基于LabVIEW的IIR数字滤波器性能分析

湖北理工学院电气与电子信息工程学院 桂静宜

基于LabVIEW的IIR数字滤波器性能分析

湖北理工学院电气与电子信息工程学院 桂静宜

详细介绍了基于LabVIEW的IIR数字滤波器设计原理和开发过程。该滤波系统不仅可以通过前面板方便地调整滤波器的种类和类型，而且还可以根据实际需求灵活地调整滤波参数，显示设计结果。最后以占空比可调的矩形波信号等为例，分析滤波前后信号的时域波形和频谱图。仿真结果表明，所设计的系统性能与IIR滤波器理论吻合、滤波效果良好、开发效率高。

虚拟仪器；无限冲激响应；数字滤波器；前面板；程序框图

1 引言

数字滤波器因其具有精度高、可靠性好、灵活性大、容易获得高性能指标等优点[1],在工程上应用非常广泛。根据单位脉冲响应的时域特点,数字滤波器分为无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器。IIR滤波器可以借助模拟滤波器的设计成果、对设计工具的要求不高,主要用于具有片断常数特性的通带滤波器的设计。其主要的缺点是不容易实现线性相位,在同样技术指标的前提下,IIR滤波器设计成本低。所以在对线性相位要求不高的语音通讯、语音处理等领域一般会选择IIR滤波器进行设计和应用。

但是,传统的应用Matlab文本文件实现的数字滤波器在使用中与硬件接口程序复杂、滤波系数调整困难,不能方便地构成系统来测试滤波器在工程应用中的性能[2]。应用开放式的LabVIEW软件,设计交互式应用界面可以很好地解决这些问题。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。利用其模块化和层次递归的编程方法,可以方便地构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统[3],它在功能的完整性和应用的灵活性上也不逊于任何高级语言。随着LabVIEW信号处理工具箱的不断完善,不仅使数字滤波器的设计最优化,而且比应用文本文件实现的滤波器使用方便。

2 IIR滤波器的频率响应特性

IIR滤波器一般可以用线性常系数差分方程来描述:

滤波器频率响应是描述滤波器动态特性的重要参数,它与系统函数的关系是:

3 基于LabVIEW的IIR数字滤波器设计

3.1 前面板设计

LabVIEW程序由前面板和程序框图两个部分组成。按照图1构建IIR滤波性能测试系统,可以很方便地修改滤波器的种类、类型等参数,还可以显示设计出的滤波器的幅频特性和相频特性曲线。图1的文本中滤波器的种类有Butterworth、Chebyshev、Ellipse、Bessel等;滤波器的类型有Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop四种类型[4];还可以设置通带和阻带的边界频率、通带的最大波动、阻带的最小衰减、滤波器的阶次。其中通带的最大波动和阻带的最小衰减都是以分贝为单位;滤波器阶次为正整数,阶次的变动对过渡带和通(阻)带的特性都有影响。在前面板滤波器的指标调整中使用了簇输入,在前面板上选择“查看”→“控制选板”→“新式”→“数组、矩阵┉”→“簇”,用鼠标拖拽到前面板合适的位置,放置一个大小合适的簇方框,再按规定的顺序放置簇中的控件。整个虚拟面板简洁、美观。

图1 llR滤波器测试系统的前面板

图5 方波信号通过系统

图2 llR滤波器测试系统的程序框图

3.2 程序框图设计

图2是IIR滤波器测试系统的程序框图。主程序是一个while循环结构,循环内部的基本函数发生器可以产生正弦波、三角波、方波、锯齿波,信号的幅度、频率、方波的占空比都可进行设置;在程序框图中选择“查看”→“函数面板”→“信号处理”→“波形调理”→“数字IIR波器”得到规范的IIR数字滤波器,它除了时域“信号输入”和“信号输出”端外,还有“IIR滤波器规范”等输入端,其中“IIR滤波器规范”(即滤波器指标调整)使用了簇输入。“数字IIR波器”还有一个“滤波器信息”端,这个输出端就是滤波器的幅频特性与相频特性参数输出端。通过“选择”→“查看”→“编程”→“簇与变体”→“按名称解除捆绑”,可以将“滤波器信息”分解成幅频与相频参数,接入显示器即可显示幅频特性与相频特性。在程序框图窗口菜单上选择“查看”→“函数选板”→“信号处理”→“谱分析”→“幅度谱和相位谱”,放置进行信号幅度谱处理的方框图,这样在波形图中除了显示信号的时域波形外,也能显示信号的频谱图。

4 IIR滤波器的性能分析

4.1 llR滤波器的性能测试

为了分析所设计的IIR滤波系统的性能,这里以通带最大波动为1dB、阻带最小衰减为60dB、通带截止频率为150Hz的Butterworth低通滤波器为例,当滤波器的阶次时所设计的滤波器的幅频特性如图3所示。从图3中可以看出,随着系统阶次的提高,系统的响应速度加快,过渡带的宽度越来越窄,越接近于理想的低通特性[5]。

图3 时，Butterworth低通滤波器的幅度特性

图4 8阶Butterworth和Chebyshev l型滤波器的幅度特性

4.2 正弦信号通过系统

为了验证系统的性能特性,可以在滤波器前加入一个输入信号,观察输出信号。图1中设置滤波器是Butterworth带通滤波器,其通带截止频率分别是150、300Hz,通带的最大衰减是1dB,阻带的最小衰减是50dB,滤波器的阶次是6阶,输入一个频率为200Hz、幅值为1V的正弦波信号,可以很容易观察到信号可以无失真地通过系统。

4.3 方波信号通过系统

如图5所示,为了测试系统的性能,让幅值为1V、频率为10Hz、占空比为50%的方波信号通过通带截止频率为200和300Hz、通带最大波动为1dB、阻带最小衰减为60dB的8阶的Butterworth带通滤波器,可以很清楚地看出方波中在滤波器通带范围内的频率成分可以通过系统,而在此范围外的频率成分能被有效地屏蔽。而且滤波器的阶次越高,屏蔽的效果越好。

5 结论

基于LabVIEW实现的IIR数字滤波器比应用文本编程语言的开发效率高。它既可在LabVIEW下运行,也可以被编译成独立的可执行文件。LabVIEW采用高速并行编译方式,信号处理的实时性也是一般文本语言所不能及的。由于LabVIEW采用图形化语言编程,程序的界面友好、编程效率高、方便进行功能扩展,在测控领域、信号处理领域都得到了广泛的应用。本程序虽然集成了几种典型的IIR滤波器,但在进行大型的虚拟仪器系统设计时,可以将其作为子程序与其他典型的数字滤波器集成一起可以提供多种选择的复合类型的数字滤波器,以适用工程实际的各种需求[6]。

［1］程佩青.数字信号处理教程(第四版)［M］.北京:清华大学出版社,2013.

［2］王丽坤等.基于LabVIEW平台的IIR数字滤波器设计［J］.哈尔滨理工大学学报,2003,8(6):47-50.

［3］Jeffrey Travis,Jim Kring著,乔瑞萍等译.LabVIEW大学实用教程(第三版)［M］.北京:电子工业出版社,2008.

［4］岳洪伟.基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验平台实现［J］.实验技术与管理,2011,28(8):70-72.

［5］邹玲,郭彪,楚思红.基于LabVIEW的IIR数字滤波器的设计［J］.湖北工业大学学报,2011,26(3):83-84.

［6］周伟林,杨华勇,李清峰.基于LabVIEW的数字滤波器的设计［J］.微计算机信息,2006,22(5-1):163-164.

桂静宜（1967—），女，湖北蕲春人，大学本科，讲师，主要从事电子技术和信号处理等方面的教学、科研工作。