基于LabVIEW虛擬濾波器去除噪聲VI設計

　　引言

　　在振動、聲學、地震、通訊、雷達、控制系統和生物醫學工程等廣泛的科學技術領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。以數字形式對它們進行處理的內容，就構成了數字信號處理的基本研究內容。在虛擬儀器中濾波技術有著廣泛的應用。從測試現場采集到的信號中包含有對數據處理有用的信號、無用信號和噪聲，濾波的目的是從信號中提取有用的信號。在虛擬儀器系統中，將信號采集到電腦中，通常還需要利用軟件完成復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。基于此本文在PC機LabVIEW軟件中模擬產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生裝置。選擇濾波速度較快的無限沖激響應濾波器IIR，對虛擬濾波器去除噪聲進行設計。

　　1、設計思路

　　在信號傳輸過程中，經常會混入高頻噪聲，噪聲的能量甚至會超過信號能量。因此接收端收到信號后，通常首先要進行低通濾波，然后才能對信號做進一步處理。 設計的流程圖圖1所示：

　　2．虛擬濾波器去除噪聲VI設計原理

　　2.1 生成濾波器的自選信號

　　自選信號是信號發生器發出的信號加上噪聲信號來實現的。在信號發生器部分應用Basic Function Generator.vi產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等標準信號，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，設定Fs(采樣頻率)和#s（采樣點數）均為1000，根據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，本次設的是默認值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三個數據，各個數據的作用和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輸出的信號各自經過一個get waveform component.vi得到波形成分Y。最后兩者生成的信號經過get waveform component.vi后再經過一個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生報錯系統。

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，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，過渡帶的陡峭成度正比于濾波器的階數，所以通過提高階數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，用戶可以根據自己的濾波要求選擇合適的濾波模式。這個功能的實現是用一個case選擇結構完成的。