利用虚拟仪器进行数字信号处理设计

简化DSP设计的参数选择

　　以数字滤波器设计为例，它是用NI LabVIEW和数字滤波器设计工具包进行开发与实现的。在这个应用和其他应用中，虚拟仪器方法的一个优点是提供了交互性--可以直接看到制定修改设计参数的结果。

　　数字滤波器设计首先要为滤波器类型(低通、带通、带阻和高通)定义滤波器规范，确定是有限脉冲响应(FIR)或是无限脉冲响应(IIR)，确定采样速率以及浮点机器上所需的滤波器响应。图1给出了用于设计典型滤波器的交互式界面，例如巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫、椭圆、凯塞窗、多尔夫-切比雪夫窗以及等波纹FIR设计方法。图1所示的设计是8 kHz采样速率、1 kHz带通、2 kHz带阻、60 dB带阻衰减的低通数字滤波器。在设计这些参数的时候，可以立刻看到当前设计的幅度响应和零极点图，以及产生滤波器的阶数。在图1中，选择了反切比雪夫滤波器因为它具有较好的过度带特性和相对较低的滤波器阶数。

图1 典型滤波器设计Express VI提供了用于交互式设计探索的界面，可以使用教科书中的巴特沃斯、切比雪夫以及等波纹FIR等滤波器

　　基于虚拟仪器的信号处理设计所具有的另一个优点是图形化的编程方式，类似流程图式的图形化编程方式使得程序更加直观。同时，要尝试一个新的算法只需要替换成所需要的函数图标即可。例如，反切比雪夫滤波器设计可以方便地替换成雷米兹滤波器设计方法或是最小P阶规范设计方法。实际上，在表1中所列的一系列编程设计选择都可以用于设计中。雷米兹设计方法生成了FIR滤波器，可以将期望频率响应和实际设计滤波器频率响应之间的最大误差降到最小。这种设计规范产生的滤波器具有"等波纹"特性，即"切比雪夫"误差行为。雷米兹工具产生的滤波器设计适用于类型I-IV线性相位、任意形状FIR、最优幅度近似(最大或最小相位)、单点带规范(谷或峰)以及精确增益控制。最小P阶规范方法可以用于设计带有任意幅度和相位约束的FIR和IIR滤波器。使用数字滤波器设计工具包，最小P阶规范方法使用牛顿法或迭代重赋权最小二乘(IRLS)法开发解决方案。

　　　　表1 数字滤波器设计工具包提供了从传统应用到现代应用所需的程序化的滤波器设计工具套件

　　群延迟补偿器

　　在对定点滤波器进行设计和发布的过程中，有一种特性的重要性是不言而喻的，就是需要能够直接、交互式地查看设计结果。传统的通过文本软件定点实现的方法往往效率高、成本低，但是由于算法精度较低，其设计过程也更为复杂。

　　使用LabVIEW和数字滤波器设计工具包，定点数字滤波器设计过程首先是对浮点滤波器进行原型设计，并转换成定点设计。转换成定点设计会大大改变滤波器的特性和性能。实现了指定定长寄存器的整数字长、滤波器拓扑等其他参数，这些对于确保滤波器按照设计期望进行工作是十分关键的。对定点设计进行适当的仿真和分析可以避免之后在调试设计的时候，在千万行嵌入式系统代码中进行调试查找。集成在VI设计环境中的定点建模、仿真和分析工具简化了从浮点设计到定点设计之间的过渡。

　　另外一个使得定点数字滤波设计非常困难的原因是，参数量化、中间运算和结果向系统引入了噪声。此外，如果在数据存储中没有足够的空间，就会发生上溢出。LabVIEW数字滤波器设计工具包中的定点建模、仿真和分析功能能够在设计阶段找出实现的错误源头。例如，对于图1设计的低通滤波器进行定点实现。用户使用定点建模VI，就可以在多个设计方案中选择定点系统、指定字长、整数字长以及设计中关键位置的舍入和溢出模式。为了对最终实现进行进一步控制，还提供了超过23种不同的滤波器拓扑，从FIR直接形式1到IIR级联二阶部分(形式I或II、转置)，直至网格ARMA(基本、一个乘法器或归一化部分)。

　　图2展示了包含选择滤波器拓扑、定点设计工具以及用于定点和浮点设计仿真与分析的范例VI。这个VI提供了能够随着仿真运行对实现参数进行交互式修改的接口。首先，可以保持定点建模参数不变，使用默认的滤波器拓扑，使用正态分布的白噪声信号作为滤波器输入，测试滤波器在所有频率下的响应。图3给出了仿真结果。很明显，定点滤波器并没有给出与浮点仿真相同的结果，尽管设计的滤波器具有几乎相同的幅度、相位和零极点图。滤波器分析报告指出由于在乘法、加法、延迟中产生了上溢出和下溢出，因此得到的结果不够理想。利用在VI环境中给出的信息，用户可以对定点实现进行运行时修改，例如增加问题区域中的整数字长、尝试其他滤波器拓扑或是修改定点建模的其他属性。对于这个设计而言，提高乘法、加法和延迟的整数字长就可以得到希望的定点设计结果，如图4所示。