東南大學虛擬儀器第五次數(shù)字濾波器課件

1、東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院 虛 擬 儀 器 實驗報告第 五 次實驗 實驗名稱： 數(shù)字濾波器的設計 專 業(yè)： 生 物 醫(yī) 學 工 程 姓 名： 學 號： 同組人員： 學 號： 實 驗 室: 醫(yī)用電子技術實驗中心（綜合樓716） 實驗時間： 2014.11.4 14節(jié) 評定成績： 審閱教師： 14目錄一、 實驗題目3二、 實驗目的3三、 實驗內容31.1實驗方案31.1.1 方案概述31.1.2 方案流程圖41.2程序框圖設計51.2.1方案優(yōu)缺點分析71.3程序前面板設計81.4調試過程91.5結果分析101.6使用說明13四、 心得體會13五、 參考文獻141、 實驗題目1使用低通濾波器從

2、含有噪聲的信號中提取有用的正弦波(見實驗指導書 實驗九 數(shù)字濾波器中的第一題) 目的：用數(shù)字濾波器從含有高頻噪聲的采樣數(shù)據(jù)中提取正弦信號。2、 實驗目的1.明確數(shù)字濾波器的基本概念，了解數(shù)字濾波器的功能。2.學習如何應用數(shù)字濾波器從含有噪聲的信號中提取有用的信號。 3、 實驗內容要求：輸入信號為一正弦波，并加入一個白噪聲的干擾來模擬信號傳輸中的隨機干擾信號（用以模擬含有噪聲采樣序列）。（模擬含有噪聲采樣序列具體可用正弦波信號疊加高頻噪聲來實現(xiàn)，為了使濾波效果明顯，本實驗的高頻噪聲是用高頻均勻分布白噪聲（Uniform）通過Butterworth高通濾波器過濾生成的，高通濾波器的截止頻率設為10

3、倍輸入信號頻率。）在程序中設計一個低通巴特沃斯濾波器，以濾除信號中的噪聲分量，提取輸入的正弦波信號 ?？烧{節(jié)信號濾波器的截止頻率和階數(shù)，可顯示濾波前與濾波后的時域信號。給出濾波前與濾波后的頻譜特性的顯示。1.1實驗方案1.1.1 方案概述首先使用正弦波形控件 并設定信號的參數(shù)和采樣信息，產(chǎn)生正弦波。使用均勻白噪聲波形 并設定采樣信息產(chǎn)生白噪聲；將噪聲通過高通濾波器，濾除10倍以下正弦信號波頻率的噪聲。將正弦信號和白噪聲疊加，產(chǎn)生待處理的混合信號，并在前面板顯示波形。將混合信號通過一截止頻率與階數(shù)均可變的低通濾波器進行濾波，并在前面板顯示波形。將混合信號與濾波后信號分別通過FFT頻譜 進行傅里葉

4、變換，得到頻譜圖像在前面板顯示。本次試驗采用兩種不同的控件進行濾波。1.1.2 方案流程圖開始設定參數(shù)產(chǎn)生正弦波產(chǎn)生均勻白噪聲經(jīng)過高通濾波器濾除10倍以下信號頻率的波合成待處理信號經(jīng)過低通濾波器提取正弦信號設定階數(shù)與截止頻率處理后信號顯示信號波形經(jīng)過FFT頻譜生成頻譜信號顯示信號處理前后的頻譜波形顯示信號波形1.2程序框圖設計首先運用正弦波形控件 正弦波的頻率與幅度均可以用數(shù)值輸入控件改變，采樣頻率與采樣個數(shù)也可以用數(shù)值輸入控件設置數(shù)值，這就產(chǎn)生了一個正弦信號。運用均勻白噪聲控件 ，其采樣頻率與采樣個數(shù)設置為與控制正弦波的采樣信息相同，產(chǎn)生均勻白噪聲。將白噪聲通過高通濾波器 并設置濾波器截止頻

5、率為10*正弦信號頻率，得到濾波后的均 勻白噪 聲信號。將正弦信號與噪聲信號混合疊加，得到待處理信號，并在前面板顯示波形。將待處理信號通過FFT頻譜控件與波形圖，顯示未處理信號的頻譜圖。接下去本次試驗，我們采用了兩種濾波方案。方案一采用了Butterworth濾波器 進行濾波。設置濾波器類型為低通濾波器，添加2個數(shù)值輸入控件，用于控制濾波器的階數(shù)與低截止頻率。運用按名稱解除捆綁 將采樣信息的簇解除捆綁，得到采樣頻率與采樣個數(shù)。將采樣頻率連接到低通濾波器的采樣頻率段，設置其采樣頻率。將濾波后的信號通過 進行捆綁成簇。設置初值x=0，步長dx=1采樣頻率，將簇連接波形圖，產(chǎn)生時域信號波形。將濾波后

6、的信號通過FFT頻譜 由幅度端點輸出，將捆綁好的信號簇解除捆綁 取得信號的y值；將采樣頻率/采樣個數(shù)得到頻譜信號的步長，設定頻譜信號的初值為0；將以上三個數(shù)據(jù)捆綁成簇 連接波形圖顯示于前面板。方案二采用了簡單的濾波器 設置其階數(shù)與類型，又添加了1個數(shù)值輸入控件，僅能進行低截 止頻率的控制。然后將濾波后產(chǎn)生的信號通過 在前面板顯示。將信號通過FFT頻譜 產(chǎn)生頻譜信號，在前面板顯示。 波形生成控件 FFT頻譜（幅度-相位）濾波器1.2.1方案優(yōu)缺點分析方案一實現(xiàn)了實驗要求中的可改變?yōu)V波器的截止頻率與階數(shù)，但由于采用 ，輸出數(shù)據(jù)為一維數(shù)組，當連接波形圖時需要通過簇設置其初值與步長。經(jīng)過FFT后，由于

7、輸出為捆綁好的簇，需要先解除捆綁，然后再設置捆綁，才能得到正確的波形。程序變得復雜了。方案二中濾波器 的使用操作簡單，其輸出信號可以直接連接波形圖進行顯示。也 可直接進行FFT然后顯示，程序簡單。不足之處為用戶不能自由 設定濾波器的階數(shù)，只能設定其截止頻率。兩種方案各有優(yōu)勢，當不需要改變?yōu)V波器階數(shù)時推薦采用方案二，程序簡單易懂。但方案一的設定更加靈活，其參數(shù)的設定可以加深我們對傅里葉變換及濾波器原理的理解。1.3程序前面板設計在前面板添加6個波形圖控件，用于顯示波形。設置時域信號波形圖控件x軸為時間，y軸為幅度；頻譜信號波形圖控件x軸為頻率，y軸為幅度。改變6個圖的標簽以示區(qū)分。添加數(shù)值輸入控

8、件用于控制濾波器階數(shù)與截止頻率。添加提示，方便用戶使用。添加背景圖進行美化。在程序框圖的操作導致前面板自動產(chǎn)生了設定正弦信號頻率幅值以及采樣信息的輸入控件。1.4調試過程此次實驗遇到了很多問題，首先是信號如何產(chǎn)生的問題。如果采用這2個控件則無法設置正弦波采樣頻率。同樣的均勻白噪聲控件 也存在這個問題。在查閱大量資料和查看范例后，我發(fā)現(xiàn)使用 產(chǎn)生信號就可以設置需要的參數(shù)，方便的產(chǎn)生波形了。采樣頻率和采樣個數(shù)，我之前一直沒有完全明白，通過不斷調試，我知道了t=N/Fs即采樣時間為采樣數(shù)除采樣頻率。關于信號疊加，兩個信號如果類型相同，可以直接用 ，或者可以用 創(chuàng)建波形。濾波器控件選擇問題上我也思考了

9、好久，使用這個控件時 較為方便，而使用 參數(shù)設置較為復雜，但更加符合實驗要求。剛開始濾波后波形不對，結果反復調試，發(fā)現(xiàn)當濾波器類型為高通時應該設置其高截止頻率，而非低截止頻率，反之亦然。將波形得到后，對于如何得到幅頻曲線我不太清楚，Labview中有很多控件可以使用，我在查看了范例后決定使用 該控件直接生成了幅頻特性曲線與相頻特性曲線。十分方便。在最初的圖像生成后，我發(fā)現(xiàn)方案一產(chǎn)生的波形圖x軸坐標不對，結果思考，我發(fā)現(xiàn)根源在于波形圖控件會對輸入的y值進行自動匹配x值，所以我采用捆綁簇使x軸的初值與步長符合要求。而要改變頻譜圖的x軸，則需要先將FFT后的簇解捆綁再重新按要求捆綁成簇進行波形顯示。

10、為方便用戶使用，我們最后添加了提示語句。但發(fā)現(xiàn)文本顯示控件在每次重新打開后文字就沒了，問老師后，知道需要經(jīng)過初始化。我在前面板放了一張圖片作為背景，比之前的前面板美觀多了。1.5結果分析分析：設置正弦信號頻率為10Hz，正弦信號幅值為20V。采樣頻率為500Hz，采樣個數(shù)為500。截止頻率為15Hz。方案一設置濾波器階數(shù)為2后，濾波效果與方案二（已經(jīng)設置為二階濾波器）相同。分析：方案一濾波器階數(shù)設置為大于2階，如5階時，濾波效果更好，信號的幅度更加接近正弦信號幅度20V。可見濾波器階數(shù)越高，濾波效果越好。分析：采樣點數(shù)過少，如上圖，得到的波形效果就差。分析：上圖一設置了濾波器截止頻率為100H

11、z，上圖二設置了截止頻率為15Hz，濾波的效果明顯優(yōu)于圖一。所以截止頻率的設定越接近所求信號，濾波效果越好。分析：正弦信號的幅度若小于噪聲的幅度（10V），信號的頻譜圖不如正弦信號幅度大的好，如果噪聲很大，就有可能影響頻譜分析。解決方法可以是加高階濾波器，也可以是在前端對正弦信號先進行放大，再進行分析。兩者可結合使用，對我們專業(yè)的人體微弱信號分析有益。1.6使用說明設置正弦信號的幅度與頻率，設置合理的采樣信息。根據(jù)提示設定濾波器參數(shù)，點擊 ，即可在波形圖上看到原始信號的時域和頻譜圖，以及兩種方案處理后的信號的時域與頻譜圖。改變設定的參數(shù)，可以觀察圖像的變化，從而理解那些參數(shù)的重要意義。4、 心得體會通過此次實驗我學會了如何使用濾波器，在選擇濾波器控件時要多方面考慮，盡量使用既滿足要求，操作又簡單的控件。我知道了高通濾波器需要設置其高截止頻率，低通濾波器要設置其