基于虛擬儀器的數字濾波器的實現

吉林工商學院信息工程分院 岳 紅

一、引言

濾波是信號處理中的一項基本而重要的技術。利用濾波技術可以從各種信號中提取出所要的信號，濾除不需要的干擾信號。而濾波器設計是信號的頻域分析中的另一個重要的應用。濾波器分為模擬濾波器和數字濾波器，模擬濾波器用來處理模擬信號或連續的信號，數字濾波器用來處理離散的數字信號。

二、數字濾波器的應用現狀與發展趨勢

在大多數信號處理過程中，處理的信號往往混有一些噪音，從接收到的信號中消除或減弱噪音在信號傳輸和處理中就顯得十分重要。我們可以根據有用信號和噪音信號的不同特點，提取有用信號。在近代電子設備和各類自動控制系統中，數字濾波器應用極為廣泛。例如數字電視、通信、雷達、遙感、圖像、生物醫學以及許多工程應用領域。隨著信息時代數字時代的到來，數字濾波技術已經成為一門極其重要的學科和技術領域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術，但是，模擬電路技術存在很多難以解決的問題，例如，模擬電路元件對溫度的敏感性，等等。而采用數字技術則避免很多類似的難題，當然數字濾波器在其他方面也有很多突出的優點，這些都是模擬技術所不能及的，所以采用數字濾波器對信號進行處理是目前的發展方向。依靠軟件實現的數字濾波器與模擬濾波器或硬件實現的濾波器相比，有著靈活性強、可靠性高、穩定性好等突出特點，而且具有極低的成本優勢，所以在許多數字信號處理領域有著廣泛的應用，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、虛擬數字濾波器的實現

數字濾波器可分為無限沖激響應（IIR）濾波器和有限沖激響應（FIR）濾波器兩大類，兩者劃分的主要標準時系統函數對單位樣值響應是否無限長。而IIR濾波器具有幅頻特性較平坦的特點，FIR濾波器則可以做到嚴格的線性相移。我們可以用Labview軟件來實現數字濾波器，因為它提供了數目眾多的濾波函數，無論IIR濾波器還是FIR濾波器都可以實現，可傳遞的信號的數據類型也包括波形信號和數組信號，可靈活調用。Labview中與數字濾波器有關的函數在信號處理中的波形調理和濾波器中，而在函數選板信號處理的濾波器中有與數字濾波器相關的兩個高級Vi庫“高級IIR濾波”和“高級FIR濾波”，這兩個Vi庫中所含的濾波器設計和執行Vi含有一些更高級的功能選項，而且把濾波器的設計與執行分開了。這樣可以預先進行濾波器的設計，然后將設計好的濾波器系數傳遞到循環結構中，在循環中只執行濾波功能，就可以免去設計部分的循環調用，從而提高程序的執行效率。下面我們創建一個低通濾波器，從含有高頻噪聲的信號中提取出正弦波信號。輸入信號為一個正弦波，并加入一個白噪聲，以模擬信號傳輸中的隨機干擾信號，設計一個低通濾波器，以濾除信號中的噪聲分量。首先在前面板上創建信號頻率、采樣、采樣頻率、輸入信號和濾波后信號及其頻譜等輸入控件。然后創建程序框圖。程序生成一個正弦波信號，同時由均勻白噪聲VI生成一個噪聲信號，使其通過一個高通濾波器（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。將該信號通過一個低通濾波器后輸出顯示。程序框圖設計如圖1所示。

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

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

四、結語

通過對Labview的學習與低通濾波器的了解，對用該軟件實現各種濾波器有了更加深刻的認識，經過驗證，其他類型的濾波器，如IIR帶通和帶阻，FIR帶通和帶阻的功能只須選擇適當的拓撲結構，設置適當的濾波參數，均能理想的濾波。

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

[2]宗孔德,胡廣書.數字信號處理[M].北京：清華大學出版社,1988.