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數字濾波器的軟件設計_圖文

山西電子技術 2011年第 3期
文章編號: 1674 4578( 2011) 03 0069 03

軟件技術

數字濾波器的軟件設計
錢 超, 王福明, 張霄霞, 羅亞萍
( 中北大學信息與通信工程學院, 山西 太原 030051)
摘 要: 當前我們正處于數字化時代, 數字信號處理 技術受 到了人 們的廣泛 關注。數 字濾波器 是數字 信號處 理中最 重要的組成 部分之一, 幾乎 出現在所有 的數字信 號處理系統 中。本設計所 采用的 L abV IEW 軟 件是一種基 于圖形化編程語言的開發環境, 它為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、 輕松的設計環境。所以 , 本文 選取 LabV I EW 作為設計數字濾波器的 軟件。 關鍵詞: 數字信號處理; 數字濾波器; 虛擬儀器; L abV I EW 中圖分類號: TP273 文獻標識碼: A 即可, 不需要進行復雜的 函數設計和大量的運算。不同濾波 器 V I濾波時均有各自的特點, 因此它們用途各異 [ 3] 。

0 引言
當今, 數字濾波器技術 正飛速 發展, 它不 但自 成一門 學 科; 更是以不同形式影響 和滲透 到其它 學科, 它與 國民經 濟 息息相關, 與國防建設緊 密相連; 它影 響或改 變著 我們的 生 產、 生活方式, 因此受到人們普 遍的關注。 數字化、 智能化 和網 絡 化是 當代 信 息技 術發 展 的大 趨 勢, 而數字化是智能化和 網絡化 的基礎, 實際 生活 中遇到 的 信號多種多樣, 例如廣 播信號、 電視 信號 等等。上 述這些 信 號大部分是模擬信號 , 也有小部分是數字信號。模擬信 號是 自變量的連續函數, 自變 量可以 是一維 的, 也 可以 是二維 或 多維的。數字濾波器技術是數 字信號分析、 處理技術的 重要 分支。無論是信號的 獲取、 傳輸, 還是 信號的 處理 和交換 都 離不開濾波技術, 它對信號安全可靠和有效靈活地傳輸 是至 關重要的。在所有的電子系統 中, 使用最多最復雜的要 算數 字濾波器了 [ 1] 。

2 濾波器的選擇方法
在利用 LabV I EW 實現濾波 功能 時, 選擇 合適 的濾 波器 是關鍵, 在選擇濾波器時 , 可參照不同濾波器的特點, 考慮濾 波的實際要求來選擇 合適的濾 波器。各 種濾波 器的 特點及 選擇濾波器的步驟如圖 1[ 4] :

1 數字濾波器的設計原理
數字濾波器根據其沖擊響 應函數的時域特征, 可分 為兩 種, 即無 限 長 沖 擊 響 應 ( II ) 濾 波 器 和 有 限 長 沖 擊 響 應 R ( F I )濾波器。 IIR 濾 波器 的特征 是, 具有 無限 持續 時間 沖 R 擊響應。這種濾波器一般需要 用遞歸模型來實現, 因而 有時 也稱之為遞歸 濾波 器。 F IR 濾 波器的 沖擊 響應 只能 延續 一 段時間, 在工程實際中可 以采用 遞歸的 方式實 現, 也可以 采 用非遞歸的方式實現 。數字濾 波器的設計方法有多種, 如雙 線性變換法、 窗函數設計法和切比雪夫逼近法等等
[ 2]

圖 1 流程圖

3

II 數字濾波器 R
IIR 數字濾波器 設計 原理: II 數 字濾 波器 是 通過 因果 R



穩定的 H a ( s) 映射成因果穩 定的 H ( z ), 即 s 平面的 左半平 面必須映射到 z 平面單位圓的 內部 [ 5] 。H ( z ) 的頻率 響應能 模仿 H a ( s) 的頻率響應, 即 s 平面的虛軸必須映射到 z 平面 的單位圓上。變換前后的 濾波器 在時域 或頻域 的主 要特征 (頻率響應或單位沖激響應 等 )應 盡可能 相同或 接近。將傳 輸函數 H a ( s) 從 s平面轉換到 z 平面的方法有多種, 主要有 沖激不變法和雙線性變換法。

隨著 L abV IEW 軟件, 尤其 是 LabV I EW 的信 號處理 工作 箱的不斷完 善, 不僅 數字 濾波 器的 計算 機輔 助設 計 有了 可 能, 而且還可以使設計達到最優化, 而使用 L abV IEW 設 計的 濾波器不僅設計簡單, 而且使用起來要比利用文本文件 實現 的濾波器方 便得 多。 LabV I EW 為 設計 者提 供了 F I 和 II R R 濾波器 V I 使用起來非常方便, 只需要輸 入相應 的指標 參數 ,

收稿日期: 2011- 03- 14 修回日期: 2011- 04- 23 作者簡介: 錢超 ( 1986 ), 女, 山西大同人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 信號與信息處理。

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西









2011年

如果不考慮混疊現象, 利用沖擊不變法實現的數字 濾波 器會很好地重現原 模擬濾 波器的 頻率特 性。而且 數字濾 波 器的單位脈沖響應完全模仿模 擬濾波器的單位沖激響應, 時 域特性逼近 好。在 本設 計中, 用 沖激 函 數作 為系 統 激勵 信 號, 用各種數字濾波器作為測試系統。沖激函數具有無 限寬 廣的頻譜, 用沖激函數做激勵信號相當于對測試系統輸 入所 有頻率的信號, 系統必然有 對應的 輸出。用 T ransfer函 數計 算出系統輸出與輸入的傅立葉 變換之比, 從而得到系統 的頻 率響應函數。 LabV IEW 程序由兩部分組成: 前 面板程 序和框 圖程序。 整個程序基于多線程設計, 即前面板和系統程序各占用 一個 線程 [ 6] 。前面板是用戶 接口, 即交互 式界面, 用于 用戶向 程 序中輸入各種控制參 數和觀察輸出量。在前面板中, 使 用了 各種仿真圖標, 如開關、 旋鈕等 , 并以數字或實時趨勢圖 等各 種形式的輸出測試 結果來 模擬真 實儀器 的面板。 通過信 號 經過巴特沃斯和切比 雪夫帶 通濾波 器以后 的波形 和信號 經 過貝塞爾和橢圓帶通 濾波器以后的波形。 程序包含有兩個模塊, 即兩 個 case結構: 一 個用來 實現 頻率響應測試; 另一個用來模擬從混有高頻噪聲的信號 數據

中提取正弦波。由于濾波器對信號的分析要求循環進 行, 而 整個過程都希 望是 人為 控制 的, 因此 框圖 程序 里 需要 一個 W h ile循環結構。 模塊一: 頻率響應測 試模塊。頻率響應測試時采用沖激 函數做激勵信號, 通 過函數 子模板中 調用來 實現, 并 且需要 對沖激函數的 采樣 數、 幅值 和 延時 3個 參 數進 行設 置。用 T ransfer函數計算出系統輸 出與 輸入的 傅立 葉變 換之比, 從 而得到系統的頻率響應函數。在本 設計系統 中, 共包含有 4 種類型濾波器, 分別 為: 巴 特沃斯 濾波 器、 比雪 夫濾波 器、 切 貝塞爾濾波器、 橢圓濾波 器 [ 7] 。通過在模塊中調用相應 的函 數子模板來實現, 并且 對濾 波器 的階 次、 類型、 ( 高 ) 端截 低 止頻率、 通帶波紋等 各項參 數進行設 置, 為了驗 證所 設計的 系統對濾 波 器 頻 率 響 應 特 性 分 析 的 效 果, 將 開 關 設 置 為 開 的狀態。如果由于四種濾波器 的波形全 部在一 個波形 測量節點顯示會影響觀 測效果, 所以 在程序 設計 時, 將濾波 器的波形分成兩組輸出。 在 L abV I EW 中 利用 transfer func tion v i來計 算兩 個濾 . 波器的頻率響應函數。

圖 2 模塊一程序圖

模塊二: 使用低通濾波器提取正 弦波模塊。通 常微機應 用系統的輸入信號中會不可避 免地受到各種 噪聲的干 擾, 可 以采用數字濾波 方法 對其 予以削 弱或 濾除。本 模塊輸 入信 號為一個正弦波, 并加入一個白噪聲來 模擬信號傳 輸中的干 擾信號。在設計過程中, 使用巴特沃斯 低通濾波器 濾除噪聲 分量, 從而達到提取正弦波的目的。該 模塊程序中 共有兩個

巴特沃斯濾 波器 [ 8] 。首先 調用 S inePa ttern v i子 程序 和 U n i for W hiteN o ise vi子程 序產 生一 個正 弦波 和均 勻 分布 的白 m 噪聲 ( 用來模擬實際混入的干擾信號 ), 干擾信號通過一個巴 特沃斯高通濾 波器, 生成 一個高 頻噪 聲并與 正弦 信號疊 加, 用來模擬含有 噪聲的采樣序列, 該信號 再經過一個 巴特沃斯 低通濾波器, 進而實現正弦波提取。

圖 3 模塊二程序圖

第 3期

錢超, 等: 數字濾波器的軟件設計

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通過仿真實 驗可以 證實, 當 濾波器 的階 次較高 時, 系統 的頻率響應速度越快, 階次越高就越 接近理想特 性。本例選 用巴特沃斯濾波 器, 它擁有 最平 滑的頻 率響 應, 在截斷 頻率 以外, 頻率響應單 調下 降。在通 帶中是 理想 的單位 響應, 在 阻帶中響應為零。 巴特 沃斯濾 波器 的優點 是具 有平滑 的單

調遞減的頻率響應, 缺點是通帶與阻 帶之間過 渡緩慢。相比 之下, 切比雪夫濾波器的幅度特性在通 帶中具有這 種等波紋 特性, 并且階次越高 等波紋 也相 應增加 , 同 時阻 帶內 衰減也 相應增加。基 于 L abV IEW 的數 字濾 波器 設計, 使 得濾 波后 噪聲得到了有 效抑制, 濾波效果良好 [ 9] 。

圖 4 程序框圖

4

F I 數字濾波器 R
F I 數字 濾波器設計 原理: F IR 濾波器 就是用 H R

觀察輸出量, 來模擬真實濾波器的前 面板。由于虛 擬面板直 接面向用戶, 是虛擬濾波器控制軟件 的核心。實際 中的待測

(z) =

信號可以由數據采集卡 實時采集濾波, 也可以由數 據采集卡 采集后保存為 LabV I EW 所 能夠 識別 的文 件形 式, 之后 再由 LabV IEW 進行分析濾波。在這 里用基 本的信 號 ( 正弦波, 余 弦波, 方波 )來模擬 原始信 號。程序 采用窗 函數 法的 計算流 程, 將窗函數與需要 濾波 的信號 進行 卷積實 現信 號的濾 波。 使用者可對原始信號, 噪聲信號和濾 波器參數 進行設置。原 始信號的波形 圖, 濾波 的結果 都可 得到實 時顯 示。這樣, 在 程序成功的運行后就可 以從顯示區得到結果 , 使結 果更為直 觀地反映出來 。

-n h ( n ) z 表示的多項式, 使其在 單位圓上 的特性 逼近要

求的頻率特 性。 F I 濾波 器的 設計 任務 就是 給定 要求 的頻 R 率特性, 按照一定 的最 佳逼近 準則, 選取 多項 式系 數 h ( n ), 即濾波器的單位抽樣 響應及階數 N, 使得頻 率特性滿 足設計 要求。通常 F I 濾波器 設計 有三種 方法: 窗函 數加 權法、 R 頻 率采樣設計和切 比雪 夫等 波紋逼 近法。這 里通 過窗函 數加 權法來設計。 本設計采用窗函 數法, 利用前面板 用于設置輸 入數值和

圖 5 程序框圖

(下轉第 89頁 )

第 3期

喬維維, 等: 圖像分割技術用于印刷電路板檢測的研究

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多閾值分割很好地將圖像的前 景和背景分離開了, 較完 整地 提取出了需要檢測的 PCB 線路, 如圖 6。 實驗結果表明, 閾 值化 分割 不僅 可以 提高 PCB 圖像 分 割的快速性和穩定 性, 而 且分割 效果明 顯, 其 中的 多閾值 分 割方法效果最好。最 后, 文 中提出 的方法 還有 很多 不足, 比 如對于不同的 PCB 板可能使用多閾值 分割時的 分塊數 需要 做不同調整才能達 到理想 效果, 因此此 方法的 通用 性不強。 希望各位讀者能從本文得到一 些啟示, 提出更有效的分 割算 法。 參考文獻 [ 1] 藍 章禮, 李益 才, 李 艾 星. 數 字圖 像 處理 與 圖像 通 信 [M ]. 北京: 清華大學出版社, 2009.

[ 2] [ 3] [ 4] [ 5]

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[ 6]

Research on Im age Segm entation Technology U sed in D etection of P rinted C ircuit Board
Q iao W e iw e,i Q in X iao w en, Y ang Feng ( Colleg e of Information and C o unica tions Eng ineering, N or th University of China, T aiyuan Shanx i 030051, China ) mm Abstrac t T he i age segm enta tion plays an i portant ro le in the field of i age analysis i age recognition and i ag e detection. It : m m m , m m is a v ita l step from i age pro cessing to i age analysis T he qua lity o f i age segm entation w ill directly affect the resu lt of i age ana ly m m . m m sis. In th is paper it studies on the i ag e segm enta tion in the process o f detection on pr inted c ircuit board( PCB ). Th reshold segm enta , m tion techno logy has the advantag es o f h igh ca lcu la ting e fficiency and si ple computation, wh ich fits perfec tly on the de ands o f rap id ity m m and stability of detection on PCB, so the a rtic le in troduces four k inds o f thresho ld segm enta tion techno log ies and respective ly applies , them on the concrete PCB i ag e by a so ftw are then it m akes comparison and br ie f ana lys is on the ir segm entation results m , . K ey word s i age segmentation; PCB; thresho ld segm enta tion m ulti thresho ld segm enta tion techno logy : m ; ( 上接第 71頁 ) [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 周偉林, 楊華勇, 李清峰. 基于 L abV IEW 的數字濾波器 的設計 [ J]. 微計算機信息, 2006( 13): 163~ 164. 榮雅君, 劉琳, 賈艷, 等. 基于 L abV I EW 的 IIR 數字濾 波 器的設計 [ J]. 微計算機信息, 2008 24( 6): 95- 97 , . 程佩青. 數字信號 處理教程 [M ]. 北京: 清華大 學出版 社, 2001. 張愛平. L abV IEW 入門與虛擬儀 器 [M ]. 北京: 電子工 業出版社, 2004. 侯國 屏. L abV IEW 7. 1 編程 與 虛 擬儀 器 設計 [ M ]. 北 京: 清華大學出版 社, 2005 . 閻毅, 黃 聯芬. 數 字信 號處 理 [ M ] . 北京: 北 京大 學出 版社, 2006. 丁碩, 基于 LabV I EW 的 虛擬 數字 濾波 器的 設計 [ J]. 鞍山師范學院學報, 2008( 2): 46- 50.

5 結論
數字濾波器可以通過編程 實現各種不同系統, 滿足 不同 的需要, 也可以隨時改動系數, 調整濾波器參數, 選擇最 佳方 案。使用 L abV IEW 軟件平臺開發電氣參數 測量儀等虛 擬儀 器, 實現了更高的效率, 節省了 更多的硬件開銷, 方便了 系統 的維護和減輕了儀 器更新 的負擔。使 用虛擬 儀器 逐步代 替 傳統儀器已經成為 測試領 域發展 的趨勢。但 是在 實際應 用 中, 仍要根據具體情況進 行程序 的優化 和軟硬 件的 結合, 使 虛擬儀器發揮更高的 性能。 參考文獻 [ 1] 鄧重 一, 濾波器 的過 去、 現在與 未來 [ J]. 世界 電子 元 器件, 2003 13( 4) : 48- 49. , [ 2] 丁玉美, 高 西全. 數 字信 號處 理 [ M ] . 西安: 西 安電 子 科技大學出版 社, 2001 .

Software D esign of D igital F ilter
Q ian Chao W ang Fu m ing Zhang X iao x ia Luo Y a ping , , , ( School of Information and C o unica tion Eng ineer ing, N orth University of China, T aiyaun Shanx i 030051, China ) mm Abstrac t N ow adays it is the d ig ita l ti e the techno logy o f d ig ita l signal process are pa id ex tensive attention by peop le D ig ita l : m, . filter is one o f the most i portant parts o f d ig ita l s igna l process wh ich al ost appears in a ll d ig ita l signa l pro cess syste T he so ftw are m , m m. used in th is paper is L abV IEW. It is a kind o f soft are based on graphic language It prov ides a conven ient and re laxed designing env i w . ronm en t for the V I des igne r It is one o f the most w ide ly used so ftwa re So th is paper chooses LabV IEW as designing softw are . . . K ey word s d ig ita l signa l process; d ig ita l filter v irtual Instrum ent L abV IEW : ; ;


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