基于Labview的相關(guān)濾波器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

1 引言

    在目前的測試領(lǐng)域中，越來越廣泛地利用相關(guān)檢測的方法進(jìn)行濾波，利用相關(guān)濾波可以方便地從復(fù)雜的待測信號（包括有用信號、直流偏置、隨機(jī)噪聲和諧波頻率成分等）中分離出某一特定頻率的信號，在數(shù)字技術(shù)迅速發(fā)展以后，相關(guān)濾波也經(jīng)常利用A/D板對信號采樣后，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，成為數(shù)字濾波器的一種形式，本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)相關(guān)濾波的方法，這是相關(guān)分析在測試技術(shù)中的一個(gè)典型應(yīng)用。圖1所示為相關(guān)濾波器的典型框圖。

    Labview是美國國家儀器公司推出一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，在以PZ機(jī)為基礎(chǔ)的測量和工控軟件中，Labview的市場普及率僅次于C++/C語言，Labview開發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從流程圖式的編程，不需要預(yù)先編譯就存在語法檢測和調(diào)試過程使用的數(shù)據(jù)指針，到其豐富的函數(shù)、數(shù)值、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能，應(yīng)用Labview進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，效率高，操作簡單，并能對誤差精度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，把傳統(tǒng)儀器利用Labview用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)，開發(fā)周期短，易于維護(hù)和升級，可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)儀器所不能比擬的虛擬儀器，“軟件就是儀器”——這就是虛擬儀器技術(shù)的精髓。

2 虛擬相關(guān)濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 前面板的設(shè)計(jì)

    在Labview環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱為VI（Virtual Instrument）。VI是Labview的核心，有一個(gè)人機(jī)交互的界面——前面板，和相當(dāng)于源代碼功能的菜單框圖程序——后面板組成，前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量和顯示量兩類對象。在前面板中，控制量模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序，例如開關(guān)、旋鈕等，而顯示量則是模擬了儀器的輸入裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，例如用于顯示波形的窗口等。后面板又稱為代碼窗口或流程圖，是VI圖形化的源程序，在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出等功能，流程圖中包括前面板上沒有但編程必須有的對象，如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等^[2]。

    前面板如圖2所示，由以下幾個(gè)部分組成：參考信號的參數(shù)設(shè)置、待處理信號的參數(shù)設(shè)置、濾波結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示以及原始信號的波形圖和濾波結(jié)果的波形圖，可以設(shè)置參考信號的幅值和頻率，也可以對3路正弦信號設(shè)置頻率幅值和相位，程序成功運(yùn)行后就可以從濾波實(shí)時(shí)顯示區(qū)得到濾波結(jié)果的頻率幅值和初相位，同時(shí)在波形顯示區(qū)中也可以得到相應(yīng)的波形，使結(jié)果更為直觀地反映出來。

2.2 后面板的設(shè)計(jì)

    后面板如圖3所示，后面板中的控件與前面板中的控件相對應(yīng)，并且通過連線、添加程序以及加入各種信號等措施進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)自相關(guān)濾波的功能，同時(shí)通過在前面板設(shè)置各種不同的參數(shù)，成功地運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)所要求的目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，筆者又添加了激勵(lì)信號源、濾波器加法器和乘法器等各種運(yùn)算器，經(jīng)過運(yùn)行程序，測試結(jié)果顯示能夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)包含多種頻率成分的信號中提取出所需單一頻率信號的功能，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了濾波，由于這種濾波的思路是從相關(guān)函數(shù)的定義出發(fā)的，因此成為相關(guān)濾波器。

    在這里，筆者用仿真信號發(fā)生器來模擬待測的信號，在實(shí)際中這個(gè)待測信號通常由數(shù)據(jù)采集卡采集得到，輸入的待測信號為3路正弦信號的疊加，需要從中檢測出20Hz的信號，這個(gè)測試VI實(shí)現(xiàn)了相關(guān)濾波過程的動態(tài)顯示，使用了循環(huán)結(jié)構(gòu)。

3 改進(jìn)后的濾波器設(shè)計(jì)

    上述實(shí)現(xiàn)相關(guān)濾波的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步改進(jìn)，使程序更加簡單，改進(jìn)后的前面板如圖4所示，將多路信號集于一個(gè)圖中顯示，更加直觀，同時(shí)增加了粗調(diào)和細(xì)調(diào)旋鈕，顯得更加精確。改進(jìn)后的前面板結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)計(jì)也更加合理。

    改進(jìn)后的后面板如圖5所示，可以看到，濾波器用一個(gè)信號平均值測量VI代替了原來的濾波器VI，這是因?yàn)橄嚓P(guān)濾波中，濾波器的作用實(shí)際上就是求取測試信號的直流分量，因此這樣同樣可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)濾波，利用相關(guān)函數(shù)，可以識別并提取混淆在噪聲中的信號，即進(jìn)行相關(guān)濾波。

    在數(shù)字技術(shù)迅速發(fā)展以后，相關(guān)濾波經(jīng)常利用A/D板對信號采樣后在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，成為數(shù)字濾波的一種形式，而在Labview中實(shí)現(xiàn)相關(guān)濾波的方法，也是相關(guān)分析測試技術(shù)中的一個(gè)典型應(yīng)用。

4 結(jié)束語

    虛擬儀器已經(jīng)為越來越多的人所使用和接受，因?yàn)樘摂M儀器系統(tǒng)更快速簡捷和方便，也可以節(jié)省硬件資源。通過虛擬濾波器設(shè)計(jì)，可對虛擬儀器有更深的理解和領(lǐng)悟，也為以后進(jìn)行更進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)。