利用虛擬儀器進(jìn)行數字信號處理設計

圖1 典型濾波器設計Express VI提供了用于交互式設計探索的界面，可以使用教科書(shū)中的巴特沃斯、切比雪夫以及等波紋FIR等濾波器

　　基于虛擬儀器的信號處理設計所具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是圖形化的編程方式，類(lèi)似流程圖式的圖形化編程方式使得程序更加直觀(guān)。同時(shí)，要嘗試一個(gè)新的算法只需要替換成所需要的函數圖標即可。例如，反切比雪夫濾波器設計可以方便地替換成雷米茲濾波器設計方法或是最小P階規范設計方法。實(shí)際上，在表1中所列的一系列編程設計選擇都可以用于設計中。雷米茲設計方法生成了FIR濾波器，可以將期望頻率響應和實(shí)際設計濾波器頻率響應之間的最大誤差降到最小。這種設計規范產(chǎn)生的濾波器具有“等波紋”特性，即“切比雪夫”誤差行為。雷米茲工具產(chǎn)生的濾波器設計適用于類(lèi)型I-IV線(xiàn)性相位、任意形狀FIR、最優(yōu)幅度近似(最大或最小相位)、單點(diǎn)帶規范(谷或峰)以及精確增益控制。最小P階規范方法可以用于設計帶有任意幅度和相位約束的FIR和IIR濾波器。使用數字濾波器設計工具包，最小P階規范方法使用牛頓法或迭代重賦權最小二乘(IRLS)法開(kāi)發(fā)解決方案。

表1 數字濾波器設計工具包提供了從傳統應用到現代應用所需的程序化的濾波器設計工具套件

　　群延遲補償器

　　在對定點(diǎn)濾波器進(jìn)行設計和發(fā)布的過(guò)程中，有一種特性的重要性是不言而喻的，就是需要能夠直接、交互式地查看設計結果。傳統的通過(guò)文本軟件定點(diǎn)實(shí)現的方法往往效率高、成本低，但是由于算法精度較低，其設計過(guò)程也更為復雜。

　　使用LabVIEW和數字濾波器設計工具包，定點(diǎn)數字濾波器設計過(guò)程首先是對浮點(diǎn)濾波器進(jìn)行原型設計，并轉換成定點(diǎn)設計。轉換成定點(diǎn)設計會(huì )大大改變?yōu)V波器的特性和性能。實(shí)現了指定定長(cháng)寄存器的整數字長(cháng)、濾波器拓撲等其他參數，這些對于確保濾波器按照設計期望進(jìn)行工作是十分關(guān)鍵的。對定點(diǎn)設計進(jìn)行適當的仿真和分析可以避免之后在調試設計的時(shí)候，在千萬(wàn)行嵌入式系統代碼中進(jìn)行調試查找。集成在VI設計環(huán)境中的定點(diǎn)建模、仿真和分析工具簡(jiǎn)化了從浮點(diǎn)設計到定點(diǎn)設計之間的過(guò)渡。

　　另外一個(gè)使得定點(diǎn)數字濾波設計非常困難的原因是，參數量化、中間運算和結果向系統引入了噪聲。此外，如果在數據存儲中沒(méi)有足夠的空間，就會(huì )發(fā)生上溢出。LabVIEW數字濾波器設計工具包中的定點(diǎn)建模、仿真和分析功能能夠在設計階段找出實(shí)現的錯誤源頭。例如，對于圖1設計的低通濾波器進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)現。用戶(hù)使用定點(diǎn)建模VI，就可以在多個(gè)設計方案中選擇定點(diǎn)系統、指定字長(cháng)、整數字長(cháng)以及設計中關(guān)鍵位置的舍入和溢出模式。為了對最終實(shí)現進(jìn)行進(jìn)一步控制，還提供了超過(guò)23種不同的濾波器拓撲，從FIR直接形式1到IIR級聯(lián)二階部分(形式I或II、轉置)，直至網(wǎng)格ARMA(基本、一個(gè)乘法器或歸一化部分)。

　　圖2展示了包含選擇濾波器拓撲、定點(diǎn)設計工具以及用于定點(diǎn)和浮點(diǎn)設計仿真與分析的范例VI。這個(gè)VI提供了能夠隨著(zhù)仿真運行對實(shí)現參數進(jìn)行交互式修改的接口。首先，可以保持定點(diǎn)建模參數不變，使用默認的濾波器拓撲，使用正態(tài)分布的白噪聲信號作為濾波器輸入，測試濾波器在所有頻率下的響應。圖3給出了仿真結果。很明顯，定點(diǎn)濾波器并沒(méi)有給出與浮點(diǎn)仿真相同的結果，盡管設計的濾波器具有幾乎相同的幅度、相位和零極點(diǎn)圖。濾波器分析報告指出由于在乘法、加法、延遲中產(chǎn)生了上溢出和下溢出，因此得到的結果不夠理想。利用在VI環(huán)境中給出的信息，用戶(hù)可以對定點(diǎn)實(shí)現進(jìn)行運行時(shí)修改，例如增加問(wèn)題區域中的整數字長(cháng)、嘗試其他濾波器拓撲或是修改定點(diǎn)建模的其他屬性。對于這個(gè)設計而言，提高乘法、加法和延遲的整數字長(cháng)就可以得到希望的定點(diǎn)設計結果，如圖4所示。

圖2 程序框圖展示了濾波器的設計，可以修改濾波器拓撲、整數字長(cháng)、對正態(tài)分步的白噪聲進(jìn)行定點(diǎn)和浮點(diǎn)設計仿真以及仿真分析