【導(dǎo)讀】指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和。包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。說明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)。的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法。律后果由本人承擔(dān)。類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫。作為一種圖形化開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW也提供了相當(dāng)豐富的信號(hào)分析處理模塊。本文各個(gè)模塊的具體功能在LabVIEW環(huán)境里。都得到實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

　　

【正文】 法，有一些典型的濾波器類型如巴特沃斯(Butterworth)濾波器、 切比雪夫 （ chebyshev）濾波器、橢圓 (Ellipse)、濾波器和貝塞 A/D H(z) D/A 基于 LabVIEW軟 件的控制界面設(shè)計(jì) 28 爾 ( Bessel )濾波器等，它們都有自己的歸一化原型濾波器和現(xiàn)成的設(shè)計(jì)公式，還有完善的設(shè)計(jì)圖表可查。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器就是用 LabVIEW 中的巴特沃斯濾波器。 數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn) 數(shù)字濾波器較之濾波器有著很多的優(yōu)點(diǎn)，許多情況下數(shù)字濾波器是優(yōu)先選擇。模擬濾波器是由電阻，電感和電容等部件構(gòu)成的電路，因此濾波器的特性跟所用部件的值影響很大，而有些部件的特性很容易波動(dòng)。反觀之，數(shù)字濾波用軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件要求不高。濾波相關(guān)軟件 只是一系列程序指令，盡管它在硬件平臺(tái)上運(yùn)行，但是硬件不決定濾波器的性能。濾波器的性能由數(shù)字系數(shù)來決定。只要重新確定濾波程序的系數(shù)就可以設(shè)計(jì)一個(gè)新的數(shù)字濾波器。實(shí)際上，數(shù)字濾波器的系數(shù)我們可以在工作時(shí)進(jìn)行調(diào)整改變。 總結(jié)下來，數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器精度更高、體積更小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配以及能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能。就算要處理的是模擬信號(hào)，也可通過 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變信號(hào)形式，這樣數(shù)字濾波器就可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波。 數(shù)字濾波器主要功能有三個(gè)方面： 用來對(duì)獲得的信號(hào)作處理運(yùn)算，并加工構(gòu)建某種預(yù)定的頻率特性； 是作抗干擾濾波器，適用于當(dāng)干擾噪聲頻譜與信號(hào)頻譜主瓣不重疊時(shí)，根據(jù)具體情況采用低通、高通、帶通或帶阻濾波器； 是用于各種校正環(huán)節(jié)的反濾波器，當(dāng)信號(hào)帶寬大于測(cè)量系統(tǒng)帶寬時(shí)用來擴(kuò)展系統(tǒng)的頻帶，改善全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 本文的虛擬數(shù)字濾波器完成的是第二項(xiàng)功能，在 LabVIEW 平臺(tái)上設(shè)計(jì)的巴特沃斯演示儀可分別實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻的功能的濾波器，其階數(shù)可以任意調(diào)節(jié)（需大于0 的整數(shù)）。 數(shù)字濾波器技術(shù)要求 常用的數(shù)字濾波器 一般屬于選頻濾波器。假設(shè)數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù) )( ?jeH 用下式表示： )()()( ???? ? jjj eeHeH 式中， ）（ ?jeH 為幅頻特性； 頻率特性表示信號(hào)通過該濾波器后各頻率成分衰減情況，而相頻特性反映各頻率成第五章濾波處理模塊的設(shè)計(jì) 29 分通過濾波器后在時(shí)間軸上的延時(shí)情況。因此，即使兩個(gè) 濾波器的幅頻特性相同，而相頻特性不一樣，對(duì)相同的輸入，濾波器輸出的信號(hào)波形也不一樣的。選頻濾波器的技術(shù)要求一般由幅頻特性給出，相頻特性一般不作要求。 對(duì)于各種理想濾波器，必須設(shè)計(jì)一個(gè)因果可實(shí)現(xiàn)的濾波器取逼近。實(shí)用中通帶和阻帶中都允許一定的誤差容限，即通帶不一定是完全水平的，阻帶不一定絕對(duì)衰減到零。此外，在通帶與阻帶之間還應(yīng)設(shè)置一定寬度的過渡帶 [7]。 巴特沃斯低通數(shù)字濾波器的特性 所謂低通濾波器，就是只能讓低頻分量通過。在低通濾波器的設(shè)計(jì)中，有許多不同的逼近方法：巴特沃斯逼近，切比雪夫逼近，橢圓逼 近方法等。其中，最簡(jiǎn)單的逼近為巴特沃斯逼近。 巴特沃斯低通濾波器的平方幅度響應(yīng)為 ncwwjwH 22 )(1 1)( ?? 其中， n 為濾波器的階數(shù)， cw 為低通濾波器的截止頻率。 該濾波器具有一些特殊的性質(zhì)： （ 1） 對(duì)所有的 n,都有當(dāng) 0w? 時(shí) , 10 2 ?）（ jH ； （ 2） 對(duì)所有的 n,都有當(dāng) cww? 時(shí) , ?）（ cjwH ； （ 3） 2)(jwH 是的單調(diào)遞減函數(shù) ,即不會(huì)出現(xiàn)幅度響應(yīng)的起伏； （ 4） 當(dāng) ???n 時(shí) ,巴特沃斯濾波器趨向于理想的低通濾波器； （ 5） 在 0?w 處平方幅度響應(yīng)的各級(jí)導(dǎo)數(shù)均存在且等于 0，因此 2)(jwH 在該點(diǎn)上 取得最大值，且具有最大平坦特性。 圖 展示了 2 階、 4 階、 8 階巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性。可見階數(shù) n 越高，其幅頻特性越好，低頻檢測(cè)信號(hào)保真度越高，過渡帶變窄，即衰減加劇，但半功率點(diǎn)不變。 基于 LabVIEW軟 件的控制界面設(shè)計(jì) 30 圖 基于 LabVIEW 的信號(hào)濾波 前面板設(shè)計(jì) 低通濾波器的作用是允許低于截止頻率的信號(hào)通過 ，阻止高于截止頻率的信號(hào)成分。默認(rèn)情況下，濾波器的上、下限頻率都是歸一化頻率。歸一化頻率的計(jì)算公式為 f=模擬頻率 /采樣頻率，單位為周期數(shù)每采樣。這種表示方法不夠直觀，如果想要直觀地反映當(dāng)前設(shè)置的上、下限頻率，只要把濾波器的采樣率端口設(shè)置成信號(hào)的采樣率即可。 （ 1）在選項(xiàng)卡控件主頁面“濾波處理”界面放置數(shù)值控件、布爾控件、數(shù)組控件及圖形控件： 1）執(zhí)行“控件→新式→數(shù)值→數(shù)值輸入控件”操作，添加四個(gè)數(shù)值輸入控 件并分別命名為“采樣”、“正弦頻率”、“低截止頻率”、“濾波器階數(shù)” 。 2）執(zhí)行“控件→新式→圖形→波形圖”操作，添加兩個(gè)波形圖控件并分別命名為“原始波波形”和“濾波后波形”。 （ 2）添加一些必要的文字組件，設(shè)計(jì)完畢后的前面板如圖 所示： 第五章濾波處理模塊的設(shè)計(jì) 31 圖 程序框圖設(shè)計(jì) （ 1） 打開程序框圖編輯窗口，找到相應(yīng)控件。 （ 2） 放置正弦波、濾波器、捆綁簇等節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)。 1）執(zhí)行“函數(shù)→信號(hào)處理→信號(hào)生成→正弦波”操作，添加一個(gè)“正弦波”函數(shù)節(jié)點(diǎn)。 2）執(zhí)行“函數(shù)→編程→簇、類、變形體→捆綁簇”操作，添加兩個(gè)捆綁簇節(jié)點(diǎn)。 3）執(zhí)行“函數(shù)→信號(hào)處理 →濾波器→ Butterworth 濾波器”操作，添加兩個(gè) Butterworth濾波器。 4）執(zhí)行“函數(shù)→信號(hào)處理→信號(hào)生成→均勻白噪聲”操作，添加一個(gè)均勻白噪聲。 （ 3）連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)完畢后的程序框圖如圖 所示： 基于 LabVIEW軟 件的控制界面設(shè)計(jì) 32 圖 運(yùn)行程序 程序運(yùn)行后，通過高斯過濾均勻噪聲序列生成高頻噪聲，將正弦波與帶限噪聲相加得到含有噪聲的波形，將此波形通過低通過濾提取出正弦波，運(yùn)行結(jié)果如圖 所示： 圖 第六章線性調(diào)頻信號(hào)分析 33 第六章 線性調(diào)頻信號(hào)分析 線性調(diào)頻信號(hào) 調(diào)頻信號(hào)是通過非線性相位調(diào)制來獲得大的時(shí)寬帶寬積，主要包括線性調(diào)頻信號(hào)（ Linear Frequency Modulation， LFM）和非線性調(diào)頻信號(hào)（ NonLinear Frequency Modulation， NLFM）。其中，線性調(diào)頻信號(hào)是最早提出的脈沖類信號(hào)，也是應(yīng)用最廣泛的一種信號(hào)。線性調(diào)頻信號(hào)分為連續(xù)波和脈沖兩種形式，如果波形是連續(xù)波時(shí)，信號(hào)的載波頻率在給定的周期內(nèi)隨著時(shí)間線性變化；當(dāng)波形是脈沖時(shí)，信號(hào)的載頻在脈沖寬度內(nèi)線性變化。線性調(diào)頻信號(hào)的相位隨時(shí)間的二次方變化，它是最簡(jiǎn)單也是最常見的 調(diào)頻信號(hào)，在雷達(dá)等領(lǐng)域也常被稱為 Chirp 信號(hào)。 Chirp 最初作為一種調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮技術(shù)的名稱，主要應(yīng)用到線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮上，因而把它和線性調(diào)頻信號(hào)等同起來。[8] 線性調(diào)頻信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是匹配濾波對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，即使回波信號(hào)有較大的多普勒頻移，根據(jù)靜止目標(biāo)設(shè)計(jì)出來的匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的作用，這將大大簡(jiǎn)化信號(hào)處理系統(tǒng)。但是線性調(diào)頻信號(hào)存在兩個(gè)主要問題，第一，輸出響應(yīng)將出現(xiàn)距離與多普勒速度的耦合；第二，匹配輸出旁瓣較高，為了壓低旁瓣常采用失配處理，即附加加權(quán)處理，這將在一定程度上引 起信噪比損失。 Chirp 信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ? ? ?????? ????????222 tKtfj ceTtrectts π 式中 cf 為載波頻率， ??????Ttrect為矩形信號(hào)， ????? ????????elsew iseTtTtrect,01,1 B 是帶寬， T 是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度， TBK? ，為調(diào)頻斜率，于是信號(hào)的瞬時(shí)頻率為基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 34 ?????? ??? 2t2Ktf c TT ,如圖 所示 （ a） upchirp(K0) （ b） downchirp(K0) 圖 線性調(diào)頻信號(hào)的 DFT 分析 產(chǎn)生信號(hào) 此處模擬產(chǎn)生一個(gè) chirp 信號(hào)， X波段， 10 GHz 中心頻率，帶寬范圍為 G。線性調(diào)頻是指頻率隨時(shí)間而線性改變 (增加或減少 )的信號(hào)，其表達(dá)式為： ?? ktftf ?? 0 () 其中 0f 表示時(shí)間等于零時(shí)的頻率， k表示頻率改變的速率，當(dāng) 0?k 時(shí)，頻率遞增，0?k 則遞減。 而該信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為： ? ? ? ? ???????? ?????? ????????? ? 200 212s i n2s i n kttfdttftx t ?? 在 LabVIEW 中，產(chǎn)生 chirp 信號(hào)的控件如圖 所示： 第六章線性調(diào)頻信號(hào)分析 35 圖 chirp信號(hào) 如序列 Y 表示 chirp 信號(hào) ，該 VI 使用下列等式獲取 Y 的元素： ?????? ?? biaiAyi 221s in , i=0,1,2,? ,n1 A是 幅值 ? ?122 ffa ?? ? /n 12fb ?? f1是以歸一化周期 /采樣為單位的開始頻率 f2是以歸一化周期 /采樣為單位的結(jié)束頻率 n是 采樣 的數(shù)量 生成信號(hào)及分析后信號(hào)如圖 和 所示： 圖 時(shí)域信號(hào)圖 chirp 添加高斯噪聲后頻率分析 此模塊將上述 chirp 信號(hào)添加一個(gè)高斯白噪聲，統(tǒng)計(jì)分布為（ 0,1），標(biāo)準(zhǔn)差為 1。高斯白噪聲控件如圖 所示： 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 36 圖 添加高斯白噪聲后的信號(hào)如圖 所示 圖 添加高斯白噪聲后信號(hào) 然后進(jìn)行頻率分析，分析其幅度譜和相位譜，幅度譜和相位譜 VI如圖 所示： 圖 結(jié)果如圖 所示： 第六章線性調(diào)頻信號(hào)分析 37 圖 添加噪聲的 chirp 信號(hào)頻率分析 信號(hào)總體設(shè)計(jì) 前面板設(shè)計(jì) 前面板有上 述三個(gè)小模塊構(gòu)成，如圖 所示： 圖 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 38 程序框圖設(shè)計(jì) 圖 致謝 39 致謝 經(jīng)過三個(gè)月的努力，終于完成了本論文的設(shè)計(jì)，這個(gè)過程是艱辛的，面對(duì)陌生的LabVIEW 語言，我需要自己去學(xué)習(xí)摸索，當(dāng)中也遇到各種各樣的困難，非常高興自己能夠堅(jiān)持的走下來，只有經(jīng)歷挫折才會(huì)有所收獲。 我最想感謝的是指導(dǎo)教師丁金閃副教授，從論文選題到模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到論文表述規(guī)范，他都給了很多寶貴的修改意見。丁老師為人非常親切，對(duì)待工作認(rèn)真，我非常感謝他在 論文方面的幫助以及平時(shí)的鼓勵(lì)。 最后，我還想感激我身邊一直支持我的朋友們，四年的大學(xué)生活就要結(jié)束了，感謝你們的陪伴，和你們?cè)谝黄穑叶冗^了充實(shí)、快樂的大學(xué)生活，在你們身上我學(xué)會(huì)了很多優(yōu)秀的品質(zhì)。 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 40 參考文獻(xiàn) [1]彭勇，潘曉燁，謝龍漢 .LabVIEW 虛擬儀器設(shè)計(jì)與分析 .北京 .清華大學(xué)出版社 . [2]王磊，陶梅．精通 ．北京 .電子工業(yè)出版社 .2020． 56 [3]劉君華，賈惠芹 .虛擬圖形化編程語言 LabVIEW 教程 .西安電子科技大學(xué)出版社 . [4] 王 璨，章佳榮 .LabVIEW2020 程序設(shè)計(jì)與案例解析 .北京 .北京航空航天大學(xué)出版社 . [5]丁玉美，高西全 .數(shù)字信號(hào)處理 .西安 .西安電子科技大學(xué)出版社 . [6]豈興明，田京京，朱洪岐 .LabVIEW 入門與開發(fā)實(shí)戰(zhàn) 100 例 .北京 .電子工業(yè)出版社 . [7]張小虹 .信號(hào)、系統(tǒng)與數(shù)字信號(hào)處理 .北京 .機(jī)械工業(yè)出版社 . [8]張鵬飛，基于 LabVIEW 的雷達(dá)信號(hào)分析， 2020 屆碩士研究生論文 ,