基于LabVIEW编写数字滤波器程序的仿真信号与实测信号的分析 吴焕宁
【摘 要】在控制工程领域,信号分析技术有广泛的应用,为了能够更好地分析信号,必须将时域内的信号转换成频域内的信号.通过LabVIEW编程实现滤波器软件设计,通过仿真信号对其进行验证,并将该滤波器运用到高空行吊设备轨道谱测控信号分析中.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2012(000)001
方差齐性检验【总页数】4页(P57-60)
【关键词】傅立叶变换;仿真信号;实测信号;轨道谱;滤波器
【作 者】吴焕宁
【作者单位】泉州市环境卫生管理处,福建泉州 362000
【正文语种】中 文
【中图分类】TN713.7
1 前言
数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一。在许多科学技术领域中，广泛使用滤波器对信号进行处理。本文应用LabVIEW图形编程环境，以LabVIEW为设计平台，通过巴特沃斯低通、带通滤波器和切比雪夫低通、带通滤波器，把叠加的两个正弦信号滤掉其中的一个，通过滤波后的频谱来分析低通和带通滤波器的滤波特性，以及比较巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的优缺点。最后应用于实际工程中的高空行吊设备轨道谱试验数据，对这个实验的实测数据进行频谱分析，分析该实测数据在巴特沃斯和切比雪夫滤波器中的信号频率，得到需要的实验数据的频率结构[1－2]。 2 LabVIEW编写数字滤波器的仿真信号分析
2.1 巴特沃斯滤波器
（1）巴特沃斯低通滤波器的频谱特性
设置参数:当两正弦信号的幅值均为2.00，信号1的频率为5.00Hz，信号2的频率为50.00 Hz，采样点数为256，采样频率为256.00 Hz，截止频率为30.00 Hz，滤波阶数为3、5、8。运行结果发现，当滤波阶数调整为8阶，滤波后的输入信号为光滑的正弦曲线了，而且频谱图上50.00 Hz附近的谱线已经滤掉，滤波的效果非常好。
（2）巴特沃斯带通滤波器的频谱特性
带通滤波器滤波阶数为1、2、4阶时，低截止频率为0.50Hz，高截止频率为10.00Hz，其它参数和低通一样。运行结果发现，当滤波阶数调整为4阶，滤波后的输入信号已经是光滑的正弦曲线了，而且频谱图上50.00 Hz附近的谱线已经滤掉，滤波的效果非常好。
（3）小结:由以上比较可知，巴特沃斯的滤波效果与滤波阶数有关，滤波阶数越大，就越接近理想特性，滤波效果就越好；而且如果要达到相同的滤波效果，则带通滤波器远比低通滤波器需要少得多的滤波阶数。当低通滤波器的滤波阶数为8，带通滤波器的滤波阶数为4阶时，可以满足实测要求[3－4]。
2.2 切比雪夫滤波器
（1）切比雪夫低通滤波器的频谱特性
设置参数:两正弦信号的幅值均为2.00，信号1的频率为5.00Hz，信号2的频率为50.00Hz，采样点数为256，采样频率为256.00Hz，截止频率为30.00 Hz，滤波阶数为3、4、6阶，纹波系数0.05、0.10、0.50。发现，切比雪夫滤波器滤波阶数为6阶时获得与8阶巴特沃斯滤波器相近的滤波特性了，而且当波纹系数越大，滤波器的低通特性越好。
（2）切比雪夫带通滤波器的频谱特性
设置参数:两正弦信号的幅值均为2.00，信号 1 的频率为 5.00Hz，信号 2 的频率为 50.00Hz，采样点数为256，采样频率为256.00Hz，低截止频率为1.00Hz，高截止频率为10.00Hz，滤波阶数为1、2、4阶，纹波系数0.5。运行结果发现，当滤波阶数调整为4阶，滤波后的输入信号为光滑的正弦曲线了，而且频谱图上50.00 Hz附近的谱线已经滤掉，滤波的效果非常好。
（3）小结:切比雪夫滤波器的滤波效果不仅与滤波阶数有关，还与纹波系数有关，滤波阶数越大，滤波器的滤波特性越好；纹波系数越大，滤波器的滤波效果也越好；而且如果要
达到相同的滤波效果，则带通滤波器远比低通滤波器需要少得多的滤波阶数。同一类型的滤波器，要达到相近的滤波效果，切比雪夫所需要的阶数相对巴特沃斯要少。当纹波系数为0.50，低通滤波阶数取6阶，带通滤波阶数为4阶时，满足实测要求[3－4]。
3 LabVIEW编程的轨道谱试验实测数据的分析与处理
3.1 行吊装置各通道及轨道谱内容介绍
随着经济的飞速发展，集装箱吊运装置得到广泛的应用，这对吊运装置提出了更新更高的要求。高空行吊设备属于轮轨接触装置，它区别于其它运输方式的特点是轮轨的相互作用，行车运行时容易发生偏载现象，偏载对于在高速运行的行车而言容易导致事故发生，偏载系数是保证安全保障系数的重要参数，这也是轨道谱的研究其关键内容。
下面将对行车各个通道轨道谱的频率范围和峰值进行频谱分析，轨道谱各通道测试项目如表1所示。
表1 轨道谱各通道测试类型一览表?
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在所分析的参数中，有用实测信号的频率大概分布在 0 .5～40Hz，0.5～128 Hz，0.05～40Hz范围内，其它都是干扰信号，根据通道类型的不同选择通带频率，因此选择带通滤波器，滤掉通带频率以外的频率信号，再对其进行分析。若直接对实测信号进行处理，可以发现所得频谱的幅值很小，因此在以下分析中都对所得的频谱乘以100倍，如表2所示。
表2 通道的频率选择表通道1、2、3、45 、6、7、89 、10、11、12、13、14、15频率范围0.5～40Hz 0.5～128Hz 0.05～40Hz
利用LabVIEW采集行吊装置轨道谱信号并进行频谱分析，系统结构框图及FFT变换结构框图[5－7]如图 1所示。
图1 系统结构框图及FFT变换结构框图女票>萧然在线
3.2 轨道谱各通道的频谱分析
根据上面的频率选择表，选择各通道的通带频率范围，运行程序后，前面板结果如图2所示。
通道一（车体前端横向加速度）:缩小频率范围后如图3所示。
可见经过滤波后，信号的频率主要就集中在9.94 Hz附近了。重复以上操作，可得出经过滤波后:
通道二（车体前端垂向加速度）:信号的频率集中在9.94Hz附近。
通道三（车体中部横向加速度）:信号的频率集中在1.48Hz和11.14Hz附近。
图2 前面板运行结果
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通道四（车体中部垂向加速度）:信号的频率集中在1.16Hz和9.94Hz附近。
通道五（构架横向加速度）:信号的频率集中在 1.43 Hz、9.94 Hz、11.33 Hz、13.31 Hz、20.84 Hz及29.31八个点附近。
通道六（构架垂向加速度）:信号的频率集中在1.48Hz和9.63 Hz附近。
通道七（油箱横向加速度）:信号的频率集中在1.42Hz和9.89 Hz附近。
通道八（油箱垂向加速度）:信号的频率几乎为0.92Hz附近。
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