪聲信號主要集中在高電壓、高頻電磁場、大電流等區(qū)域，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象或者靜電感應(yīng)現(xiàn)象等引發(fā)電磁脈沖引入，為在混合信號中獲得有用信號必須對混合信號進(jìn)行去噪處理，鑒于濾波技術(shù)的過濾頻率特性，可以采用濾波處理方式。濾波技術(shù)可以按硬件和軟件分為兩類，由于硬件濾波技術(shù)成熟，被應(yīng)用在當(dāng)前多數(shù)低壓電器測試系統(tǒng)中。本文主要利用LabVIEW軟件的數(shù)字濾波器模塊對信號進(jìn)行去噪處理，獲得有用待分析信號，屬于軟處理方式。

2 濾波器的分類和數(shù)字濾波器的特點分析

濾波器就是對信號進(jìn)行頻域選擇，通過選擇對不符合要求的信號頻段進(jìn)行過濾。濾波器按照處理信號的類型分為模擬濾波與數(shù)字濾波。輸入輸出信號的時域連續(xù)的信號稱為連續(xù)信號，對該信號進(jìn)行濾波的濾波器被稱為模擬濾波器。輸入輸出信號的時間離散信號稱為離散信號，對該信號進(jìn)行濾波的濾波器被稱為數(shù)字濾波器。本文主要對數(shù)字濾波器進(jìn)行分析。由于數(shù)字濾波器只是由乘法器、加法器和延時單元等構(gòu)成，通過這些模塊可以對輸入額離散信號進(jìn)行數(shù)字運算處理，進(jìn)而對信號頻譜進(jìn)行適當(dāng)修改。數(shù)字濾波器按多種分類方法可以分為：線性與非線性、因果與非因果、時變與時不變等。鑒于濾波器的物理可實現(xiàn)性方便和考慮其應(yīng)用范圍的廣泛程度，多數(shù)濾波器采用線性時不變結(jié)構(gòu)。如果從信號的時域特性對濾波器進(jìn)行歸類，濾波器可以分為無限沖激響應(yīng)濾波器（即IIR型濾波器）和有限沖激響應(yīng)濾波器（即FIR型濾波器）。

數(shù)字濾波器的特點有：可通過軟件編程進(jìn)行平臺搭建和數(shù)據(jù)測試；數(shù)學(xué)運算類型少，只有加和乘；濾波效果不隨外界條件變化而漂移；高可靠性、高精度、可控性能優(yōu)良、集成度較高，在性能方面具有很高的性價比。因而其對測試系統(tǒng)或者圖像處理等高精度，高級算量等學(xué)科領(lǐng)域具有非常大的可應(yīng)用性，故其廣泛應(yīng)用在這些領(lǐng)域。

3 簡介LabVIEW軟件各濾波模塊

LabVIEW的主要特色是將編程語言進(jìn)程集成化，將其集成化到圖形化的編程界面中，成為圖形化編程語言，這就將代碼編程過程簡化為元器件的添加過程。其核心被稱為VI(即Virtual Instrument)，也就是該環(huán)境種的應(yīng)用開發(fā)程序。它由集成源代碼功能的程序框圖和后臺處理程序構(gòu)成一個整體的人機(jī)交互操作界面。它集成了多種進(jìn)行仿真運算的函數(shù)庫還設(shè)計開發(fā)了一整套模擬環(huán)境下的調(diào)試和仿真工具。也就是該軟件將圖形化程序設(shè)計中的直觀的編程界面，簡略的編程代碼和高效的開發(fā)效率結(jié)合在一起。隨著軟件仿真模擬實際環(huán)境下的系統(tǒng)測評技術(shù)的飛速發(fā)展，圖形化的編程語言也隨之迅猛發(fā)展，測試、控制領(lǐng)域內(nèi)必將會產(chǎn)生一股向圖形化編程語言轉(zhuǎn)變的熱潮。

4 使用LabVIEW對信號進(jìn)行仿真分析

LabVIEW的仿真調(diào)試功能為其快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該功能可以通過軟件對硬件進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)而對模擬中的實際環(huán)境進(jìn)行干擾信號恩錫。該軟件可以提供以下仿真波形如方波、正弦波、鋸齒波、三角波、直流波等，還可以為這幾種波形添加不同類型的噪聲：均勻白噪聲，就是生成一個偽隨機(jī)信號序列，該信號的幅值分布符合均勻分布規(guī)律。高斯白噪聲，就是生成一個幅值分布方式為高斯分布的偽隨機(jī)信號序列。周期性隨機(jī)噪聲，生成一個隨機(jī)噪聲序列，該序列具有周期性。二項噪聲，生成一個偽隨機(jī)信號序列，該序列幅值分布符合二項分布。Bernoulli噪聲，生成一個只有0和1的偽隨機(jī)信號序列。Gamma噪聲，就是生成一個序列均值為1的屬于泊松過程中發(fā)生階數(shù)次事件的偽隨機(jī)信號序列。泊松噪聲，就是生成一個幅值符合泊松分布的隨機(jī)信號序列。逆F噪聲，生成一個包含連續(xù)噪聲信號序列，限定頻率范圍內(nèi)的該序列的頻譜密度與頻率成反比。通過確認(rèn)分析上述模塊特性，可以幫助在前期決定測試方案過程中，通過LabVIEW搭建符合現(xiàn)場環(huán)境的仿真信號，對信號添加適當(dāng)?shù)母蓴_噪聲，通過仿真平臺進(jìn)行仿真分析，確定該方案是否可行，可以幫助工程縮短工作周期。

5 結(jié)論

本文介紹了subFilter軟件，其編程簡單、直觀、開發(fā)效率高，在節(jié)約開發(fā)成本的同時，通過利用仿真實驗實現(xiàn)對檢測設(shè)備研發(fā)項目的可執(zhí)行性分析，進(jìn)而縮短低電壓電器產(chǎn)品在濾波部分的研發(fā)時間。通過LabVIEW仿真分析實際環(huán)境下的信號參數(shù)性能，進(jìn)而改進(jìn)降低或者消除低壓電器產(chǎn)品中不合理的設(shè)計造成的實驗參數(shù)不精確等問題，為產(chǎn)品質(zhì)量提供強(qiáng)大的開發(fā)保障。當(dāng)今時期電子計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為低壓電器產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計提供了豐富強(qiáng)大的模擬仿真環(huán)境，鑒于LabVIEW的良好仿真特性在設(shè)計生產(chǎn)低壓電器產(chǎn)品中首先采用LabVIEW對產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真，可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，保證產(chǎn)品開發(fā)品質(zhì)，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]趙家升，楊顯清，楊德強(qiáng).電磁兼容原理與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW8.20中文版編程及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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1674-6708（2012）80-0205-02