基于LabVIEW的IIR数字滤波器的设计

2012-07-09 19:25:25来源: 21ic

  0 引言

  正常情况下,电力系统中三相电力是对称的,它们之间满足一定的幅值和相位条件;但当负载变化时,系统受到影响,波形会发生畸变。随着经济的发展,许多非线性电力负荷投入使用,使电网中谐波分量猛增,而电力系统微机保护和二次控制中,很多信号的处理与分析是基于基波和某些整次谐波的,因此,滤波器一直是电力系统二次装置中的关键部件。

  目前,微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算,改变参数后需要重新计算,在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。利用LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工作平台)使用G 语言(Graphics Language,图形化编程语言)编程,可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。由于G 语言编程具有诸多优点,因此基于LabVIEW 设计的数字滤波器具有高效、灵活、界面友好、集成性强、费用低、用户自定义功能强等诸多优点[1]。

  1. 数字滤波器及其传统设计方法

  1.1 数字滤波器概述

  滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的装置。工程上常将它用于信号处理、数据传送和抑制干扰等。

  数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分,它的输入和输出信号都是离散的,与模拟滤波器相比,它具有准确度和稳定性高,系统函数容易改变,灵活性高等优点,因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用[2]。数字滤波器有多种分类,按频率特性分类可以分为:高通、低通、带通、带阻;按数字滤波器冲激响应的时域特征分类可以分为:有限冲激响应滤波器(finite impulse response, FIR)和无限冲激响应滤波器(infinite impulse response, IIR)。FIR 滤波器的冲击响应h(n) 是有限序列,IIR 滤波器的冲击响应h(n) 是无限序列的。

  数字滤波器的差分方程可以用下式表示:

公式

  式中, x(n) 为输入序列, y(n) 为输出序列, k a 、k b 分别为输出、输入序列的系数。

  数字滤波器对应的传递函数为:

公式

  当k a 不全为0 时,为IIR 滤波器;当k a 全为0 时,为FIR 滤波器。

  从性能上看,FIR 滤波器和IIR 滤波器各有优点:FIR 滤波器可以得到严格的线性相位;但是需要较多的存储器和较长的运算,成本比较高,信号延时也较大。IIR 滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性,所用存储单元少,运算次数少,效率高的优点;但是相位是非线性的,且选择性越好其相位非线性越严重[3]。

  1.2 数字滤波器的传统设计方法

  数字滤波器的传统设计过程可归纳为以下三个步骤:

  (1)按照实际需要确定滤波器的性能要求。

  (2)用一个因果稳定的系统函数(即传递函数)去逼近这个性能要求。此函数可以分为两类:即IIR 传递函数和FIR 传递函数。

  (3)用一个有限精度的运算去实现这个传递函数。

  FIR 滤波器设计实质是确定能满足要求的转移序列或脉冲响应的常数,设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。目前,FIR 滤波器设计没有封闭的设计公式。虽然窗函数法对窗口函数可给出计算公式,但计算通带与阻带衰减仍无计算公式。FIR 滤波器的设计只有计算程序可循,因此对计算工具要求较高,不用计算机编程一般很难实现。

  IIR 滤波器的设计源于模拟滤波器设计,它通过对低通滤波器进行模拟频率变换得到。常用的IIR 滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、切比雪夫Ⅱ滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。目前,IIR 滤波器的设计可以借助模拟滤波器的成果,有封闭形式的设计公式,对计算工具的要求不高。

  IIR 滤波器的设计虽然简单,但脱离不了模拟滤波器的设计模式,主要用于设计低通、高通、带通及带阻滤波器。而FIR 滤波器的设计要灵活得多,尤其是频率采样设计法更易适应各种幅度特性和相位特性的要求。

  2 基于LabVIEW 的数字滤波器设计

  2.1 LabVIEW 简介

  LabVIEW 是NI(National Instrument,美国国家仪器)公司推出的一种基于G 语言的虚拟仪器(virtual instrument,VI)开发工具。LabVIEW 编程使用图形化语言,它是非计算机专业人员使用的工具,它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境,因此,LabVIEW 在世界范围内的众多领域如航空、航天、通信、电力、汽车、化学等领域得到广泛应用[4]。

  LabVIEW 有两个基本窗口:前面板窗口和流程图窗口。编译环境下显示两个窗口,前面板用于放置控制对象和显示对象,控制对象相当于常规仪器的控制和调节按钮;前面板用于显示程序运行结果,相当于常规仪器的显示屏幕或指针。流程图窗口用于编写和显示程序的图形源代码,它相当于语言编程中一行行的语句,它由各种能完成一定功能的模块通过连线连接而成。当编写的LabVIEW 程序调试无误后,可将程序编译成应用程序(EXE 文件)。此时,设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW 开发环境,用户只需通过前面板进行控制和观测。

[1] [2] [3]

关键字:LabVIEW  数字滤波器  无限冲击响应

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0709/article_5404.html
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