基于Labview的相關濾波器的設計與改進

1 引言

在目前的測試領域中，越來越廣泛地利用相關檢測的方法進行濾波，利用相關濾波可以方便地從復雜的待測信號（包括有用信號、直流偏置、隨機噪聲和諧波頻率成分等）中分離出某一特定頻率的信號，在數字技術迅速發展以后，相關濾波也經常利用a/d板對信號采樣后，在計算機中實現，成為數字濾波器的一種形式，本文設計了一種實現相關濾波的方法，這是相關分析在測試技術中的一個典型應用。圖1所示為相關濾波器的典型框圖。

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環境，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，在以pz機為基礎的測量和工控軟件中，labview的市場普及率僅次于c++/c語言，labview開發環境具有一系列優點，從流程圖式的編程，不需要預先編譯就存在語法檢測和調試過程使用的數據指針，到其豐富的函數、數值、信號處理和設備驅動等功能，應用labview進行濾波器設計，效率高，操作簡單，并能對誤差精度進行實時調整，把傳統儀器利用labview用軟件的方法來實現，開發周期短，易于維護和升級，可以設計出傳統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的精髓。

2 虛擬相關濾波器的設計

2.1 前面板的設計

在labview環境下開發的應用程序稱為vi（virtual instrument）。vi是labview的核心，有一個人機交互的界面——前面板，和相當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據提供給vi的框圖程序，例如開關、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生的數據，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、結構和連線等[2]。

前面板如圖2所示，由以下幾個部分組成：參考信號的參數設置、待處理信號的參數設置、濾波結果的實時顯示以及原始信號的波形圖和濾波結果的波形圖，可以設置參考信號的幅值和頻率，也可以對3路正弦信號設置頻率幅值和相位，程序成功運行后就可以從濾波實時顯示區得到濾波結果的頻率幅值和初相位，同時在波形顯示區中也可以得到相應的波形，使結果更為直觀地反映出來。

2.2 后面板的設計

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，并且通過連線、添加程序以及加入各種信號等措施進行編程，實現自相關濾波的功能，同時通過在前面板設置各種不同的參數，成功地運行程序，實現所要求的目標，為了實現這一功能，筆者又添加了激勵信號源、濾波器加法器和乘法器等各種運算器，經過運行程序，測試結果顯示能夠實現從一個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，相當于實現了濾波，由于這種濾波的思路是從相關函數的定義出發的，因此成為相關濾波器。

在這里，筆者用仿真信號發生器來模擬待測的信號，在實際中這個待測信號通常由數據采集卡采集得到，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，這個測試vi實現了相關濾波過程的動態顯示，使用了循環結構。

3 改進后的濾波器設計

上述實現相關濾波的基礎上，還可以進一步改進，使程序更加簡單，改進后的前面板如圖4所示，將多路信號集于一個圖中顯示，更加直觀，同時增加了粗調和細調旋鈕，顯得更加精確。改進后的前面板結構更加緊湊，設計也更加合理。

改進后的后面板如圖5所示，可以看到，濾波器用一個信號平均值測量vi代替了原來的濾波器vi，這是因為相關濾波中，濾波器的作用實際上就是求取測試信號的直流分量，因此這樣同樣可以實現相關濾波，利用相關函數，可以識別并提取混淆在噪聲中的信號，即進行相關濾波。

在數字技術迅速發展以后，相關濾波經常利用a/d板對信號采樣后在計算機中實現，成為數字濾波的一種形式，而在labview中實現相關濾波的方法，也是相關分析測試技術中的一個典型應用。

4 結束語

虛擬儀器已經為越來越多的人所使用和接受，因為虛擬儀器系統更快速簡捷和方便，也可以節省硬件資源。通過虛擬濾波器設計，可對虛擬儀器有更深的理解和領悟，也為以后進行更進一步的研究提供了基礎。