基于虚拟仪器的数字滤波器的实现

2012-01-26吉林工商学院信息工程分院

电子世界 2012年21期

吉林工商学院信息工程分院岳红

一、引言

滤波是信号处理中的一项基本而重要的技术。利用滤波技术可以从各种信号中提取出所要的信号，滤除不需要的干扰信号。而滤波器设计是信号的频域分析中的另一个重要的应用。滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器用来处理模拟信号或连续的信号，数字滤波器用来处理离散的数字信号。

二、数字滤波器的应用现状与发展趋势

在大多数信号处理过程中，处理的信号往往混有一些噪音，从接收到的信号中消除或减弱噪音在信号传输和处理中就显得十分重要。我们可以根据有用信号和噪音信号的不同特点，提取有用信号。在近代电子设备和各类自动控制系统中，数字滤波器应用极为广泛。例如数字电视、通信、雷达、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。依靠软件实现的数字滤波器与模拟滤波器或硬件实现的滤波器相比，有着灵活性强、可靠性高、稳定性好等突出特点，而且具有极低的成本优势，所以在许多数字信号处理领域有着广泛的应用，并且在逐步取代模拟滤波器。

图1 低通滤波器的程序框图

图2 低通滤波器前面板

三、虚拟数字滤波器的实现

数字滤波器可分为无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器两大类，两者划分的主要标准时系统函数对单位样值响应是否无限长。而IIR滤波器具有幅频特性较平坦的特点，FIR滤波器则可以做到严格的线性相移。我们可以用Labview软件来实现数字滤波器，因为它提供了数目众多的滤波函数，无论IIR滤波器还是FIR滤波器都可以实现，可传递的信号的数据类型也包括波形信号和数组信号，可灵活调用。Labview中与数字滤波器有关的函数在信号处理中的波形调理和滤波器中，而在函数选板信号处理的滤波器中有与数字滤波器相关的两个高级Vi库“高级IIR滤波”和“高级FIR滤波”，这两个Vi库中所含的滤波器设计和执行Vi含有一些更高级的功能选项，而且把滤波器的设计与执行分开了。这样可以预先进行滤波器的设计，然后将设计好的滤波器系数传递到循环结构中，在循环中只执行滤波功能，就可以免去设计部分的循环调用，从而提高程序的执行效率。下面我们创建一个低通滤波器，从含有高频噪声的信号中提取出正弦波信号。输入信号为一个正弦波，并加入一个白噪声，以模拟信号传输中的随机干扰信号，设计一个低通滤波器，以滤除信号中的噪声分量。首先在前面板上创建信号频率、采样、采样频率、输入信号和滤波后信号及其频谱等输入控件。然后创建程序框图。程序生成一个正弦波信号，同时由均匀白噪声VI生成一个噪声信号，使其通过一个高通滤波器（该滤波器的截止频率为100Hz，即滤掉频率小与100Hz的低频噪声），生成高频噪声并与正弦波叠加，用以模拟含有高频噪声的信号。将该信号通过一个低通滤波器后输出显示。程序框图设计如图1所示。

改变前面板上的滤波器的阶数，改变截止频率，可以观察滤波后的信号波形如图2所示。

用低通滤波器将100Hz的信号滤除，保留20Hz的信号。用IIR巴特沃斯滤波器，设置为低通类型。滤波后的波形跟叠加前的20Hz信号波形一致，即滤波效果比较理想，20Hz被完全保留，而100Hz被完全滤除。