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参考报告
东南大学生物科学与医学工程学院
虚拟仪器实验报告
第5次实验
实验名称:
数字滤波器
专业:
生物医学工程
姓名:
鲁豫杰学号:
11108123
实验室:
实验708实验组别:
同组人员:
无实验时间:
2010-12-07
评定成绩:
良+审阅教师:
一.实验目的:
①明确数字滤波器的基本概念,了解数字滤波器的功能。
②学习如何应用数字滤波器从含有噪声的信号中提取有用的信号。
二.实验原理:
滤波是信号处理中一种基本而重要的技术,利用滤波技术可以让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。
根据处理信号不同,滤波器可分为模拟滤波器与数字滤波器两大类。
模拟滤波器是用来处理模拟信号或连续时间信号,数字滤波器是用来处理离散的数字信号。
根据对频率范围的选择不同,可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器。
(a)低通(b)高通
(c)带通 (d)带阻
四种滤波电路的幅频特性示意图
在计算机系统中采用数字滤波器,它是应用最广泛的信号处理工具之一。
数字滤波器设计分为两种:
FIR(有限冲激响应)和IIR(无限冲激响应)滤波器。
IIR滤波器和FIR滤波器之间最基本的差别是,对于FIR滤波器,输出只取决于当前和以前的输入值,而对于IIR滤波器,输出不仅取决于当前和以前的输入值,还取决于以前的输出值。
简单地说,IIR滤波器需要使用递归算法。
IIR滤波器的缺点是它的相位响应是非线性的。
在不需要相位信息的情况下,例如简单的信号监控,那么IIR滤波器就符合需要。
而对于那些需要线性相位响应的情况,应当使用FIR滤波器。
但是,IIR滤波器的递归性增大了它的设计与执行的难度。
·带通、带阻于过渡带宽
带通指的是滤波器的某一设定的频率范围,在这个频率范围的波形可以以最小的失真通过滤波器。
通常,这个带通范围内波形幅度既不增大也不缩小,我们称它为单位增益(0db)。
带阻指的是滤波器使某一频率范围的波形不能通过。
理想情况下,数字滤波器有单位增益的带通,完全不能通过的带阻,并且从带通到带阻过滤宽带为零。
在实际情况下,则不能满足上述条件。
特别是从带通到带阻总有一个过滤过程,在一些情况下,使用者应精确说明过渡带宽。
·带通纹波和带阻衰减
在有些应用场合,在带通范围内放大系数不等于单位增益是允许的。
这种带通范围内的增益变化叫作带通纹波。
另一方面,带阻衰减也不可能是无穷大,我们必须定义一个满意值。
带通纹波和带阻衰减都是以分贝(db)为单位,定义如下:
db=20×log(A0(f)/Ai(f))
其中:
Ai(f)是当一信号频率为f送入滤波器时,其输入信号的幅度值
A0(f)是当一信号频率为f送入滤波器时,其输出信号的幅度值
三.实验内容及要求:
1.使用低通滤波器从含有噪声的信号中提取有用的正弦波。
要求:
①输入信号为一正弦波,并加入一个白噪声的干扰用来模拟信号传输中的随机干扰信号。
②在程序中设计一个低通巴特沃斯滤波器,以滤除信号中的噪声分量,提取10Hz正弦波信号
③可调节信号滤波器的截止频率和阶数,可显示滤波前与滤波后的时域信号。
④给出滤波前与滤波后的频谱特性的显示。
4.设计方案选择、方案的优缺点。
系统方案:
大体结构分成信号产生部分和以及滤波显示部分,因为要显示两个信号的频谱,这里将频谱的生成单独做成一个子VI使程序看上去较为简单。
5.软件设计:
(1)程序前面板设计:
用控件的名称
修改的属性
用途
波形图
标签:
加噪声的信号
输出产生的仿真信号
波形图
标签:
滤波后的信号
输出滤波后的信号
波形图
标签:
带噪声信号频率谱
输出仿真信号的频谱
波形图
标签:
滤波后的信号频率谱
输出滤波后信号的频谱
数值输入控件
标签:
采样
输入采样数
数值输入控件
标签:
阶数
输入滤波器阶数
数值输入控件
标签:
截止频率
输入截止频率
数值输入控件
标签:
采样频率:
fs
输入采样频率
数值输入控件
标签:
噪声幅值
输入噪声幅值
(2)前面板:
(3)框图程序设计:
源程序:
程序流程图:
子程序介绍:
这里,这个子VI就是输入一个一维数组,输出这个数组的数字频谱。
6.软硬件调试:
先开始调试的时候,由于信号周期数和采样点数以及采样频率的关系没有搞清楚,造成采样频率和采样点数变化的时候输出波形就不正确,后来弄清楚对于10Hz的信号,信号周期数=10*采样点数/采样频率,采样点数除以采样频率等于总时间,总时间*10就是总共的周期数。
然后输出就正确了。
7.测试结果和分析
如图当采样点数为600,采样频率为1000,则总共采样0.6s,图像为6个周期,滤波后的信号频谱在10Hz处出现高峰。
将带噪声的信号频谱放大后观察,噪声的频率大于50Hz,将噪声的幅值和信号幅值调至同一水平--1V滤波器截止频率调至50Hz则,也应该能得到较好的信号。
实验结果如下图:
这里我显示了图形工具选板来方便我观察图像。
另外,我观察了滤波器不同阶数的滤波效果:
当噪声幅值是信号的100倍时,上图已经展示了5阶滤波器的效果,下面我们来看看低阶滤波器的效果怎么样。
4阶:
3阶:
2阶:
1阶:
从图上可以看到,在这种情况下,四阶滤波器和五阶滤波器的效果是差不多的,三阶已经可以看到一点噪声,二阶的滤波效果不管是在频域还是时域都可以看到明显的噪声,而一阶的滤波器就看不到我们需要的信号了。
说明越高阶的滤波器效果越好,而且好的很多。
8.使用说明:
按照提示输入数据,点击运行即可产生与设置相匹配的仿真信号。
九.结束语、心得体会
这次labview实验加深了我对滤波器感性以及理性的理解,对我做硬件电路,以及一件电路的去噪有着很大的帮助。
评语:
较好的完成了实验,达到了实验的要求,对于实验结果的分析很好,对于滤波器的特性有了很好的掌握,希望以后能注意程序中的一些细节问题!
2010.12.9
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