基于LabVIEW虛擬濾波器去除噪聲VI設(shè)計

　　引言

　　在振動、聲學(xué)、地震、通訊、雷達(dá)、控制系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)工程等廣泛的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都對實際所觀察的信號提出了濾波和頻譜分析的要求。以數(shù)字形式對它們進(jìn)行處理的內(nèi)容，就構(gòu)成了數(shù)字信號處理的基本研究內(nèi)容。在虛擬儀器中濾波技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。從測試現(xiàn)場采集到的信號中包含有對數(shù)據(jù)處理有用的信號、無用信號和噪聲，濾波的目的是從信號中提取有用的信號。在虛擬儀器系統(tǒng)中，將信號采集到電腦中，通常還需要利用軟件完成復(fù)雜的分析和信號處理工作，LabVIEW 提供了大量的分析工具，成熟的算法，方便了軟件的開發(fā)?；诖吮疚脑赑C機(jī)LabVIEW軟件中模擬產(chǎn)生一個接近于實際信號的帶噪聲的信號，生成一個帶噪聲的信號發(fā)生裝置。選擇濾波速度較快的無限沖激響應(yīng)濾波器IIR，對虛擬濾波器去除噪聲進(jìn)行設(shè)計。

　　1、設(shè)計思路

　　在信號傳輸過程中，經(jīng)常會混入高頻噪聲，噪聲的能量甚至?xí)^信號能量。因此接收端收到信號后，通常首先要進(jìn)行低通濾波，然后才能對信號做進(jìn)一步處理。 設(shè)計的流程圖圖1所示：

　　2．虛擬濾波器去除噪聲VI設(shè)計原理

　　2.1 生成濾波器的自選信號

　　自選信號是信號發(fā)生器發(fā)出的信號加上噪聲信號來實現(xiàn)的。在信號發(fā)生器部分應(yīng)用Basic Function Generator.vi產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等標(biāo)準(zhǔn)信號，噪聲部分我使用了Uniform White Noise Waveform.vi生成均勻分布的偽隨機(jī)的白噪聲，然后一起相加生成自選信號。

圖1 虛擬濾波器去除噪聲VI流程圖

　　在本程序中，設(shè)定Fs(采樣頻率)和#s（采樣點數(shù)）均為1000，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理生成信號的頻率小于Fs／2，頻譜就不會失真，所以Basic Function  Generator.vi生成信號的頻率最好不要超過500Hz。但經(jīng)過試驗在LabVIEW中采樣頻率如果越接近Fs/2頻譜很容易失真。所以Basic Function Generator.vi生成信號的頻率一定要根據(jù)實際使用情況選擇。

　　噪聲的幅度值在[-a,a]之間，a是幅度的絕對值，本次設(shè)的是默認(rèn)值0.10。由于生成的噪聲輸出信號要和Basic Function Generator.vi的生成信號相加，所以Sampling info（采樣信息）和Basic Function Generator.vi的Sampling info一致。輸出的signal out同樣也是一個簇，包含了to，Y，dt三個數(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)的作用和Basic Function Generator.vi中的signal out是一樣的。Basic Function Generator.vi和Uniform White Noise Waveform.vi的signal out輸出的信號各自經(jīng)過一個get waveform component.vi得到波形成分Y。最后兩者生成的信號經(jīng)過get waveform component.vi后再經(jīng)過一個Add得到模仿的真實信號，如圖2所示，在連線時可以將兩者的error in(out)相連以備最后總程序產(chǎn)生報錯系統(tǒng)。

圖2 自選信號部分程序圖

　　2.2． 濾波部分

　　濾波部分是本程序的核心部分。選用濾波速度快，對相位沒有要求的IIR濾波器，本程序采用Butterworth濾波器和Chebyshev濾波器。巴特沃斯濾波器擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截斷頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零，過渡帶的陡峭成度正比于濾波器的階數(shù)，所以通過提高階數(shù)可以明顯的提高濾波效果。并且可以選擇低通濾波，高通濾波，帶通濾波或者帶阻濾波，用戶可以根據(jù)自己的濾波要求選擇合適的濾波模式。這個功能的實現(xiàn)是用一個case選擇結(jié)構(gòu)完成的。

　　在程序的前面板，用一個下拉框表來實現(xiàn)選擇不同濾波器模式的功能，總共設(shè)置了九種不同的模式，當(dāng)我們要觀察自選信號不經(jīng)過濾波的形狀時我們可以選擇關(guān)閉濾波器，當(dāng)我們觀察在不同濾波器下的濾波效果時可以切換到不同的模式觀察，濾波部分的程序圖表如圖3所示。

圖3 濾波部分

　　2.3．顯示部分

　　顯示部分是本程序面向用戶的一個關(guān)鍵部分，最終的成果是通過它呈現(xiàn)出來。我們要顯示的波形圖分為濾波前的自選信號和濾波后的信號。

　　時域信號的顯示：從濾波部分以數(shù)組方式輸出的信號即為濾波結(jié)果的時域信號，這里通過一個Build Waveform.vi來恢復(fù)波形并連接Waveform Graph（波形圖）這樣就可以在前面板上顯示濾波后的信號波形了。在本程序中，Y就是從濾波器輸出的數(shù)組元素，dt是在生成自選信號時設(shè)定的Fs的倒數(shù)。to為默認(rèn)值0，相當(dāng)于從坐標(biāo)軸的原點開始顯示波形。
 　　頻域信號的顯示：這里主要用到的是Real FFT.vi

　　Real FFT.vi：這個VI計算輸入序列的快速傅立葉變換（FFT）或離散傅立葉變換（DFT）。如果輸入序列的長度為2的冪，Real FFT.vi將執(zhí)行FFT程序；如果輸入序列的長度不是2的冪，則會調(diào)用一個有效的DFT程序。本程序中將濾波器輸出的數(shù)組輸入到Real FFT中進(jìn)行快速傅立葉變換，這時候的輸出是復(fù)數(shù)數(shù)組，才通過一個Complex To Polar.vi得到信號的幅度分量。顯示部分的程序如圖4所示：

圖4 顯示部分的程序圖

　　3． 去除噪聲效果測試

　　首先選擇待濾波的自選信號的參數(shù)，這里選擇的自選信號是由頻率為10Hz，幅度為1V的正弦信號疊加幅度為0.5V的白噪聲信號組成的，如圖5所示:

圖5 自選信號時域波形

　　設(shè)置巴特沃斯低通濾波器的低截止頻率大于10HZ，這里選擇是的是15Hz。自選信號經(jīng)過濾波器后的輸出信號如圖6所示：從圖中看到，噪聲信號已經(jīng)被濾除掉，得到加噪聲之前的正弦信號，達(dá)到我們預(yù)期的濾波效果。

圖6濾波后的信號

　　4、結(jié)論

　　本文的創(chuàng)新點是在PC機(jī)LabVIEW軟件中模擬產(chǎn)生一個接近于實際信號的帶噪聲的信號，生成一個帶噪聲的信號發(fā)生裝置。由于需要濾除的是白噪聲，所以選擇濾波速度較快的無限沖激響應(yīng)濾波器IIR，對于濾波后的信號以數(shù)組的方式得到，通過合理的顯示方式可以直觀的看到信號濾波后的效果，對信號濾波前后的時域?qū)Ρ冉o出。