湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院 桂靜宜

基于LabVIEW的IIR數(shù)字濾波器性能分析

湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院 桂靜宜

詳細(xì)介紹了基于LabVIEW的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理和開發(fā)過程。該濾波系統(tǒng)不僅可以通過前面板方便地調(diào)整濾波器的種類和類型，而且還可以根據(jù)實(shí)際需求靈活地調(diào)整濾波參數(shù)，顯示設(shè)計(jì)結(jié)果。最后以占空比可調(diào)的矩形波信號(hào)等為例，分析濾波前后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能與IIR濾波器理論吻合、濾波效果良好、開發(fā)效率高。

虛擬儀器；無限沖激響應(yīng)；數(shù)字濾波器；前面板；程序框圖

1 引言

數(shù)字濾波器因其具有精度高、可靠性好、靈活性大、容易獲得高性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)[1],在工程上應(yīng)用非常廣泛。根據(jù)單位脈沖響應(yīng)的時(shí)域特點(diǎn),數(shù)字濾波器分為無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。IIR濾波器可以借助模擬濾波器的設(shè)計(jì)成果、對(duì)設(shè)計(jì)工具的要求不高,主要用于具有片斷常數(shù)特性的通帶濾波器的設(shè)計(jì)。其主要的缺點(diǎn)是不容易實(shí)現(xiàn)線性相位,在同樣技術(shù)指標(biāo)的前提下,IIR濾波器設(shè)計(jì)成本低。所以在對(duì)線性相位要求不高的語(yǔ)音通訊、語(yǔ)音處理等領(lǐng)域一般會(huì)選擇IIR濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

但是,傳統(tǒng)的應(yīng)用Matlab文本文件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器在使用中與硬件接口程序復(fù)雜、濾波系數(shù)調(diào)整困難,不能方便地構(gòu)成系統(tǒng)來測(cè)試濾波器在工程應(yīng)用中的性能[2]。應(yīng)用開放式的LabVIEW軟件,設(shè)計(jì)交互式應(yīng)用界面可以很好地解決這些問題。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。利用其模塊化和層次遞歸的編程方法,可以方便地構(gòu)建、設(shè)計(jì)和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)[3],它在功能的完整性和應(yīng)用的靈活性上也不遜于任何高級(jí)語(yǔ)言。隨著LabVIEW信號(hào)處理工具箱的不斷完善,不僅使數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)最優(yōu)化,而且比應(yīng)用文本文件實(shí)現(xiàn)的濾波器使用方便。

2 IIR濾波器的頻率響應(yīng)特性

IIR濾波器一般可以用線性常系數(shù)差分方程來描述:

濾波器頻率響應(yīng)是描述濾波器動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù),它與系統(tǒng)函數(shù)的關(guān)系是:

3 基于LabVIEW的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

3.1 前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW程序由前面板和程序框圖兩個(gè)部分組成。按照?qǐng)D1構(gòu)建IIR濾波性能測(cè)試系統(tǒng),可以很方便地修改濾波器的種類、類型等參數(shù),還可以顯示設(shè)計(jì)出的濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線。圖1的文本中濾波器的種類有Butterworth、Chebyshev、Ellipse、Bessel等;濾波器的類型有Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop四種類型[4];還可以設(shè)置通帶和阻帶的邊界頻率、通帶的最大波動(dòng)、阻帶的最小衰減、濾波器的階次。其中通帶的最大波動(dòng)和阻帶的最小衰減都是以分貝為單位;濾波器階次為正整數(shù),階次的變動(dòng)對(duì)過渡帶和通(阻)帶的特性都有影響。在前面板濾波器的指標(biāo)調(diào)整中使用了簇輸入,在前面板上選擇“查看”→“控制選板”→“新式”→“數(shù)組、矩陣┉”→“簇”,用鼠標(biāo)拖拽到前面板合適的位置,放置一個(gè)大小合適的簇方框,再按規(guī)定的順序放置簇中的控件。整個(gè)虛擬面板簡(jiǎn)潔、美觀。

圖1 llR濾波器測(cè)試系統(tǒng)的前面板

圖5 方波信號(hào)通過系統(tǒng)

圖2 llR濾波器測(cè)試系統(tǒng)的程序框圖

3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

圖2是IIR濾波器測(cè)試系統(tǒng)的程序框圖。主程序是一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu),循環(huán)內(nèi)部的基本函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波,信號(hào)的幅度、頻率、方波的占空比都可進(jìn)行設(shè)置;在程序框圖中選擇“查看”→“函數(shù)面板”→“信號(hào)處理”→“波形調(diào)理”→“數(shù)字IIR波器”得到規(guī)范的IIR數(shù)字濾波器,它除了時(shí)域“信號(hào)輸入”和“信號(hào)輸出”端外,還有“IIR濾波器規(guī)范”等輸入端,其中“IIR濾波器規(guī)范”(即濾波器指標(biāo)調(diào)整)使用了簇輸入?！皵?shù)字IIR波器”還有一個(gè)“濾波器信息”端,這個(gè)輸出端就是濾波器的幅頻特性與相頻特性參數(shù)輸出端。通過“選擇”→“查看”→“編程”→“簇與變體”→“按名稱解除捆綁”,可以將“濾波器信息”分解成幅頻與相頻參數(shù),接入顯示器即可顯示幅頻特性與相頻特性。在程序框圖窗口菜單上選擇“查看”→“函數(shù)選板”→“信號(hào)處理”→“譜分析”→“幅度譜和相位譜”,放置進(jìn)行信號(hào)幅度譜處理的方框圖,這樣在波形圖中除了顯示信號(hào)的時(shí)域波形外,也能顯示信號(hào)的頻譜圖。

4 IIR濾波器的性能分析

4.1 llR濾波器的性能測(cè)試

為了分析所設(shè)計(jì)的IIR濾波系統(tǒng)的性能,這里以通帶最大波動(dòng)為1dB、阻帶最小衰減為60dB、通帶截止頻率為150Hz的Butterworth低通濾波器為例,當(dāng)濾波器的階次時(shí)所設(shè)計(jì)的濾波器的幅頻特性如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著系統(tǒng)階次的提高,系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快,過渡帶的寬度越來越窄,越接近于理想的低通特性[5]。

圖3 時(shí)，Butterworth低通濾波器的幅度特性

圖4 8階Butterworth和Chebyshev l型濾波器的幅度特性

4.2 正弦信號(hào)通過系統(tǒng)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能特性,可以在濾波器前加入一個(gè)輸入信號(hào),觀察輸出信號(hào)。圖1中設(shè)置濾波器是Butterworth帶通濾波器,其通帶截止頻率分別是150、300Hz,通帶的最大衰減是1dB,阻帶的最小衰減是50dB,濾波器的階次是6階,輸入一個(gè)頻率為200Hz、幅值為1V的正弦波信號(hào),可以很容易觀察到信號(hào)可以無失真地通過系統(tǒng)。

4.3 方波信號(hào)通過系統(tǒng)

如圖5所示,為了測(cè)試系統(tǒng)的性能,讓幅值為1V、頻率為10Hz、占空比為50%的方波信號(hào)通過通帶截止頻率為200和300Hz、通帶最大波動(dòng)為1dB、阻帶最小衰減為60dB的8階的Butterworth帶通濾波器,可以很清楚地看出方波中在濾波器通帶范圍內(nèi)的頻率成分可以通過系統(tǒng),而在此范圍外的頻率成分能被有效地屏蔽。而且濾波器的階次越高,屏蔽的效果越好。

5 結(jié)論

基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的IIR數(shù)字濾波器比應(yīng)用文本編程語(yǔ)言的開發(fā)效率高。它既可在LabVIEW下運(yùn)行,也可以被編譯成獨(dú)立的可執(zhí)行文件。LabVIEW采用高速并行編譯方式,信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性也是一般文本語(yǔ)言所不能及的。由于LabVIEW采用圖形化語(yǔ)言編程,程序的界面友好、編程效率高、方便進(jìn)行功能擴(kuò)展,在測(cè)控領(lǐng)域、信號(hào)處理領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本程序雖然集成了幾種典型的IIR濾波器,但在進(jìn)行大型的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可以將其作為子程序與其他典型的數(shù)字濾波器集成一起可以提供多種選擇的復(fù)合類型的數(shù)字濾波器,以適用工程實(shí)際的各種需求[6]。

［1］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程(第四版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2013.

［2］王麗坤等.基于LabVIEW平臺(tái)的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,8(6):47-50.

［3］Jeffrey Travis,Jim Kring著,喬瑞萍等譯.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程(第三版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

［4］岳洪偉.基于LabVIEW的數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(8):70-72.

［5］鄒玲,郭彪,楚思紅.基于LabVIEW的IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(3):83-84.

［6］周偉林,楊華勇,李清峰.基于LabVIEW的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(5-1):163-164.

桂靜宜（1967—），女，湖北蘄春人，大學(xué)本科，講師，主要從事電子技術(shù)和信號(hào)處理等方面的教學(xué)、科研工作。