数字滤波器的软件设计流程

系统程序各占用一个线程。前面板是用户接口，即交互式界面，用于用户向程序中输入各种控制参数和观察输出量。在前面板中，使用了各种仿真图标，如开关、旋钮等，并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板。通过信号经过巴特沃斯和切比雪夫带通滤波器以后的波形和信号经过贝塞尔和椭圆带通滤波器以后的波形。

程序包含有两个模块，即两个case结构：一个用来实现频率响应测试；另一个用来模拟从混有高频噪声的信号数据中提取正弦波。由于滤波器对信号的分析要求循环进行，而整个过程都希望是人为控制的，因此框图程序里需要一个While循环结构。

模块一：频率响应测试模块。频率响应测试时采用冲激函数做激励信号，通过函数子模板中调用来实现，并且需要对冲激函数的采样数、幅值和延时3个参数进行设置。用Transfer函数计算出系统输出与输入的傅立叶变换之比，从而得到系统的频率响应函数。在本设计系统中，共包含有4种类型滤波器，分别为：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、椭圆滤波器。通过在模块中调用相应的函数子模板来实现，并且对滤波器的阶次、类型、低（高）端截止频率、通带波纹等各项参数进行设置，为了验证所设计的系统对滤波器频率响应特性分析的效果，将开关设置为开的状态。如果由于四种滤波器的波形全部在一个波形测量节点显示会影响观测效果，所以在程序设计时，将滤波器的波形分成两组输出。

图2 模块一程序图

在LabVIEW中利用transferfunction.vi来计算两个滤波器的频率响应函数。

模块二：使用低通滤波器提取正弦波模块。通常微机应用系统的输入信号中会不可避免地受到各种噪声的干扰，可以采用数字滤波方法对其予以削弱或滤除。本模块输入信号为一个正弦波，并加入一个白噪声来模拟信号传输中的干扰信号。在设计过程中，使用巴特沃斯低通滤波器滤除噪声分量，从而达到提取正弦波的目的。该模块程序中共有两个巴特沃斯滤波器。首先调用SinePatternvi子程序和UniformWhiteNoisevi子程序产生一个正弦波和均匀分布的白噪声（用来模拟实际混入的干扰信号），干扰信号通过一个巴特沃斯高通滤波器，生成一个高频噪声并与正弦信号叠加，用来模拟含有噪声的采样序列，该信号再经过一个巴特沃斯低通滤波器，进而实现正弦波提取。

图3 模块二程序图

通过仿真实验可以证实，当滤波器的阶次较高时，系统的频率响应速度越快，阶次越高就越接近理想特性。本例选用巴特沃斯滤波器，它拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外，频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零。巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应，缺点是通带与阻带之间过渡缓慢。相比之下，切比雪夫滤波器的幅度特性在通带中具有这种等波纹特性，并且阶次越高等波纹也相应增加，同时阻带内衰减也相应增加。基于LabVIEW的数字滤波器设计，使得滤波后噪声得到了有效抑制，滤波效果良好。
 

4 FIR数字滤波器

FIR数字滤波器设计原理：FIR滤波器就是用-表示的多项式，使其在单位圆上的特性逼近要求的频率特性。FIR滤波器的设计任务就是给定要求的频率特性，按照一定的最佳逼近准则，选取多项式系数h（n），即滤波器的单位抽样响应及阶数N,使得频率特性满足设计要求。通常FIR滤波器设计有三种方法：窗函数加权法、频率采样设计和切比雪夫等波纹逼近法。这里通过窗函数加权法来设计。

图4 程序框图

本设计采用窗函数法，利用前面板用于设置输入数值和观察输出量，来模拟真实滤波器的前面板。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟滤波器控制软件的核心。实际中的待测信号可以由数据采集卡实时采集滤波，也可以由数据采集卡采集后保存为LabVIEW所能够识别的文件形式，之后再由LabVIEW进行分析滤波。在这里用基本的信号（正弦波，余弦波，方波）来模拟原始信号。程序采用窗函数法的计算流程，将窗函数与需要滤波的信号进行卷积实现信号的滤波。

图5 程序框图

使用者可对原始信号，噪声信号和滤波器参数进行设置。原始信号的波形图，滤波的结果都可得到实时显示。这样，在程序成功的运行后就可以从显示区得到结果，使结果更为直观地反映出来。

5 结论

数字滤波器可以通过编程实现各种不同系统，满足不同的需要，也可以随时改动系数，调整滤波器参数，选择最佳方案。使用LabVIEW软件平台开发电气参数测量仪等虚拟仪器，实现了更高的效率，节省了更多的硬件开销，方便了系统的维护和减轻了仪器更新的负