基于 LabVIEW的數字濾波器技術

劉 平

長治清華機械廠，山西長治 046012

基于 LabVIEW的數字濾波器技術

劉 平

長治清華機械廠，山西長治 046012

由于各種干擾，電器產品試驗存在噪聲，在分析中必須對信號進行消噪，保證產品質量的可靠性。本文介紹了 LabVIEW軟件中常用的數字濾波器的功能及其特點，同時還介紹了 subFilter軟件，其編程簡單、直觀、開發效率高，不但可以節約成本，還可以縮短在硬件濾波部分的研發周期，消除低壓電器產品試驗的各種信號噪聲。

噪聲；數字濾波；LabVIEW軟件

0 引言

由于各種干擾，低壓電器產品試驗參數總是受到各種噪聲信號影響，在對參數進行分析前必須進行消噪處理，保證產品的質量可靠性。最常用的消噪手段是硬件濾波，但存在的問題是硬件器件體積大，而且會使投資成本增加。隨著大規模集成電路和電子信息技術的發展，當前工業設計中可以使用計算機軟件實現消噪。美國NI公司出品的LabVIEW軟件集成了功能強大的數字濾波器模塊，消噪可以通過該模塊的簡單編程進行實現，通過軟件消噪可以節省硬件成本。顯而易見的，通過LabVIEW進行軟濾波進而對低壓電器產品的參數信號進行去噪具有十分重要的意義。

1 低壓電器信號存在噪聲的原因分析

電子裝置和機械裝置結合構成了低壓電器產品的測試系統，故該系統復雜度高，會引入噪聲，也就是干擾信號。測試現場中噪聲信號成形方式有多種，如空間場噪聲的侵入，或者沿線路噪聲的侵入，電網中浪涌電壓通過供電線路是入侵等主要途徑；系統接地裝置設計不合理也會引入噪聲信號；傳感器、輸入輸出線路的制造質量問題也會引入噪聲。以空間場方式入侵的噪聲信號主要集中在高電壓、高頻電磁場、大電流等區域，利用電磁感應現象或者靜電感應現象等引發電磁脈沖引入，為在混合信號中獲得有用信號必須對混合信號進行去噪處理，鑒于濾波技術的過濾頻率特性，可以采用濾波處理方式。濾波技術可以按硬件和軟件分為兩類，由于硬件濾波技術成熟，被應用在當前多數低壓電器測試系統中。本文主要利用LabVIEW軟件的數字濾波器模塊對信號進行去噪處理，獲得有用待分析信號，屬于軟處理方式。

2 濾波器的分類和數字濾波器的特點分析

濾波器就是對信號進行頻域選擇，通過選擇對不符合要求的信號頻段進行過濾。濾波器按照處理信號的類型分為模擬濾波與數字濾波。輸入輸出信號的時域連續的信號稱為連續信號，對該信號進行濾波的濾波器被稱為模擬濾波器。輸入輸出信號的時間離散信號稱為離散信號，對該信號進行濾波的濾波器被稱為數字濾波器。本文主要對數字濾波器進行分析。由于數字濾波器只是由乘法器、加法器和延時單元等構成，通過這些模塊可以對輸入額離散信號進行數字運算處理，進而對信號頻譜進行適當修改。數字濾波器按多種分類方法可以分為：線性與非線性、因果與非因果、時變與時不變等。鑒于濾波器的物理可實現性方便和考慮其應用范圍的廣泛程度，多數濾波器采用線性時不變結構。如果從信號的時域特性對濾波器進行歸類，濾波器可以分為無限沖激響應濾波器（即IIR型濾波器）和有限沖激響應濾波器（即FIR型濾波器）。

數字濾波器的特點有：可通過軟件編程進行平臺搭建和數據測試；數學運算類型少，只有加和乘；濾波效果不隨外界條件變化而漂移；高可靠性、高精度、可控性能優良、集成度較高，在性能方面具有很高的性價比。因而其對測試系統或者圖像處理等高精度，高級算量等學科領域具有非常大的可應用性，故其廣泛應用在這些領域。

3 簡介LabVIEW軟件各濾波模塊

LabVIEW的主要特色是將編程語言進程集成化，將其集成化到圖形化的編程界面中，成為圖形化編程語言，這就將代碼編程過程簡化為元器件的添加過程。其核心被稱為VI(即Virtual Instrument)，也就是該環境種的應用開發程序。它由集成源代碼功能的程序框圖和后臺處理程序構成一個整體的人機交互操作界面。它集成了多種進行仿真運算的函數庫還設計開發了一整套模擬環境下的調試和仿真工具。也就是該軟件將圖形化程序設計中的直觀的編程界面，簡略的編程代碼和高效的開發效率結合在一起。隨著軟件仿真模擬實際環境下的系統測評技術的飛速發展，圖形化的編程語言也隨之迅猛發展，測試、控制領域內必將會產生一股向圖形化編程語言轉變的熱潮。

4 使用LabVIEW對信號進行仿真分析

LabVIEW的仿真調試功能為其快速發展奠定了基礎，該功能可以通過軟件對硬件進行仿真模擬，進而對模擬中的實際環境進行干擾信號恩錫。該軟件可以提供以下仿真波形如方波、正弦波、鋸齒波、三角波、直流波等，還可以為這幾種波形添加不同類型的噪聲：均勻白噪聲，就是生成一個偽隨機信號序列，該信號的幅值分布符合均勻分布規律。高斯白噪聲，就是生成一個幅值分布方式為高斯分布的偽隨機信號序列。周期性隨機噪聲，生成一個隨機噪聲序列，該序列具有周期性。二項噪聲，生成一個偽隨機信號序列，該序列幅值分布符合二項分布。Bernoulli噪聲，生成一個只有0和1的偽隨機信號序列。Gamma噪聲，就是生成一個序列均值為1的屬于泊松過程中發生階數次事件的偽隨機信號序列。泊松噪聲，就是生成一個幅值符合泊松分布的隨機信號序列。逆F噪聲，生成一個包含連續噪聲信號序列，限定頻率范圍內的該序列的頻譜密度與頻率成反比。通過確認分析上述模塊特性，可以幫助在前期決定測試方案過程中，通過LabVIEW搭建符合現場環境的仿真信號，對信號添加適當的干擾噪聲，通過仿真平臺進行仿真分析，確定該方案是否可行，可以幫助工程縮短工作周期。

5 結論

本文介紹了subFilter軟件，其編程簡單、直觀、開發效率高，在節約開發成本的同時，通過利用仿真實驗實現對檢測設備研發項目的可執行性分析，進而縮短低電壓電器產品在濾波部分的研發時間。通過LabVIEW仿真分析實際環境下的信號參數性能，進而改進降低或者消除低壓電器產品中不合理的設計造成的實驗參數不精確等問題，為產品質量提供強大的開發保障。當今時期電子計算機技術的飛速發展為低壓電器產品的生產設計提供了豐富強大的模擬仿真環境，鑒于LabVIEW的良好仿真特性在設計生產低壓電器產品中首先采用LabVIEW對產品進行模擬仿真，可以有效縮短產品開發周期，保證產品開發品質，確保產品質量。

[1]趙家升，楊顯清，楊德強.電磁兼容原理與技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2]劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW8.20中文版編程及應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

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1674-6708（2012）80-0205-02