基于LabVIEW的數字濾波器設計與實現

孟月霞 張謙 韓亞麗

摘 要：數字濾波器是數字信號處理必不可少的器件之一。傳統數字濾波器利用大規模集成硬件實現，雖然處理速度快，但功能不易改變。本文設計了一種基于LabVIEW的虛擬數字濾波器，利用虛擬儀器生成仿真信號，而后設置濾波器的參數，通過頻譜測量模塊對原始信號和濾波后的信號進行比較，將比較結果在上位機顯示出來。通過測試可知，基于LabVIEW的虛擬濾波器不僅可以實現傳統濾波器的功能，而且具有操作方便、結果直觀、運行可靠、響應速度快、開發周期短等優點。

關鍵詞：LabVIEW;數字濾波器;虛擬濾波器;傳統濾波器

中圖分類號：TP274;TN713.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0032-03

Design and Implementation of Digital Filter Based on LabVIEW

MENG Yuexia ZHANG Qian HAN Yali

（College of Information and Business， Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Digital filter is one of the essential components of digital signal processing. Traditional digital filter is implemented of large scale integrated hardware， which processing speed is fast， but the function is hard to change. This paper designed a kind of virtual digital filter based on LabVIEW. The virtual filter used virtual instrument to generate simulation signal， then setted the parameters of the filter and compared the original signal with the filtered signal by using the spectrum measurement module， and finally displayed the result in the host computer. The test shows that the virtual filter based on LabVIEW can not only realize the function of the traditional filter， but also has the advantages of convenient operation， direct result， reliable operation， fast response and short development cycle.

Keywords： LabVIEW;digital filter;virtual filter;traditional filter

隨著信息化技術的發展，數字信號處理技術的應用越來越廣泛。由于數字信號處理不受硬件系統的限制，所以數字信號處理技術在實際應用中越來越受到重視，而數字信號處理技術中，數字濾波器的作用舉足輕重。傳統數字濾波器可用大規模數字硬件實現，雖然處理速度快，但功能不易改變。所以，本文研究了一種基于LabVIEW的數字濾波器測試系統，可實現低通、高通、帶通、帶阻等濾波器的基本功能，并且可以對數據進行存儲和打印。

LabVIEW軟件是由美國儀器公司（NI）開發的面向對象的可視化編程語言，具有開放的源代碼和各種設備的驅動[1-3]。不僅如此，LabVIEW軟件具有人機交互界面好、開發方便、可移植性好和便于二次開發的優點。由于LabVIEW軟件是圖形化的編程語言，對編程人員的水平要求不高，與C語言、C++、C#以及JAVA等編程語言相比，LabVIEW軟件編程更容易入門，開發周期短，所以LabVIEW軟件深受實驗室人員、硬件工程師以及生產線的各種工藝人員的喜愛[4-6]。

1 數字濾波器設計內容

數字濾波器是通過對離散信號進行處理從而改變信號頻譜的工具，是數字信號處理必不可少的工具之一。所以，本文利用虛擬儀器設計一種基于LabVIEW的虛擬數字濾波器，具體實現方式是通過對含有多種頻率的信號進行數據處理，采用低通、高通、帶通、帶阻等濾波器，提取需要的信號進行相關處理。信號生成模塊通過虛擬信號發生器生成不同頻率的信號，然后利用頻譜測量模塊對原始信號的頻率進行測量并顯示，再把原始信號的波形與頻譜信息和經過濾波后的信號進行對比分析和圖形顯示，而后通過數據存儲及打印模塊實現數據存儲和打印功能，具體設計框圖如圖1所示。

1.1 信號生成模塊

信號生成模塊的路徑為：程序面板→數選板→信號處理→波形生成→仿真任意信號。

信號生成模塊采用虛擬信號發生器VI生成包含多種頻率的波形，通過信號疊加生成含有不同頻率的波形。此模塊可以生成正弦波、方波、三角波和矩形波等，并且可以調整相應的參數，如幅值、頻率、相位和偏移量等，還可以根據需求添加相應的噪聲信號，如均勻白噪聲、高斯白噪聲等。

1.2 頻譜測量模塊

頻譜測量模塊的路徑為：程序面板→函數選板→信號分析→波形測量→頻譜測量。

頻譜測量模塊可以通過配置面板選擇相應的測量量，如幅度、功率譜、功率譜密度，并且可以選擇測試結果為線性或DB。除此之外，通過配置選板可以設置函數窗的類型。

1.3 濾波器模塊

濾波器模塊的路徑為：程序面板→函數選板→信號處理→濾波器→FIR加窗濾波器。

1.4 顯示模塊

顯示模塊的路徑為：前面板→控件→新式→圖形→波形圖。

顯示模塊可以把抽象信息直觀地表示出來，可以根據需要調節相應的標簽與線性粗細、顏色，使設計界面更加美觀。此模塊主要完成仿真信號波形顯示以及頻譜顯示。

1.5 數據存儲和打印模塊

數據存儲和打印模塊的路徑為：程序面板→函數選板→報表生成→打印報表→保存報表。

數據存儲和打印模塊可以實現對數字信號的存儲和打印，LabVIEW軟件自帶報表生成函數，可以設置保存文件的格式路徑等。

2 軟件設計

首先對各參數進行初始化設置（如信號類型、頻率、幅值、采樣間隔等），根據設定的參數，利用仿真信號VI生成具有多種頻率的信號，然后選擇濾波器類型（如低通、高通、帶通、帶阻等），并根據濾波器類型不同，調節相應的低頻截止頻率和高頻截止頻率，最后對濾波后的信號通過頻譜測量模塊進行數據分析并通過波形圖顯示出來，而后根據需要對處理后的數據進行存儲和打印[7，8]。具體程序框圖如圖2所示。

由于涉及內容包含原始信號與濾波后信號的波形與頻率的顯示，為了方便對比，在設計前面板的過程中采用四個波形圖控件分別實現。其中，圖一為包含多種頻率的原始信號波形，圖二為原始信號的幅頻特性圖，圖三為濾波后信號的波形圖，圖四為濾波后信號的幅頻特性圖。為方便測試，前面板設置相應的信號特性調節控件，通過下拉列表控件可以調節相應的波形頻率和信號類型。濾波器類型選擇控件，可以調節濾波器類型與截止頻率。除此之外，為了方便數據的存儲和打印，前面板也設置了相應的按鈕，具體前面板實現如圖3所示。

3 調試及結果

本設計用兩個仿真信號模塊生成不同頻率、幅值的正弦波，通過疊加生成含有兩個頻率的波形，通過調節相應的按鈕可以調節波形的頻率。為了測試濾波器對信號的作用，設置原始信號為兩個正弦信號的疊加。

具體參數如下：信號1幅值為80，頻率為50Hz，采樣頻率為10 000Hz;信號2幅值為80，頻率為500Hz，采樣頻率為10 000Hz，測試采用低通濾波器。通過設置低通濾波器的低截止頻率，人們可以進一步驗證低通濾波器的功能。分別設置低截止頻率為60Hz和600Hz，具體測試結果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，對于含有50Hz和500Hz的正弦波原始信號，通過調節低通濾波器的截止頻率，濾波后的信號允許低于截止頻率的信號通過，阻斷高于截止頻率的信號;當低通濾波器截止頻率均低于原始信號的兩個頻率時，低通濾波器對頻率高的信號阻斷能力更強，并且隨著截止頻率的增加，阻斷能力減弱;當低通濾波器的戒指頻率均高于原始信號的頻率時，隨著截止頻率的增加，原始信號與濾波后的信號幾乎不受影響。

4 結論

本文介紹了數字濾波器的基本原理，通過LabVIEW軟件設計的數字濾波器測試平臺，可以直接調節信號的參數以及各濾波器的參數，除此之外，還可以進行數據的存儲和打印，方便分析數據。虛擬濾波器與傳統濾波器相比具有操作方便、結果直觀、運行可靠、響應速度快、開發周期短等特點。測試結果證明了虛擬數字濾波器設計的可行性，為數字信號的分析和處理提供了一種可行方案。

參考文獻：

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