利用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)

　　工程設(shè)計(jì)可以從虛擬儀器中獲得什么？即便您對(duì)虛擬儀器并不熟悉，了解儀器如何影響工程設(shè)計(jì)也十分自然的。例如示波器等傳統(tǒng)儀器在測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中的不同階段及電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試階段都被廣泛地應(yīng)用。但是，憑借快速開(kāi)發(fā)工具、交互式設(shè)計(jì)功能以及與實(shí)際信號(hào)的自然關(guān)聯(lián)特性，虛擬儀器可以將工程設(shè)計(jì)帶入到一個(gè)新的時(shí)代。

　　例如數(shù)字信號(hào)處理（DSP）以及它與儀器之間的關(guān)系。數(shù)字信號(hào)處理器，簡(jiǎn)稱(chēng)為DSP，是一種針對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)運(yùn)算的微處理器。要使用DSP處理模擬信號(hào)，首先要用抗鋸齒濾波器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并將它送入到傳入DSP的數(shù)據(jù)流中。之后，DSP會(huì)以某種方式修改數(shù)據(jù)流，并通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）以及抗假象濾波器將信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)回模擬信號(hào)。通常而言，類(lèi)似示波器等傳統(tǒng)獨(dú)立儀器會(huì)使用定制的固定嵌入式DSP系統(tǒng)。除此之外，示波器其實(shí)還可以通過(guò)虛擬儀器技術(shù)在個(gè)人電腦（PC）上實(shí)現(xiàn)。利用PC的強(qiáng)大性能，使用PCI數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)實(shí)際輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，然后使用PC對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。這種虛擬儀器的方式可以使用戶(hù)依靠自行開(kāi)發(fā)的軟件程序和在PC或者實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上完成自定義的儀器功能。

　　虛擬儀器提供的強(qiáng)大設(shè)計(jì)工具使得具有不同技能層次和不同教育背景的人都可以快速設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)自定義測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)。相反，過(guò)去的工程設(shè)計(jì)要求開(kāi)發(fā)人員使用不相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具，還需要在領(lǐng)域設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都具備一定的工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)。本文描述了如何將虛擬儀器設(shè)計(jì)工具應(yīng)用到信號(hào)處理工程設(shè)計(jì)中，從而消除在設(shè)計(jì)和最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間的障礙。我們將通過(guò)研究數(shù)字信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與發(fā)布，并作為工程實(shí)例，來(lái)進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)題。

數(shù)字信號(hào)處理與虛擬儀器

　　首先，我們來(lái)討論一下虛擬儀器的概念，它的出現(xiàn)是為了解決傳統(tǒng)獨(dú)立儀器的局限性。過(guò)去，測(cè)試和測(cè)量工具通常由例如示波器和波形發(fā)生器等獨(dú)立儀器組成，它們?yōu)橛邢薜臏y(cè)量應(yīng)用提供了有限的功能集合。這種傳統(tǒng)儀器具有三個(gè)基本局限性：1）硬件對(duì)信號(hào)采集提供有限的精度與速度；2）儀器中內(nèi)建的廠商定義的有限的測(cè)量與分析函數(shù)；3）用戶(hù)操作界面的局限性。如果這些局限性中有任何一點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目規(guī)范的要求，那么就需要一個(gè)新的獨(dú)立儀器，這樣會(huì)大大增加最終系統(tǒng)成本。

　　自1976年以來(lái)，NI通過(guò)將傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器分成兩個(gè)基本部分為儀器帶入了一種新的觀念，這兩個(gè)部分是：對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化所需的硬件和分析顯示結(jié)果所需的軟件。允許最終用戶(hù)使用用戶(hù)定義的軟件為其應(yīng)用建立最終儀器，這樣儀器的局限性就被解決了，虛擬儀器的概念就是這樣誕生的。將軟件作為儀器，儀器就可以擴(kuò)展到測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)中。

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器而言，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)與數(shù)字信號(hào)處理相對(duì)于模擬信號(hào)處理而言的優(yōu)點(diǎn)是相似的。例如，模擬濾波器通常使用運(yùn)算放大器、電容和電阻等模擬電子元件實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于使用浮點(diǎn)或定點(diǎn)機(jī)器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器而言靈活性十分有限。盡管模擬濾波器比較便宜、易于建立，模擬濾波器的標(biāo)定和維護(hù)十分困難。要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改也十分難以實(shí)現(xiàn)。例如，如果后來(lái)發(fā)現(xiàn)需要一個(gè)更高階的濾波器，就必須改動(dòng)硬件實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字濾波器是用軟件建立的，并沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，從而在單一硬件上提供了可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用的靈活平臺(tái)。

　　除了虛擬儀器和數(shù)字信號(hào)處理都發(fā)揮了基于軟件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，虛擬儀器通過(guò)利用圖形化編程開(kāi)發(fā)環(huán)境NI LabVIEW使得易用性的優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)展，它能夠讓更多人參與到軟件開(kāi)發(fā)和儀器設(shè)計(jì)中去。LabVIEW不僅提供了完全與傳統(tǒng)的基于文本的編程語(yǔ)言所不同的圖形化編程方式，使得編程過(guò)程變得更加直觀與方便，同時(shí)還通過(guò)自帶的Mathscript兼容了文本的編程語(yǔ)言，使得用戶(hù)可以兼容已有的算法，或者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇合適的編程方式。這樣大大節(jié)省了需要熟悉編程環(huán)境和語(yǔ)法所需要的大量的時(shí)間。

　　這也是缺乏足夠的設(shè)計(jì)工具對(duì)數(shù)字信號(hào)處理所產(chǎn)生的影響？對(duì)于DSP工程師而言，使用傳統(tǒng)工具實(shí)現(xiàn)基于軟件的解決方案十分痛苦。典型的開(kāi)發(fā)過(guò)程從算法設(shè)計(jì)開(kāi)始，它需要使用多種數(shù)學(xué)建模環(huán)境，這要求對(duì)基于文本的命令和語(yǔ)法有著足夠的熟悉程度。在完成算法之后，嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了新的困難。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對(duì)實(shí)時(shí)處理概念、板載內(nèi)存可用性以及在軟件開(kāi)發(fā)中所需的基于文本的編程語(yǔ)言和語(yǔ)法有深入的知識(shí)。

　　在傳統(tǒng)的基于文本的設(shè)計(jì)工具中，調(diào)試又是相當(dāng)困難的。如果嵌入式系統(tǒng)沒(méi)有能夠按照期望的方式進(jìn)行工作，如何才能找出數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤如何對(duì)應(yīng)到具體的嵌入式系統(tǒng)代碼呢？例如量化、下溢出和上溢出等關(guān)于定點(diǎn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題很難進(jìn)行跟蹤，因?yàn)樗麄兂３Ｔ趯?shí)時(shí)執(zhí)行的前幾個(gè)循環(huán)中出現(xiàn)。例如斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、監(jiān)視可用寄存器和變量等常用的簡(jiǎn)單調(diào)試工具是不夠的，因?yàn)樗麄冃枰脩?hù)舍棄實(shí)時(shí)執(zhí)行，這樣也就無(wú)法使得問(wèn)題重現(xiàn)。

　　在最近20年中，來(lái)自成千上萬(wàn)家公司的工程師、科學(xué)家和技術(shù)員通過(guò)使用LabVIEW加速并簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，LabVIEW相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具而言更加強(qiáng)大，更加易于使用。LabVIEW具有通用編程語(yǔ)言所有的廣度和深度，其易用性提高了用戶(hù)效率，縮短了開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序所需的時(shí)間。

簡(jiǎn)化DSP設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇

　　以數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)為例，它是用NI LabVIEW和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包進(jìn)行開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)應(yīng)用和其他應(yīng)用中，虛擬儀器方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供了交互性——可以直接看到制定修改設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)果。

　　數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)首先要為濾波器類(lèi)型（低通、帶通、帶阻和高通）定義濾波器規(guī)范，確定是有限脈沖響應(yīng)（FIR）或是無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR），確定采樣速率以及浮點(diǎn)機(jī)器上所需的濾波器響應(yīng)。圖1給出了用于設(shè)計(jì)典型濾波器的交互式界面，例如巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫、橢圓、凱塞窗、多爾夫—切比雪夫窗以及等波紋FIR設(shè)計(jì)方法。圖1所示的設(shè)計(jì)是8 kHz采樣速率、1 kHz帶通、2 kHz帶阻、60 dB帶阻衰減的低通數(shù)字濾波器。在設(shè)計(jì)這些參數(shù)的時(shí)候，可以立刻看到當(dāng)前設(shè)計(jì)的幅度響應(yīng)和零極點(diǎn)圖，以及產(chǎn)生濾波器的階數(shù)。在圖1中，選擇了反切比雪夫?yàn)V波器因?yàn)樗哂休^好的過(guò)度帶特性和相對(duì)較低的濾波器階數(shù)。

圖1：典型濾波器設(shè)計(jì)Express VI提供了用于交互式設(shè)計(jì)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(hào)處理設(shè)計(jì)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。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(shù)圖標(biāo)即可。例如，反切比雪夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)可以方便地替換成雷米茲濾波器設(shè)計(jì)方法或是最小P階規(guī)范設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，在表1中所列的一系列編程設(shè)計(jì)選擇都可以用于設(shè)計(jì)中。雷米茲設(shè)計(jì)方法生成了FIR濾波器，可以將期望頻率響應(yīng)和實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器頻率響應(yīng)之間的最大誤差降到最小。這種設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)計(jì)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(guī)范（谷或峰）以及精確增益控制。最小P階規(guī)范方法可以用于設(shè)計(jì)帶有任意幅度和相位約束的FIR和IIR濾波器。使用數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包，最小P階規(guī)范方法使用牛頓法或迭代重賦權(quán)最小二乘（IRLS）法開(kāi)發(fā)解決方案。

表1：數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包提供了從傳統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)代應(yīng)用所需的程序化的濾波器設(shè)計(jì)工具套件。

　　在對(duì)定點(diǎn)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)果。傳統(tǒng)的通過(guò)文本軟件定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的方法往往效率高、成本低，但是由于算法精度較低，其設(shè)計(jì)過(guò)程也更為復(fù)雜。

　　使用LabVIEW和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包，定點(diǎn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程首先是對(duì)浮點(diǎn)濾波器進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)設(shè)計(jì)會(huì)大大改變?yōu)V波器的特性和性能。實(shí)現(xiàn)了指定定長(zhǎng)寄存器的整數(shù)字長(zhǎng)、濾波器拓?fù)涞绕渌麉?shù)，這些對(duì)于確保濾波器按照設(shè)計(jì)期望進(jìn)行工作是十分關(guān)鍵的。對(duì)定點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡婧头治隹梢员苊庵笤谡{(diào)試設(shè)計(jì)的時(shí)候，在千萬(wàn)行嵌入式系統(tǒng)代碼中進(jìn)行調(diào)試查找。集成在VI設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)到定點(diǎn)設(shè)計(jì)之間的過(guò)渡。

　　另外一個(gè)使得定點(diǎn)數(shù)字濾波設(shè)計(jì)非常困難的原因是，參數(shù)量化、中間運(yùn)算和結(jié)果向系統(tǒng)引入了噪聲。此外，如果在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中沒(méi)有足夠的空間，就會(huì)發(fā)生上溢出。LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包中的定點(diǎn)建模、仿真和分析功能能夠在設(shè)計(jì)階段找出實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤源頭。例如，對(duì)于圖1設(shè)計(jì)的低通濾波器進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)使用定點(diǎn)建模VI，就可以在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇定點(diǎn)系統(tǒng)、指定字長(zhǎng)、整數(shù)字長(zhǎng)以及設(shè)計(jì)中關(guān)鍵位置的舍入和溢出模式。為了對(duì)最終實(shí)現(xiàn)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?fù)洌瑥腇IR直接形式1到IIR級(jí)聯(lián)二階部分（形式I或II、轉(zhuǎn)置），直至網(wǎng)格ARMA（基本、一個(gè)乘法器或歸一化部分）。