譚 靜（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

探微多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

譚 靜
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

在濾波器的生產(chǎn)過程中，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是重點(diǎn)部分，也是一個(gè)難點(diǎn)部分。所以，為了使人們能夠更好的知道與掌握數(shù)字濾波器的原理，促使更多的人對數(shù)字濾波器的認(rèn)識(shí)，提高數(shù)字濾波器的生產(chǎn)質(zhì)量。本文主要研究了數(shù)字濾波器的多功能設(shè)計(jì)以應(yīng)用，從其工作原理的角度出發(fā)，深入分析設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)該產(chǎn)品時(shí)的方法，從系統(tǒng)功能到系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)來考慮LabVIEW軟件系統(tǒng)在數(shù)字濾波器當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，期待通過筆者的闡述能夠?yàn)閿?shù)字濾波器的研究提供些許借鑒意義。

多功能數(shù)字濾波器；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0　前言

數(shù)字濾波器的作用是用于對不同數(shù)字信號(hào)的處理。即使是專業(yè)學(xué)習(xí)信息方面知識(shí)的學(xué)生也應(yīng)該很好的掌握數(shù)字濾波器的原理。而我國中對于數(shù)字濾波器的研究，多為抽象的公式計(jì)算，很難形象而又客觀的對其進(jìn)行分析與研究。使很多設(shè)計(jì)人員在對數(shù)字濾波器的學(xué)習(xí)過程中，很難掌握與理解數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程與工作原理。而利用LabVIEW軟件系統(tǒng)對其進(jìn)行實(shí)際演示，可以使設(shè)計(jì)人員更加直觀與深刻的對數(shù)字濾波器進(jìn)行理解與掌握。文章就針對LabVIEW軟件為數(shù)字濾波器提供了設(shè)計(jì)的平臺(tái)，將所有屬于數(shù)字濾波器的功能都?xì)w攏到新開發(fā)的多功能型濾波器當(dāng)中，以此設(shè)計(jì)來為學(xué)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行演示，幫助其加強(qiáng)對濾波器的了解和認(rèn)知。

1　數(shù)字濾波器的工作原理

數(shù)字濾波器的主要功能是將輸入的數(shù)字信號(hào)通過一定的公式運(yùn)算將其變成輸出的數(shù)字信號(hào)。通過使用數(shù)字信號(hào)，使數(shù)字濾波器與傳統(tǒng)的模擬濾波器相比較，具有準(zhǔn)確性高、靈活性好、便于集成和實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)，還可避免出現(xiàn)因阻抗而產(chǎn)生的一系列問題。數(shù)字濾波器能夠形成大規(guī)模的集成也有利于多維濾波的實(shí)現(xiàn)，其可靠性比虛擬濾波器更加穩(wěn)定。而且數(shù)字濾波器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬濾波器的功能，還能完成模擬濾波器由于自身局限性而難以實(shí)現(xiàn)的功能。

數(shù)字濾波器根據(jù)特性的不同能夠劃分為不同類型的濾波器。根據(jù)頻率特性可劃分為高通、低通、帶通和帶阻等不同的數(shù)字濾波器。而按照沖擊響應(yīng)的不同則可分為有限沖激響應(yīng)、無限沖激響應(yīng)兩種濾波器。有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR）的沖擊響應(yīng)是一個(gè)在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)衰減的。無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（IIR）的沖擊響應(yīng)則是一個(gè)理論上無限持續(xù)的［1］。

有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）的設(shè)計(jì)方法是利用一個(gè)理想的濾波器去設(shè)計(jì)一個(gè)無限接近于它的數(shù)字濾波器，利用傅里葉變換我們可得到一個(gè)函數(shù)公式：sa（n）=sin（n∩）/n∏，再通過加窗的方法，最后可得到數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)。

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）的設(shè)計(jì)方法是在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上利用雙線性變換法來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

2　多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

2.1多功能數(shù)字濾波器的系統(tǒng)功能

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）和有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）的類型均可分為高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）可根據(jù)輸入波形的不同，設(shè)置不同的信號(hào)參數(shù)，進(jìn)而選擇所需要的濾波器類型、不同波形參數(shù)IIR濾波器的波形輸出變化和逼近準(zhǔn)則（如巴特沃斯法，切比雪夫法等準(zhǔn)則）。

有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）在輸入波形不同的情況下，選擇所需要的濾波器類型、不同波形參數(shù)時(shí)FIR濾波器的波形輸出變化和設(shè)計(jì)方法（如窗函數(shù)法、等波紋法等）［2］。

2.2多功能數(shù)字濾波器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文分析利用LabVIEW軟件研究數(shù)字濾波器的工作原理。LabVIEW軟件是一種由美國開發(fā)出來十分常用的虛擬儀器軟件，它不僅僅擁有完整的驅(qū)動(dòng)程序和函數(shù)庫，還能夠?qū)崿F(xiàn)對儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示等功能。LabVIEW的編程方式放棄了傳統(tǒng)的文字編程方式，而是采用了基于圖形的框圖編程。使用這種編程方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是使得系統(tǒng)的編程更加簡單、調(diào)試更加方便，更有利于對信號(hào)的實(shí)際處理，也是到現(xiàn)在為止發(fā)展速度最快、使用范圍最廣、功能性最強(qiáng)的圖形軟件。

LabVIEW的設(shè)計(jì)程序主要包括能夠完成濾波器內(nèi)部程序設(shè)計(jì)的框圖程序和實(shí)現(xiàn)儀器面板功能的前面板程序［3］。其中框圖程序是LabVIEW設(shè)計(jì)程序的核心。前面板的程序上分為原始信號(hào)參數(shù)區(qū)域、濾波參數(shù)區(qū)域和結(jié)果顯示區(qū)域。在前面板程序上利用人機(jī)交互的系統(tǒng)界面，設(shè)置原始的信號(hào)參數(shù)，再選擇不同的類型的數(shù)字濾波器與波形參數(shù)，最后觀察經(jīng)過濾波器過濾后的波形與原始波形的變化，分析并將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤?？驁D程序包括原始信號(hào)的輸入、信號(hào)的頻率響應(yīng)、濾波和顯示四個(gè)部分。信號(hào)的輸入可采用預(yù)先設(shè)置的信號(hào)和手動(dòng)輸入信號(hào)兩種方式。信號(hào)的頻率響應(yīng)主要是用來區(qū)分不同濾波器的頻率特性。濾波是LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的核心部分，其框圖程序分為最外層和里層兩個(gè)部分，最外層部分是用來對FIR濾波器和IIR濾波器進(jìn)行類型的選擇，里層則是包含巴特沃斯、切比雪夫等五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。顯示程序部分主要是用來顯示信號(hào)在被濾波器濾波前后波形和頻率的變化。

3　總結(jié)

總之，在學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的知識(shí)過程中根據(jù)培訓(xùn)狀態(tài)以及社會(huì)發(fā)展的情況，本文選擇利用LabVIEW軟件的操作簡單、結(jié)果具體等特點(diǎn)輔助設(shè)計(jì)人員在培訓(xùn)過程當(dāng)中對多功能濾波器進(jìn)行客觀具體的了解。使設(shè)計(jì)人員能夠利用實(shí)驗(yàn)對多功能數(shù)字濾波器有更深刻的理解與認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)其探索的興趣，避免出現(xiàn)一味的理論公式化枯燥的培訓(xùn)方式，能夠更好的提高培訓(xùn)效果和設(shè)計(jì)者的知識(shí)接收效果。

［1］謝啟，劉妍，陸建明，李智超.多功能數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，09（02）：18.

［2］田浩，段麗君.基于LabVIEW的多功能數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2011，05（03）：66.

［3］王怡，陳燕東.新型虛擬多功能數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，04（02）：43.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.121

譚靜（1963-），女，內(nèi)蒙古錫林浩特人，本科，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)量與測試。