滤波器设计—fdatool工具及代码设计

黎美琪201300800610 通信工程2班

实验一基于FDATool的FIR及IIR滤波器设计

一、实验目的：

1.学会使用fdatool设计滤波器

2.分析比较不同滤波器的特性

二、实验条件

Matlab 2013b pc机

三、实验过程

知识储备：使用FDATool设计FIR滤波器的具体步骤

1.1 滤波器指标

若需要设计一个16阶的FIR滤波器（h(0)=0），给定的参数如下：

(1) 低通滤波器

注：阶数问题

这个选项直接影响滤波器的性能，阶数越高，性能越好，但是相应在FPGA实现耗用的资源需要增多。在这个设置中提供2个选项：Specify order和Minimum order，Specify order是工程师自己确定滤波器的阶数，Minimum order是让工具自动确定达到期望的频率相应所需要的最小阶数。

(2) 采样频率Fs为8kHz，滤波器Fpass为3kHz，Fstop为3050hz

(3) 输入序列位宽为9位（最高位为符号位）在此利用MATLAB来完成FIR滤波器系数的确定。

1.2 打开MATLAB的FDATool

MATLAB集成了一套功能强大的滤波器设计工具FDATool（Filter Design & Analysis Tool），可以完成多种滤波器的设计、分析和性能评估。在MATLAB主命令窗口内键入“fdatool”，打开FDATool程序界面，如图B.2所示。

1.3 滤波器设计

FDATool界面左下侧排列了一组工具按钮，其功能分别如下所述：

滤波器转换（TransForm Filter）

设置量化参数（Set Quantization Parameters）

实现模型（Realize Model）

导入滤波器（Import Filter）

多速率滤波器（Multirate Filter）

零极点编辑器（Pole-zero Editor）

设计滤波器（Design Filter）

选择其中的选择Design Filter按钮，进入设计滤波器界面，进行下列选择，如图B.3所示。

滤波器类型（Filer Type）为低通（Low Pass）

设计方法（Design Method）为FIR/IIR，分别采用Equiripple、Least-squares、Window、Constr.LeastPth-norm 、Constrained Equiripple、Constr.Band Equiripple（FIR滤波器设计）和 Butterworth、Chebyshev Type I、Chebyshev Type I、Elliptic、Maximally flat、Least Pth-norm、Constr.LeastPth-norm（IIR滤波器设计）。

滤波器阶数（Filter order）定制为15

Fs =8kHz，Fpass=3kHz ，Fstop=3050hz

最后单击Design Filter 图标，让MATLAB 计算FIR 滤波器系数并作相关分析。其系统函数H(z)可用下式来表示：

显然上式可以写成:

即可以看成是一个15 阶的FIR 滤波器的输出结果经过了一个单位延时单元，所以在FDATool 中,把它看成15 阶FIR 滤波器来计算参数。

1.4滤波器分析

计算完FIR 滤波器系数以后，往往需要对设计好的FIR 滤波器进行相关的性能分析，以便了解该滤波器是否满足设计要求。分析操作步骤如下：选择选择工具栏中“Magnitude and Phase Response”，启动幅、相频比较分析；选择工具栏中的圆图图标，启动零极点位置分析（主要分析滤波器的稳定性，但是通过滤波器基本信息栏也可以直接看滤波器的稳定性）。

除此之外，工具栏{ }的不同图标还可以对滤波器进

行群延时、相位延时、单位脉冲响应、单位阶跃响应、滤波器的系数的分析（此实验中没有对各方面都展开分析）。

在图形的左侧，显示了当下滤波器的基本信息，如：

1.5量化

可以看到，FDATool计算出的值是一个有符号的小数，如果建立的FIR滤波器模型需要一个整数作为滤波器系数，就必须进行量化，并对得到的系数进行归一化。为此，单击FDATool 左下侧的工具按钮进行量化参数设置。量化参数有三种方式：双精度、单精度和定点。（注意：当使用DSP处理器时，FTR滤波器的系数要量化，量化误差将导致所设计的滤波器形状发生很大的变化；对于IIR滤波器，会改变滤波器的特性，甚至导致滤波器不稳定。）

1.6 导出滤波器系数

为导出设计好的滤波器系数，选择FDATool菜单的“File”→“Export”命令，打开

Export（导出）对话框，选择导出到工作区（Workplace）。这时FIR滤波器系数就存入到一个一维变量Num（名称按照顺序取为a-g）中了，不过这时Num中的元素是以小数形式出现的。对于IIR滤波器，导出得到矩阵SOS（名称按照顺序取为h、k-p）和G（名称按照顺序取为

h1、k1-p1）。

导出后的数据在workplace中的显示如下：

其中FIR滤波器系数

对于IIR滤波器：

[b,a]=sos2tf(SOS);得到滤波器系统函数的分子分母多项式系数，只是差了一个比例因子k。

K=cumprod(G); k=K(end);

滤波输出结果filteredpWave可以这样求：

filteredpWave=filter(b,a,pWave)*k;

导出的数与传输函数的系数的关系

a，b含义，在MATLAB中函数如下公式：

这种用法主要出现在信号处理方向，控制方向上主要使用z，而不是z^-1，这是习惯问题，

都一样。

其次，了解了其具体函数，则它的传递函数就好写了，如下：

h = tf(b,a,0.1,'variable','z^-1'); %0.1表示采样时间，你可以根据自己设计的滤波器来设

定。h表示的传递函数就是上面公式中的H(z)。

当然，你也可以用“Discrete Transfer Fcn”模块来建立传递函数，由于这个模块是直接以Z的

形式，所以a,b系统应该倒过来写，相信这个你应该理解。

按照上述操作，得到的滤波器设计相关图形如下：

FIR滤波器设计

滤波器幅度、相位响应滤波器零极点图形滤波器单位脉冲响应Equiripple

Least-squares

Window（Kaiser Beta=0.5）

滤波器幅度、相位响应滤波器零极点图形滤波器单位脉冲响应Constr.LeastPth-norm

Constrained Equiripple

Constr.Band Equiripple

II R滤波器设计

滤波器幅度、相位响应滤波器零极点图形滤波器单位脉冲响应Butterworth（min order175）

Chebyshev Type I（min order 32）

Chebyshev Type II（min order 32）

Elliptic（min order 12）

Maximally flat

LeastxPth-norm、

Constr.Least Pth-norm

虽然以上的IIR滤波器的极点都是在单位圆上，但是上述滤波器都是稳定的，从其基本信息可以看出

图形数据分析：

1.通过观察FIR滤波器的“幅度相位图”及“脉冲响应图”可以发现，脉冲响应关于中点

对称的FIR滤波器无相位失真。对称的脉冲响应产生了通带内的线性相位关系。这样，线

性相位关系也保证无相位失真；但是IIR滤波器的相位均是非线性的，即其不能保证无相位

失真。

2.对于给定的滤波器形状，IIR滤波器较FIR滤波器所需要的系数要少。

3.从“零极点图”可以发现，滤波器的系数为N个，对应的有N-1个零点和N-1个极点，

FIR滤波器的极点都位于单位圆内（原点），即所有的FIR滤波器都是稳定的。而IIR（它是

递归滤波器）的极点由分母多项式所确定，极点分布在单位圆内及单位圆上，这意味着不能

保证其稳定性，但是从基本信息处可以看到上面所讨论的几种IIR滤波器是稳定的。

4.通常的几种模拟滤波器的特性：Butterworth滤波器在通带和阻带都是单调的，意味着

它们在一个方向上平滑变化；Chebyshev Type I滤波器在阻带内是单调的，但是在通带内是

有波纹的；Chebyshev Type II滤波器在通带内是单调的，但是在阻带内是有波纹的；Elliptic

滤波器在通带和阻带内都有波纹。

5.对于同样的设计要求，切比雪夫滤波器(min order 32)比巴特沃斯滤波器(min order175)

的阶数要低得多。

补充说明：

实验二利用函数法设计FIR及IIR滤波器

一、实验目的

1.熟悉掌握设计滤波器的操作步骤

2.学会用频率响应采样法和窗函数法设计FIR滤波器，并比较其性能

3.学会用单位脉冲响应法和双线性法设计IIR滤波器，并比较其性能

二、实验条件

Matlab 2013b pc机

三、实验过程

滤波器指标：Fs=8000hz；fpass=3000hz；fstop=3050；δs=0.1；δp=0.1

（1）窗函数法设计FIR低通滤波器（主要可以参见实验四）

设计步骤

1.在过渡带宽度的中间，选择通带边缘频率（Hz）：

f1=fpass+(fstop-fpass)/2=3025

2.计算Ω1=2*pi*f1/Fs,并将此值代入理想低通滤波器的脉冲响应h1[n]中：

h1[n]=sin(n*Ω1)/(n*pi)= sin(n*0.75625*pi)/(n*pi)

3.计算滤波器阻带衰减为

Dbs=|20lg（0.1）|=20

通带边缘增益为

Dbp=20lg（1-0.1）=-0.91

从表1中选择满足阻带衰减及其他滤波器要求的窗函数—矩形窗，用表中的公式计算所需窗的非零项目数目

N=0.91*Fs/（fstop-fpass）=145.6

选择奇数项145，这样脉冲响应完全可以对称，避免了滤波器产生相位失真，对于

|n|<=(N-1)/2,设计窗函数w[n]。

表1

4.对于|n|<=(N-1)/2,从式h[n]=h1[n]w[n]计算（有限）脉冲响应，对于其他n值h[n]=0,此

脉冲响应是非因果的。

5.将脉冲响应右移(N-1)/2，确保第一个非零值在n=0处，使此低通滤波器为因果的。

编写代码如下：

%LPF design 窗函数法

clc;clear all;close all;

omga_d=3025*pi/4000; %理想低通滤波器的频率

omga=[0:pi/100:pi];

N=145;

w1=window(@rectwin,N);%矩形窗

subplot(411);

plot(1:N,w1);

axis([1 N 0 1.1]);%取值范围不同，矩形窗的中心位置不同

title('窗函数时域形状');

legend('rectwin');%标注窗函数名称

M=floor(N/2);%M=72

n=1:M;

%hd=sin(n*omga_d)./(n*omga_d)*omga_d/pi;

hd=sin(n*omga_d)./(n*pi);%理想低通滤波器对应的脉冲响应的右边序列

hdd=[fliplr(hd),1/omga_d,hd]; %绘制原脉冲函数图像，关于（N+1）/2对称subplot(412);

plot(1:N,hdd);axis([1 N -0.2 0.45]);

title('脉冲函数hd（n）');

h_d1=hdd.*w1';%被窗函数截取后的脉冲函数

m=1:M;

H_d1=2*cos(omga'*m)*h_d1(M+2:N)'+h_d1(M+1);%对截取后的脉冲函数做newdtft运算得到H

subplot(413);

plot(omga,H_d1);grid on;

axis([0 pi 0 1]);

title('窗函数法得滤波器形状H');

subplot(414);

plot(abs(fft(h_d1))');

title('fft求得滤波器形状');

图形显示：

虽然矩形窗得到的低通滤波器有较好的特性，但是由于其边缘陡峭，旁瓣出现振铃，且变化较为明显。

（2）频率响应采样法设计FIR低通滤波器。

设计原理及滤波器性能分析：

.频率采样法是从频域出发，对给定的理想滤波器的频响进行N点等间隔采样

然后以此Hd(k)作为实际FIR滤波器的频率特性采样值H(k)，即令：

由DFT定义，可以用这N个频域的采样值H(k)来惟一确定FIR的单位脉冲响应h(n)，即：

图示如下：

对设计出的滤波器频率响应特性进行分析。由频域采样定理中的内插公式可以知道，利用这N个频域采样值H(k)同样可以求得FIR滤波器的频率响应，这个将逼近理想滤波器的频响。的内插公式为：

（1）式中（w）是内插函数：

（2）

把（2）式带入（1）式，化简后可得：

（3）

从式(3)可以看到，在各频率采样点上，设计的滤波器，实际的频率响应严格地与理想滤波器的频率响应数值相等，即

但是在采样点之间的频率响应是由各采样点的加权内插函数叠加而形成的，因而有一定的逼近误差。该误差大小取决于理想频率响应的形状，理想频响特性变化越平缓，内插值越接近理想值，逼近误差越小；反之，如果采样点之间的理想频响特性变化越陡，则内插值与理想值之间的误差越大，因而在理想滤波器不连续点的两边，就会产生尖峰，而在通带和阻带就会产生波纹。

线性相位条件：

FIR滤波器的最大优点是严格的线性相位特性。下面讨论为实现线性相位，在频域内采样得到的Hd(k)应满足什么条件。FIR滤波器具有线性相位的条件是h(n)是实序列，且满足

h(n)=±h(N-1-n)，即h(n)关于对称，其中N为滤波器的长度。以第一类线性相位条件h(n)=h(N-1-n)(偶对称)为基础来推导频域采样Hd(k)满足的条件。

理想滤波器的频率响应可以表示为：

（4）

为实现第一类线性相位条件，相位函数θ(ω)和幅度函数Hg(ω)应分别满足：

（5）

（6）

在w=0~2*pi之间对进行N点等间隔采样，即，将w 代入式（4）、（5）、（6）并表示为k的函数，可以得到：

（7）

（8）

（9）

式(8)和式(9)就是频率采样值Hd(k)满足第一类线性相位的条件。

设计步骤：

1. 确定希望逼近的理想滤波器的频率响应

2. 在频域内对进行k点等间隔采样，利用频率采样设计公式求频率采样值Hd(k)，采样间隔△ω=π／k=1/512π，这样在通带内共有c个采样点，分别是k=0，1，c-1。

3. 用离散傅里叶逆变换求得要设计的实际滤波器的单位脉冲响应h(n)：

4. 根据傅里叶变换的定义求得实际滤波器的频率响应，验证是否满足滤波器技术指标的要求，主要验证滤波器的阻带衰减是否能够满足阻带的要求。

Matlab代码中需要用到的函数知识

>> help linspace

linspace Linearly spaced vector.

linspace(X1, X2) generates a row vector of 100 linearly

equally spaced points between X1 and X2.

linspace(X1, X2, N) generates N points between X1 and X2.

For N = 1, linspace returns X2.

编写代码如下：

%LPF design 频率响应采样法

%待设计滤波器的基本参数

f_p=3000;%所设计滤波器的通带边缘频率

f_s=3050;%阻带边缘频率

Fs=8000;%采样频率%All in Hz

delta_p=0.1;%通带波纹

delta_s=0.1;%阻带波纹

omg_p=2*pi*f_p/Fs;%通带边缘模拟频率转化为数字频率

omg_s=2*pi*f_s/Fs;%阻带边缘模拟频率转化为数字频率

K=512;%理想滤波器长度

M=56;%单位脉冲响应单边长度

C=floor((omg_p+omg_s)/2/pi*K);%理想滤波器中有值部分长度？？？

Mag=[ones(1,C),zeros(1,K-C)];%幅度

phi=linspace(0,pi,K)*M/2;%相位，范围为0-pi，间隔为pi/K，线性相位特性omg*M/2 H=Mag.*exp(-1j*phi);%|H|*e^j*omg*M/2，待设计的理想滤波器

H=[H,conj(fliplr(H(1:K-1)))];%将H转换为因果的

h0=fftshift(real(ifft(H)));

h=h0(K+M/2-M:K+M/2+M);%相移e^j*omg*M/2,时域采样平移M/2个点

subplot(211);

plot(h);%脉冲响应

axis([1 120 -0.2 0.8]);

title('脉冲函数hd（n）');

subplot(212);

plot(abs(fft(h)));%所设计的滤波器的形状

title('所设计的滤波器形状');

图像显示：

增加过渡带抽样点，可加大阻带衰减，但是导致过渡带变宽

增加N,使抽样点变密，减小过渡带带宽，但是增加了计算量

优点：频域直接计算

缺点：抽样频率只能是2π/N或者π/N的整数倍，截止频率不能任意取值

（3）单位脉冲响应法设计IIR滤波器

核心原理：通过对连续函数ha（t）等间隔采样得到离散序列ha（nT）。令h（n）=ha（nT），T为采样间隔。它是一种时域上的转换方法。

设计步骤：

1. 由模拟滤波器的传输函数Ha（s）求出其对应的模拟冲激响应ha（t）

2. 对ha（t）每T秒进行一次采样，采样时间为t=nT，得到数字脉冲响应h（n）=ha（nT）

3. 由h（n）进行z变换可以求出数字滤波器的传输函数H（z）

4. 将z用ej*Omga替换得到数字滤波器的频率响应H（Omga）

编写代码如下：（用要求的参量得不到需要设计的滤波器，这里更换了参数）

%LPF design 脉冲响应不变法(Butterworth)

fp=100;

fs=300;

Rp=0.91;%通带衰减系数

Rs=20;%阻带衰减系数

Fs=1000;

wp=2*pi*fp;

ws=2*pi*fs;

[N,Wn]=buttord(wp,ws,Rp,Rs,'s')%求滤波器所需阶数及截止频率

[B,A]=butter(N,Wn,'s')%计算滤波器传输函数系数

W=0:pi/100:pi;

[H,W]=freqs(B,A,W);%滤波器频率响应

%H=20*log10(abs(H));

plot(W,H),grid on;

xlabel('rad');ylabel('幅度/db');

title('所设计的滤波器形状');

axis([0 pi 0 1.1]);

运行结果

N = 3 Wn = 876.3856

B =1.0e+08 *

0 0 0 6.7311

A = 1.0e+08 *

0.0000 0.0000 0.0154 6.7311

图形显示：

（4）双线性法设计IIR滤波器

设计步骤

1.确定待求通带边缘频率fpass=3000hz，待求阻带边缘频率fstop=3050hz，待求阻带衰减

20db，通带边缘增益-0.91db。

2.用式子Ω=2π*f/Fs把由hz表示的待求边缘频率转化为由弧度表示的数字频率，得到Ω

pass、Ωstop。

3.计算预扭曲模拟频率以避免双线性变换带来的失真。由w=2Fs*tan（Ω/2）求得wpass和

wstop单位是弧度/秒。

4.计算所需滤波器的阶数

5.把wpass带入n阶模拟巴特沃斯滤波器传输函数H（s）中，并且对其进行双线性变换s=2Fs*

（z-1）/（z+1）得到n阶数字传输函数H（z）。

6.由H(z)求出滤波器实现所需的差分方程。

7.把w=2Fs*tan（Ω/2）代入

即可得滤波器的形状|H（Ω）|。

编写代码如下：

%LPF design 双线性变换法(Butterworth)

%待设计滤波器的基本参数

fpass=3000;fstop=3050;Fs=8000;%单位hz

Rs=0.1; %阻带波纹

Rp=0.1; %通带波纹

omg_pass=2*pi*fpass/Fs %通带截止频率数字频率

omg_stop=2*pi*fstop/Fs %阻带截止频率数字频率，单位rad

wpass=2*Fs*tan(omg_pass/2)

wstop=2*Fs*tan(omg_stop/2) %预扭曲模拟频率，单位rad/s

n=ceil((log10(1/(Rs)^2-1))/(2*log10(wstop/wpass)))

%所需滤波器阶数,ceil向上取整

omg=0:pi/100:pi;

H=1./sqrt((2*Fs*tan(omg./2)./wpass).^(2*n)+1);

plot(omg,abs(H));grid on;

title('所设计的滤波器形状');

axis([0 pi 0 1.1]);

xlabel('数字频率/（rad）');ylabel('幅度');

计算结果：

omg_pass =2.3562 omg_stop =2.3955

wpass =3.8627e+04 wstop =4.0880e+04

n =41

图形显示：

滤波特性较好，通带内没有波纹，边缘较陡峭

分析比较

1. 对比实验一和实验二:Fdatool直接设计滤波器方便快捷图形也准确；函数法设计滤波器能够表现出滤波器设计的原理，但是操作比较复杂，比较耗时且易出错。

2.对比频率采样法和窗函数法设计滤波器：频率采样法是从频域出发直接设计滤波器的，而窗函数法是从时域出发设计滤波器的，两种设计方法各有优缺点。窗函数法设计FIR数字滤波器是傅里叶变换的典型运用，而频率采样法设计的指导思想是频域采样定理及内插公式，其阻带衰减的改善是通过增加过采样点实现的，同时为保证过渡带宽的不变，滤波器的采样点数也要相应增加，计算复杂度也随之成倍增加，这就要求在用频率采样法设计FIR滤波器时，要综合考虑阻带衰减和滤波器长度的要求，从而达到设计的最优化。

3.对比脉冲响应不变法和双线性变换法设计滤波器：两者均需要以某种模拟滤波器为基础(此实验中选择了巴特沃斯)，两者虽然都有较为明确的计算公式，但是高阶的巴特沃斯模拟滤波器的H（s）函数表达式较为复杂，所以一般借助matlab函数解决；双线性变换法的计算较

简单，流程较清晰，且最后得到的滤波器的效果较好。

4.对比所得到的滤波器的性能：窗函数法设计的滤波器选择性较好，但是通带和阻带内有波纹；频率响应采样法设计的滤波器通带内有波纹，阻带较平滑；脉冲响应不变法设计的滤波器带内没有波纹，衰减较快，阻带较为平滑；双线性变换法设计的滤波器有较好的选择性通带内没有波纹，衰减较快，阻带较为平滑（巴特沃斯特性）。

5.将所得滤波器与要求的参量对比：所有设计的滤波器大致都能够达到要求。

四、思考学习

通过此次实验学会了如何利用fdatool设计滤波器，方法简单操作也很便捷，但是在IIR滤波器系数的计算上花了一点时间理解，而且在导出滤波器的系数时要注意其取名，否则在运行时若取同名的变量其数据会被覆盖。利用脉冲响应不变法设计滤波器的过程中遇到了一些困难，将所要求的滤波器参数带入程序中不能显示滤波器波形，且B（传输函数分母系数）显示为NaN，经百度得nan是“非数”的意思，“0/0”、“∞/∞”、“0*∞”都会产生这种结果，后来为了出图，把参数做了一定的改变。要比较不同的方法所设计出的滤波器性能，应当将其横纵坐标格式统一。

FIR数字滤波器设计与使用

实验报告 课程名称：数字信号处理指导老师：刘英成绩：_________________实验名称： FIR数字滤波器设计与使用同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求 设计和应用FIR低通滤波器。掌握FIR数字滤波器的窗函数设计法，了解设计参数（窗型、窗长）的影响。 二、实验内容和步骤 编写MATLAB程序，完成以下工作。 2-1 设计两个FIR低通滤波器，截止频率 C =0.5。 （1）用矩形窗，窗长N=41。得出第一个滤波器的单位抽样响应序列h 1(n)。记下h 1 (n) 的各个抽样值，显示h 1 (n)的图形（用stem(.)）。求出该滤波器的频率响应（的N 个抽样）H 1(k)，显示|H 1 (k)|的图形（用plot(.)）。 （2）用汉明窗，窗长N=41。得出第二个滤波器的单位抽样响应序列h 2(n)。记下h 2 (n) 的各个抽样值，显示h 2(n)的图形。求出滤波器的频率响应H 2 (k)，显示|H 2 (k)|的 图形。 （3）由图形，比较h 1(n)与h 2 (n)的差异，|H 1 (k)|与|H 2 (k)|的差异。 2-2 产生长度为200点、均值为零的随机信号序列x(n)（用rand(1,200)0.5）。显示x(n)。 求出并显示其幅度谱|X(k)|，观察特征。 2-3 滤波 （1）将x(n)作为输入，经过第一个滤波器后的输出序列记为y 1(n)，其幅度谱记为|Y 1 (k)|。 显示|X(k)|与|Y 1 (k)|，讨论滤波前后信号的频谱特征。 （2）将x(n)作为输入，经过第二个滤波器后的输出序列记为y 2(n)，其幅度谱记为|Y 2 (k)|。 比较|Y 1(k)|与|Y 2 (k)|的图形，讨论不同的窗函数设计出的滤波器的滤波效果。 2-4 设计第三个FIR低通滤波器，截止频率 C =0.5。用矩形窗，窗长N=127。用它对x(n)进行滤波。显示输出信号y

巴特沃斯数字低通滤波器

目录 1.题目.......................................................................................... .2 2.要求 (2) 3.设计原理 (2) 3.1 数字滤波器基本概念 (2) 3.2 数字滤波器工作原理 (2) 3.3 巴特沃斯滤波器设计原理 (2) 3.4脉冲响应不法 (4) 3.5实验所用MA TLAB函数说明 (5) 4.设计思路 (6) 5、实验内容 (6) 5.1实验程序 (6) 5.2实验结果分析 (10) 6.心得体会 (10) 7.参考文献 (10)

一、题目：巴特沃斯数字低通滤波器 二、要求：利用脉冲响应不变法设计巴特沃斯数字低通滤波器，通带截止频率100HZ,采样频率1000HZ ，通带最大衰减为0.5HZ ，阻带最小衰减为10HZ ，画出幅频、相频相应相应曲线。并假设一个信号x(t)=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),其中f1=50HZ,f2=200HZ 。用此信号验证滤波器设计的正确性。 三、设计原理 1、数字滤波器的基本概念 所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，或者滤波器除某些频率成分的数字器件或程序，因此，数字滤波的概念和模拟滤波相同，只是的形式和实现滤波方法不同。正因为数字滤波通过数值运算实现滤波，所以数字滤波处理精度高、稳定、体积小、质量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实验模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能。如果要处理的是模拟信号，可通过A\DC 和D\AC,在信号形式上进行匹配转换，同样可以使用数字滤波器对模拟信号进行滤波。 2、数字滤波器的工作原理 数字滤波器是一个离散时间系统，输入x(n)是一个时间序列，输出y(n)也是一个时间序列。如数字滤波器的系统函数为H(Z),其脉冲响应为h(n),则在时间域内存在下列关系 y(n)=x(n) h(n) 在Z 域内，输入输出存在下列关系 Y(Z)=H(Z)X(Z) 式中，X(Z),Y(Z)分别为输入x(n)和输出y(n)的Z 变换。 同样在频率域内，输入和输出存在下列关系 Y(jw)=X(jw)H(jw) 式中，H(jw)为数字滤波器的频率特性，X(jw)和Y(jw)分别为x(n)和y(n)的频谱。w 为数字角频率，单位rad 。通常设计H(jw)在某些频段的响应值为1，在某些频段的响应为0.X(jw)和H(jw)的乘积在频率响应为1的那些频段的值仍为X(jw)，即在这些频段的振幅可以无阻碍地通过滤波器，这些频带为通带。X(jw)和H(jw)的乘积在频段响应为0的那些频段的值不管X(jw)大小如何均为零，即在这些频段里的振幅不能通过滤波器，这些频带称为阻带。 一个合适的数字滤波器系统函数H(Z)可以根据需要输入x(n)的频率特性，经数字滤波器处理后的信号y(n)保留信号x(n)中的有用频率成分，去除无用频率成分。 3、巴特沃斯滤波器设计原理 （1）基本性质 巴特沃斯滤波器以巴特沃斯函数来近似滤波器的系统函数。巴特沃斯滤波器是根据幅频特性在通频带内具有最平坦特性定义的滤波器。 巴特沃思滤波器的低通模平方函数表示1 () ΩΩ+ =Ωc N /22 a 11 ) (j H

绝对经典的低通滤波器设计报告

经典 无源低通滤波器的设计

团队：梦知队 团结奋进，求知创新，追求卓越，放飞梦想 队员： 日期：2010.12.10 目录 第一章一阶无源RC低通滤波电路的构建 (3) 1.1 理论分析 (3) 1.2 电路组成 (4) 1.3 一阶无源RC低通滤波电路性能测试 (5) 1.3.1 正弦信号源仿真与实测 (5) 1.3.2 三角信号源仿真与实测 (10) 1.3.3 方波信号源仿真与实测 (15) 第二章二阶无源LC低通滤波电路的构建 (21) 2.1理论分析 (21) 2.2 电路组成 (22) 2.3 二阶无源LC带通滤波电路性能测试 (23) 2.3.1 正弦信号源仿真与实测 (23) 2.3.2 三角信号源仿真与实测 (28)

2.3.3 方波信号源仿真与实测 (33) 第三章结论与误差分析 (39) 3.1 结论 (39) 3.2 误差分析 (40) 第一章一阶无源RC低通滤波电路的构建1.1理论分析 滤波器是频率选择电路，只允许输入信号中的某些频率成分通过，而阻止其他频率成分到达输出端。也就是所有的频率成分中，只是选中的部分经过滤波器到达输出端。 低通滤波器是允许输入信号中较低频率的分量通过而阻止较高频率的分量。 图1 RC低通滤波器基本原理图 当输入是直流时，输出电压等于输入电压，因为Xc无限大。当输入

频率增加时，Xc减小，也导致Vout逐渐减小，直到Xc=R。此时的频率为滤波器的特征频率fc。 解出，得： 在任何频率下，应用分压公式可得输出电压大小为： 因为在＝时，Xc=R，特征频率下的输出电压用分压公式可以表述为： 这些计算说明当Xc=R时，输出为输入的70.7%。按照定义，此时的频率称为特征频率。 1.2电路组成

实验6 无限冲激响应数字滤波器设计

实验6无限冲激响应数字滤波器设计 实验目的： 掌握双线性变换法及脉冲相应不变法设计IIR数字滤波器的具体设计方法及其原理，熟悉用双线性变换法及脉冲响应不变法设计低通、高通和带通IIR数字滤波器的计算机编程。 实验原理： 在MATLAB中，可以用下列函数辅助设计IIR数字滤波器：1)利用buttord 和cheblord可以确定低通原型巴特沃斯和切比雪夫滤波器的阶数和截止频率； 2)[num,den]=butter（N,Wn）(巴特沃斯)和[num,den]=cheby1（N,Wn）,[num,den]=cheby2（N,Wn）(切比雪夫1型和2型)可以进行滤波器的设计；3）lp2hp，lp2bp，lp2bs可以完成低通滤波器到高通、带通、带阻滤波器的转换；4)使用bilinear可以对模拟滤波器进行双线性变换，求得数字滤波器的传输函数系数；5)利用impinvar可以完成脉冲响应不变法的模拟滤波器到数字滤波器的转换。 例3-1 设采样周期T=250μs（采样频率fs =4kHz），用脉冲响应不变法和双线性变换法设计一个三阶巴特沃兹滤波器，其3dB边界频率为fc =1kHz。 [B,A]=butter(3,2*pi*1000,'s'); [num1,den1]=impinvar(B,A,4000); [h1,w]=freqz(num1,den1); [B,A]=butter(3,2/0.00025,'s');

[num2,den2]=bilinear(B,A,4000); [h2,w]=freqz(num2,den2); f=w/pi*2000; plot(f,abs(h1),'-.',f,abs(h2),'-'); grid; xlabel('频率/Hz ') ylabel('幅值/dB') 程序中第一个butter的边界频率2π×1000，为脉冲响应不变法原型低通滤波器的边界频率；第二个butter的边界频率2/T=2/0.00025，为双线性变换法原型低通滤波器的边界频率.图1给出了这两种设计方法所得到的频响，虚线为脉冲响应不变法的结果；实线为双线性变换法的结果。脉冲响应不变法由于混叠效应，使得过渡带和阻带的衰减特性变差，并且不存在传输零点。同时，也看到双线性变换法，在z=-1即Ω=π或f=2000Hz处有一个三阶传输零点，这个三阶零点正是模拟滤波器在ω=∞处的三阶传输零点通过映射形成的。 例2 设计一数字高通滤波器，它的通带为400～500Hz，通带内容许有0.5dB的波动，阻带内衰减在小于317Hz的频带内至少为19dB，采样频率为1,000Hz。 wc=2*1000*tan(2*pi*400/(2*1000)); wt=2*1000*tan(2*pi*317/(2*1000)); [N,wn]=cheb1ord(wc,wt,0.5,19,'s'); [B,A]=cheby1(N,0.5,wn,'high','s'); [num,den]=bilinear(B,A,1000); [h,w]=freqz(num,den); f=w/pi*500; plot(f,20*log10(abs(h))); axis([0,500,-80,10]); grid; xlabel('') ylabel('幅度/dB')

数字滤波器设计与分析

吉林大学仪器科学与电气工程学院本科生实习报告 实习题目：信号分析和处理 实习时间：2012.09 专业：电气工程及其自动化 所在班级：65100615 学生姓名：王双伟 指导教师：朱凯光田宝凤林婷婷

信号实习报告 一.实验目的 加深对信号系统与信号处理理论的理解，学会信号处理的基本知识和方法，并在基本技能方面得到系统训练；熟悉MA TLAB编程环境，掌握MA TLAB编程基本技能，以及程序调试仿真方法，能够采用MATLAB语言和工具进行信号处理；掌握现代信号分析与处理技术，包括信号频谱分析和数字滤波器（FIR、IIR）设计，学会信号处理系统设计与系统功能检测的基本方法；将理论知识与实际应用结合，提高学生解决实际问题的动手能力，为信号系统与信号处理知识的应用、后续专业学习以及今后从事相关科学研究和实际工作打下坚实基础。二.实验工具 计算机，matlab软件 三.实验内容 设计FIR数字带通滤波器，对于给定函数s=sin(2πx100t)+sin(2πx200t)+sin(2πx400t)，设计带通滤波器滤除100和400赫兹的频率，并画出滤波前后的时频图及滤波器的增益图。 f1=100;f2=200;f3=400; fs=2000; m=(0.3*f1)/(fs/2); M=round(8/m); N=M-1; fc=[0.15,0.3]; b=fir1(N,fc); figure(1) [h,f]=freqz(b,1,1000); plot(f*fs/(2*pi),20*log10(abs(h))) xlabel('频率/赫兹'); ylabel('增益/分贝'); title('滤波器的增益响应'); figure(2) subplot(211) t=0:1/fs:0.5; s=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t)+sin(2*pi*f3*t); plot(t,s); xlabel('时间/秒'); ylabel('幅度'); title('信号滤波前时域图');

切比雪夫1型数字低通滤波器

目录 1. 数字滤波器的设计任务及要求 (2) 2. 数字滤波器的设计及仿真 (2) 2.1数字滤波器的设计 (3) 2.2数字滤波器的性能分析 (3) 3. 数字滤波器的实现结构对其性能影响的分析 (8) 3.1数字滤波器的实现结构一及其幅频响应 (10) 3.2数字滤波器的实现结构二及其幅频响应 (12) 3.3 数字滤波器的实现结构对其性能影响的小结 (12) 4. 数字滤波器的参数字长对其性能影响的分析 (13) 4.1数字滤波器的实现结构一参数字长及幅频响应特性变化 4.2数字滤波器的实现结构二参数字长及幅频响应特性变化 4.3 数字滤波器的参数字长对其性能影响的小结 (16) 5. 结论及体会 (16) 5.1 滤波器设计、分析结论 (16) 5.2 我的体会 (16) 5.3 展望 (16)

1.数字滤波器的设计任务及要求 1. 设计说明 每位同学抽签得到一个四位数，由该四位数索引下表确定待设计数字滤波器的类型及其设计方法，然后用指定的设计方法完成滤波器设计。 要求：滤波器的设计指标： 低通： (1)通带截止频率πrad (id) pc 32 ln = ω (2)过渡带宽度πrad ) (i d 160 10log tz ≤?ω (3)滚降dB αroll 60= 其中，i d — 抽签得到那个四位数（学号的最末四位数），本设计中i d =0201。 2. 滤波器的初始设计通过手工计算完成； 3. 在计算机辅助计算基础上分析滤波器结构对其性能指标的影响（至少选择两种以上合适的滤波器 结构进行分析）； 4. 在计算机辅助计算基础上分析滤波器参数的字长对其性能指标的影响； 5. 以上各项要有理论分析和推导、原程序以及表示计算结果的图表； 6. 课程设计结束时提交设计说明书。 2.数字滤波器的设计及仿真 2.1数字滤波器（编号0201）的设计 数字滤波器是数字信号处理的重要工具之一，它通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤出某些频率成分的数字器件或程序，而数字滤波器处理精度高、体积小、稳定、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。 本次课程设计使用MATLAB 信号处理箱和运用切比雪夫法设计数字滤波器，将手工计算一个切比雪夫I 型的IIR 的低通模拟滤波器的系统函数，并在MATLAB 的FDATool 设计工具分析其性能指标。

简单低通滤波器设计及matlab仿真

东北大学 研究生考试试卷 考试科目： 课程编号： 阅卷人: 考试日期： 姓名：xl 学号： 注意事项 1.考前研究生将上述项目填写清楚. 2.字迹要清楚,保持卷面清洁. 3.交卷时请将本试卷和题签一起上交. 4.课程考试后二周内授课教师完成评卷工作,公共课成绩单与试卷交研究生院培养办公室, 专业课成绩单与试卷交各学院,各学院把成绩单交研究生院培养办公室. 东北大学研究生院培养办公室

数字滤波器设计 技术指标： 通带最大衰减： =3dB ， 通带边界频率： ＝100Hz 阻带最小衰减： ＝20dB 阻带边界频率： ＝200Hz 采样频率：Fs=200Hz 目标： 1、根据性能指标设计一个巴特沃斯低通模拟滤波器。 2、通过双线性变换将该模拟滤波器转变为数字滤波器。 原理： 一、模拟滤波器设计 每一个滤波器的频率范围将直接取决于应用目的，因此必然是千差万别。为了使设计规范化，需要将滤波器的频率参数作归一化处理。设所给的实际频 率为Ω（或f ），归一化后的频率为λ，对低通模拟滤波器令λ＝p ΩΩ/，则1 =p λ， p s s ΩΩ=/λ。令归一化复数变量为p ，λj p =，则p p s j j p Ω=ΩΩ==//λ。所以巴 特沃思模拟低通滤波器的设计可按以下三个步骤来进行。 (1)将实际频率Ω规一化 (2)求Ωc 和N 11010/2-=P C α s p s N λααlg 1 10 110lg 10 /10/--= 这样Ωc 和N 可求。 p x fp s x s f

根据滤波器设计要求＝3dB ，则C ＝1，这样巴特沃思滤波器的设计就只剩一个参数N ，这时 N p N j G 222 )/(11 11)(ΩΩ+= += λλ (3)确定)(s G 因为λj p =，根据上面公式有 N N N p j p p G p G 22)1(11 )/(11)()(-+= += - 由 0)1(12=-+N N p 解得 )221 2exp(πN N k j p k -+=，k ＝1，2， (2) 这样可得 1 )21 2cos(21 ) )((1 )(21+-+-= --= -+πN N k p p p p p p p G k N k k 求得)(p G 后，用p s Ω/代替变量p ，即得实际需要得)(s G 。 二、双线性变换法 双线性变换法是将s 平面压缩变换到某一中介1s 平面的一条横带里，再通过标准变换关系)*1exp(T s z =将此带变换到整个z 平面上去，这样就使s 平面与z 平面之间建立一一对应的单值关系，消除了多值变换性。 为了将s 平面的Ωj 轴压缩到1s 平面的1Ωj 轴上的pi -到pi 一段上，可以通过以下的正切变换来实现： )21 tan(21T T Ω= Ω 这样当1Ω由T pi -经0变化到T pi 时，Ω由∞-经过0变化到∞+，也映射到了整个Ωj 轴。将这个关系延拓到整个s 平面和1s 平面，则可以得到

FIR数字滤波器设计及软件实现

实验五：FIR数字滤波器设计及软件实现 一、实验目的： （1）掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （2）掌握用等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （3）掌握FIR滤波器的快速卷积实现原理。 （4）学会调用MATLAB函数设计与实现FIR滤波器。 二、实验容及步骤： （1）认真复习第七章中用窗函数法和等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理； （2）调用信号产生函数xtg产生具有加性噪声的信号xt，并自动显示xt及其频谱，如图1所示； 图1 具有加性噪声的信号x(t)及其频谱如图 （3）请设计低通滤波器，从高频噪声中提取xt中的单频调幅信号，要求信号幅频失真小于0.1dB，将噪声频谱衰减60dB。先观察xt的频谱，确定滤波器指标参数。 （4）根据滤波器指标选择合适的窗函数，计算窗函数的长度N，调用MATLAB函数fir1设计一个FIR低通滤波器。并编写程序，调用MATLAB快速卷积函数fftfilt实现对xt的滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形图。 （4）重复（3），滤波器指标不变，但改用等波纹最佳逼近法，调用MATLAB函数remezord和remez设计FIR数字滤波器。并比较两种设计方法设计的滤波器阶数。 友情提示： ○1MATLAB函数fir1和fftfilt的功能及其调用格式请查阅本课本；

○ 2采样频率Fs=1000Hz ，采样周期T=1/Fs ； ○ 3根据图10.6.1(b)和实验要求，可选择滤波器指标参数：通带截止频率fp=120Hz ，阻带截至频率fs=150Hz ，换算成数字频率，通带截止频率 p 20.24p f ωπ=T =π，通带最大衰为0.1dB ，阻带截至频率s 20.3s f ωπ=T =π，阻带最小衰为60dB 。] ○ 4实验程序框图如图2所示。 图2 实验程序框图 三、实验程序： 1、信号产生函数xtg 程序清单： %xt=xtg(N) 产生一个长度为N,有加性高频噪声的单频调幅信号xt,采样频率Fs=1000Hz %载波频率fc=Fs/10=100Hz,调制正弦波频率f0=fc/10=10Hz. function xt=xtg N=1000;Fs=1000;T=1/Fs;Tp=N*T; t=0:T:(N-1)*T; fc=Fs/10;f0=fc/10; %载波频率fc=Fs/10，单频调制信号频率为f0=Fc/10;

有源低通滤波器设计报告要点

课程设计(论文)说明书 题目：有源低通滤波器 院（系）：信息与通信学院 专业：通信工程 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 2010年 12 月 19 日

摘要 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。根据指标，本次设计选用二阶有源低通滤波器。 关键词：低通滤波器；集成运放UA741；RC网络 Abstract Low-pass filter is a component which can only pass the low frequency signal and attenuation or inhibit the high frequency signal . Ideal frequency response of the filter circuit in the pass band should have a certain amplitude and linear phase shift, and amplitude of the resistance band to be zero. Active filter is composed of the RC network and the amplifier, it actually has a specific frequency response of the amplifier. Higher the order of the filter, the rate of amplitude-frequency characteristic decay faster, but more the number of RC network section, the more complicated calculation of device parameters, circuit debugging more difficult. According to indicators ，second-order active low-pass filter is used in this design . Key words：Low-pass filter；Integrated operational amplifier UA741；RC network,

实验六、用窗函数法设计FIR滤波器分析解析

实验六 用窗函数法设计 FIR 滤波器 一、实验目的 (1) 掌握用窗函数法设计FIR 数字滤波器的原理和方法。 (2) 熟悉线性相位FIR 数字滤波器特性。 (3) 了解各种窗函数对滤波特性的影响。 二、实验原理 滤波器的理想频率响应函数为H d (e j ω )，则其对应的单位脉冲响应为： h d (n) = ?-π π ωωωπ d e e H n j j d )(21 窗函数设计法的基本原理是用有限长单位脉冲响应序列h(n)逼h d (n)。由于h d (n)往往是无 限长序列，且是非因果的，所以用窗函数。w(n)将h d (n)截断，并进行加权处理： h(n) = h d (n) w(n) h(n)就作为实际设计的FIR 数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数H(e j ω )为： H(e j ω ) = ∑-=-1 )(N n n j e n h ω 如果要求线性相位特性，则h (n )还必须满足： )1()(n N h n h --±= 可根据具体情况选择h(n)的长度及对称性。 用窗函数法设计的滤波器性能取决于窗函数w(n)的类型及窗口长度N 的取值。设计过程中，要根据对阻带最小衰减和过渡带宽度的要求选择合适的窗函数类型和窗口长度N 。 三、实验步骤 1. 写出理想低通滤波器的传输函数和单位脉冲响应。 2. 写出用四种窗函数设计的滤波器的单位脉冲响应。 3. 用窗函数法设计一个线性相位FIR 低通滤波器，用理想低通滤波器作为逼近滤波器，截止频率ωc =π/4 rad ，选择窗函数的长度N ＝15，33两种情况。要求在两种窗口长度下，分别求出h(n)，打印出相应的幅频特性和相频特性曲线，观察3dB 带宽和阻带衰减； 4 用其它窗函数(汉宁窗(升余弦窗)、哈明窗(改进的升余弦窗)、布莱克曼窗) 设计该滤波器，要求同1；比较四种窗函数对滤波器特性的影响。 四、实验用MATLAB 函数 可以调用MATLAB 工具箱函数fir1实现本实验所要求的线性相位FIR-DF 的设计，调用一维快速傅立叶变换函数fft 来计算滤波器的频率响应函数。

FIR数字滤波器设计与软件实现(精)讲解学习

实验二:FIR 数字滤波器设计与软件实现 一、实验指导 1.实验目的 (1掌握用窗函数法设计 FIR 数字滤波器的原理和方法。 (2掌握用等波纹最佳逼近法设计 FIR 数字滤波器的原理和方法。 (3掌握 FIR 滤波器的快速卷积实现原理。 (4学会调用 MA TLAB 函数设计与实现 FIR 滤波器。 2. 实验内容及步骤 (1认真复习第七章中用窗函数法和等波纹最佳逼近法设计 FIR 数字滤波器的原理; (2调用信号产生函数 xtg 产生具有加性噪声的信号 xt ,并自动显示 xt 及其频谱,如图 1所示;

图 1 具有加性噪声的信号 x(t及其频谱如图 (3请设计低通滤波器,从高频噪声中提取 xt 中的单频调幅信号,要求信号幅频失真小于 0.1dB ,将噪声频谱衰减 60dB 。先观察 xt 的频谱,确定滤波器指标参数。 (4根据滤波器指标选择合适的窗函数,计算窗函数的长度 N ,调用 MATLAB 函数 fir1设计一个 FIR 低通滤波器。并编写程序,调用 MATLAB 快速卷积函数 fftfilt 实现对 xt 的滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形图。 (5 重复 (3 , 滤波器指标不变, 但改用等波纹最佳逼近法, 调用MA TLAB 函数 remezord 和 remez 设计 FIR 数字滤波器。并比较两种设计方法设计的滤波器阶数。 提示:○ 1MA TLAB 函数 fir1的功能及其调用格式请查阅教材; ○ 2采样频率 Fs=1000Hz,采样周期 T=1/Fs;

○ 3根据图 1(b和实验要求,可选择滤波器指标参数:通带截止频率 fp=120Hz,阻带截 至频率 fs=150Hz, 换算成数字频率, 通带截止频率 p 20.24 p f ωπ =T=π, 通带最大衰为 0.1dB , 阻带截至频率 s 20.3 s f ωπ =T=π,阻带最小衰为 60dB 。 3、实验程序框图如图 2所示,供读者参考。 图 2 实验程序框图 4.信号产生函数 xtg 程序清单(见教材 二、滤波器参数及实验程序清单 1、滤波器参数选取 根据实验指导的提示③选择滤波器指标参数: 通带截止频率 fp=120Hz,阻带截至频率 fs=150Hz。代入采样频率 Fs=1000Hz,换算成 数字频率,通带截止频率 p 20.24 p f

设计数字低通滤波器(用matlab实现)

DSP 设计滤波器报告 姓名：张胜男 班级：07级电信（1）班 学号：078319120 一·低通滤波器的设计 （一）实验目的：掌握IIR 数字低通滤波器的设计方法。 （二）实验原理： 1、滤波器的分类 滤波器分两大类：经典滤波器和现代滤波器。 经典滤波器是假定输入信号)(n x 中的有用成分和希望取出的成分各自占有不同的频带。这样，当)(n x 通过一个线性系统（即滤波器）后可讲欲去除的成分有效的去除。 现代滤波器理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。 经典滤波器分为低通、高通、带通、带阻滤波器。每一种又有模拟滤波器（AF ）和数字滤波器（DF ）。对数字滤波器，又有IIR 滤波器和FIR 滤波器。 IIR DF 的转移函数是： ∑∑=-=-+==N k k k M r r r z a z b z X z Y z H 10 1)()()( FIR DF 的转移函数是： ∑-=-=10)()(N n n z n h z H FIR 滤波器可以对给定的频率特性直接进行设计，而IIR 滤波器目前最通用的方法是利用已经很成熟的模拟滤波器的设计方法进行设计。 2、滤波器的技术要求 低通滤波器： p ω：通带截止频率（又称通带上限频率） s ω：阻带下限截止频率 p α：通带允许的最大衰减 s α：阻带允许的最小衰减 （p α，s α的单位dB ） p Ω：通带上限角频率 s Ω：阻带下限角频率 （s p p T ω=Ω，s s s T ω=Ω）即 C p p F ωπ2=Ω C s s F ωπ2=Ω 3、IIR 数字滤波器的设计步骤：

fir低通滤波器设计(完整版)

电子科技大学信息与软件工程学院学院标准实验报告 （实验）课程名称数字信号处理 电子科技大学教务处制表

电 子 科 技 大 学 实 验 报 告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间：14-18 一、实验室名称：计算机学院机房 二、实验项目名称：fir 低通滤波器的设计 三、实验学时： 四、实验原理： 1. FIR 滤波器 FIR 滤波器是指在有限范围内系统的单位脉冲响应h[k]仅有非零值的滤波器。M 阶FIR 滤波器的系统函数H(z)为 ()[]M k k H z h k z -==∑ 其中H(z)是k z -的M 阶多项式，在有限的z 平面内H(z)有M 个零点，在z 平面原点z=0有M 个极点. FIR 滤波器的频率响应 ()j H e Ω 为 0 ()[]M j jk k H e h k e Ω -Ω ==∑ 它的另外一种表示方法为 () ()()j j j H e H e e φΩΩΩ=

其中 () j H e Ω和()φΩ分别为系统的幅度响应和相位响应。 若系统的相位响应()φΩ满足下面的条件 ()φαΩ=-Ω 即系统的群延迟是一个与Ω没有关系的常数α，称为系统H(z)具有严格线性相位。由于严格线性相位条件在数学层面上处理起来较为困难，因此在FIR 滤波器设计中一般使用广义线性相位。 如果一个离散系统的频率响应 ()j H e Ω 可以表示为 ()()()j j H e A e αβΩ-Ω+=Ω 其中α和β是与Ω无关联的常数，()A Ω是可正可负的实函数，则称系统是广义线性相位的。 如果M 阶FIR 滤波器的单位脉冲响应h[k]是实数，则可以证明系统是线性相位的充要条件为 [][]h k h M k =±- 当h[k]满足h[k]=h[M-k],称h[k]偶对称。当h[k]满足h[k]=-h[M-k],称h[k]奇对称。按阶数h[k]又可分为M 奇数和M 偶数，所以线性相位的FIR 滤波器可以有四种类型。 2. 窗函数法设计FIR 滤波器 窗函数设计法又称为傅里叶级数法。这种方法首先给出()j d H e Ω， ()j d H e Ω 表示要逼近的理想滤波器的频率响应，则由IDTFT 可得出滤波器的单位脉冲响应为 1 []()2j jk d d h k H e e d π π π ΩΩ-= Ω ? 由于是理想滤波器，故 []d h k 是无限长序列。但是我们所要设计的FIR 滤波 器，其h[k]是有限长的。为了能用FIR 滤波器近似理想滤波器，需将理想滤波器的无线长单位脉冲响应 []d h k 分别从左右进行截断。 当截断后的单位脉冲响应 []d h k 不是因果系统的时候，可将其右移从而获得因果的FIR 滤波器。

低通滤波器的设计

低通滤波器的设计 模拟滤波器在各种预处理电路中几乎是必不可少的，已成为生物医学仪器中的基本单元电路。有源滤波器实质上是有源选频电路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。各种生物信号的低噪声放大，都是首先严格限定在所包含的频谱范围之内。 最常用的全极点滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。就靠近ω=0处的幅频特性而言，巴特沃斯滤波器比切比雪夫滤波器平直，即在频率的低端巴特沃斯滤波器幅频特性更接近理想情况。但在接近截止频率和在阻带内，巴特沃斯滤波器则较切比雪夫滤波器差得多。本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，因此选择了巴特沃斯滤波器。巴特沃思滤波电路(又叫最平幅度滤波电路)是最简单也是最常用的滤波电路，这种滤波电路对幅频响应的要求是：在小于截止频率ωc。的范围内，具有最平幅度响应，而在ω>ωc。后，幅频响应迅速下降。 因为本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，所以选择 二阶滤波器即可。本系统采用二阶Butterworth低通滤波器，截止频率f H=100HZ，其电路原理图如1： 图1 低通滤波器图 根据matlab软件算得该设计适合二阶低通滤波器，FSF=628选Z=10000，则

Z R R FSF Z ?=?=的归一值的归一值 C C 3.2脉象信号的的前置放大 由于人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、存储、记录之前，应该进行一些预处理，以保证测量结果的准确性。因此需要对信号进行放大，“放大”在信号预处理中是第一位的。根据所测参数和所用传感器的不同，放大电路也不同。用于测量生物电位的放大器称为生物电放大器，生物电放大器比一般放大器有更严格的要求。 在本研究中放在传感器后面的电路就是前置放大电路，由于从传感器取得的信号很微弱，且混杂了一些其他的干扰信号。因此前置放大电路的主要功能是，滤除一些共模干扰信号，同时进行一定的放大。该电路由4部分构成：并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后继放大器和共模信号取样电路。并联型双运放仪器放大器的优点是不需要精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。集成仪用放大器将由并联型双运放仪器放大器输出的双端差动信号转变为单端输出信号，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，可以使集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比。共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运放构成的跟随器构成，能够使共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。此电路中也采用了右腿驱动电路来抑制位移电流的影响。前置放大电路参数选择：此部分总的增益取为1000，其中并联型双运放仪器放大器的增益为5,集成仪用放大器的增益为200。具体设计电路如图2所示

实验五 IIR数字滤波器设计与滤波(附思考题程序)

实验五 IIR 数字滤波器设计与滤波 1.实验目的 （1）加深对信号采样的理解， （2）掌握滤波器设计的方法； （3）复习低通滤波器的设计。 2．实验原理 目前，设计IIR 数字滤波器的通用方法是先设计相应的低通滤波器，然后再通过双线性变换法和频率变换得到所需要的数字滤波器。模拟滤波器从功能上分有低通、高通、带通及带阻四种，从类型上分有巴特沃兹（Butterworth ）滤波器、切比雪夫（Chebyshev ）I 型滤波器、切比雪夫II 型滤波器、椭圆（Elliptic ）滤波器以及贝塞尔（Bessel ）滤波器等。 典型的模拟低通滤波器的指标如下：,P S ΩΩ分别为通带频率和阻带频率，,P S δδ分别为通带和阻带容限（峰波纹值）。在通带内要求1()1P a H J δ-≤Ω≤,有时指标由通带最大衰减p α和阻带最小衰减s α给出，定义如下：20lg(1)p p αδ=-- 和20lg()s s αδ=- 第二种常用指标是用参数ε和A 表示通带和阻带要求，如图所示： 二者之间的关系为：21/2[(1)1]p εδ-=--和1/s A δ=，根据这几个参数可导出另外两个参数d ，k ，分别称为判别因子和选择性因子。 21d A = - /p s k =ΩΩ

BUTTERWORTH 低通滤波器：幅度平方函数定义为221()1(/)a N c H J Ω=+ΩΩ，N 为滤波器阶数，c Ω为截止频率。当c Ω=Ω 时，有()1/a H J Ω=3DB 带宽。 BUTTERWORTH 低通滤波器系统函数有以下形式： 11111()...() N c a N N N N N k H s s a s a s a k s s --=Ω==++++∏- 由模拟滤波器设计IIR 数字滤波器，必须建立好s 平面和z 平面的映射关系。使模拟系统函数()a H s 变换成数字滤波器的系统函数()H z ，通常采用冲激相应不变法和双线性变换法。冲激相应不变法存在频谱混叠现象，双线性变换法消除了这一线象，在IIR 数字滤波器的设计中得到了更广泛的应用。 s 平面和Z 平面的映射关系为1 121()1s Z s f Z T Z ---==+,将s j =Ω和jw z e =待入数字频率和等效的模拟频率之间的映射关系：tan()2 w Ω=，由于二者不是线性关系，所以称为预畸变。 3.实验内容及其步骤 实验的步骤： （1）给定数字滤波器的幅度相应参数。 （2）用预畸变公式将数字滤波器参数变换为相应的等效模拟滤波器参数。 （3）采用模拟滤波器设计方法设计等效模拟滤波器()a H s （4）采用双线性变换公式把等效模拟滤波器映射为所期望的数字滤波器。 其中第三步中模拟滤波器设计步骤为： 首先，根据滤波器指标求选择因子k 和判别因子d 其次，确定满足技术所需的滤波器阶数N, log log d N k ≥ 再次，设3db 截止频率c Ω

FIR数字滤波器设计与软件实现

一、实验目的 （1）掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （2）掌握用等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （3）掌握FIR滤波器的快速卷积实现原理。 （4）学会调用MA TLAB函数设计与实现FIR滤波器。 二、实验内容及步骤 （1）认真复习第七章中用窗函数法和等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理； （2）调用信号产生函数xtg产生具有加性噪声的信号xt，并自动显示xt及其频谱，如图10.5.1所示； 图10.5.1 具有加性噪声的信号x(t)及其频谱如图 （3）请设计低通滤波器，从高频噪声中提取xt中的单频调幅信号，要求信号幅频失真小于0.1dB，将噪声频谱衰减60dB。先观察xt的频谱，确定滤波器指标参数。 （4）根据滤波器指标选择合适的窗函数，计算窗函数的长度N，调用MATLAB函数fir1设计一个FIR低通滤波器。并编写程序，调用MATLAB快速卷积函数fftfilt实现对xt的滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形图。 （4）重复（3），滤波器指标不变，但改用等波纹最佳逼近法，调用MATLAB函数remezord和remez 设计FIR数字滤波器。并比较两种设计方法设计的滤波器阶数。 提示：○1MA TLAB函数fir1和fftfilt的功能及其调用格式请查阅本书第7章和第？章； ○2采样频率Fs=1000Hz，采样周期T=1/Fs； ○3根据图10.6.1(b)和实验要求，可选择滤波器指标参数：通带截止频率fp=120Hz，阻带截至频率 fs=150Hz，换算成数字频率，通带截止频率 p 20.24 p f ωπ =T=π，通带最大衰为0.1dB，阻带截至频率 s 20.3 s f ωπ =T=π，阻带最小衰为60dB。] ○4实验程序框图如图10.5.2所示。

数字滤波器的设计及实现

数字滤波器的设计及实现 【一】设计目的 1. 熟悉IIR 数字滤波器和FIR 数字滤波器的设计原理和方法； 2. 学会调用MATLAB 信号处理工具箱中的滤波器设计函数设计各种IIR 和FIR 数字滤波器，学会根据滤波要求确定滤波器指标参数； 3. 掌握用IIR 和FIR 数字滤波器的MA TLAB 实现方法，并能绘制滤波器的幅频特性、相频特性； 4. 通过观察滤波器的输入、输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。 【二】设计原理 抑制载波单频调幅信号的数学表达式为 []))(2cos())(2cos(2 1)2cos()2cos()(000t f f t f f t f t f t s c c c ++-==ππππ （2.1） 其中，)2cos(t f c π称为载波，c f 为载波频率，)2cos(0t f π称为单频调制信号，0f 为调制正弦波信号频率，且满足0c f f >。由（2.1）式可见，所谓抑制载波单频调制信号，就是两个正弦信号相乘，它有2个频率成分：和频c f +0f ，差频c f -0f ，这两个频率成分关于载波频率c f 对称。所以，1路抑制载波单频调幅信号的频谱图是关于载波频率c f 对称的两根谱线。 复合信号st 产生函数mstg 清单： function st=mstg %产生信号序列st ，并显示st 的时域波形和频谱 %st=mstg 返回三路调幅信号相加形成的混合信号，长度N=800 N=800; %信号长度N 为800 Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采样频率Fs=10kHz ，Tp 为采样时间 t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp; fc1=Fs/10; %第1路调幅信号载波频率fc1=1000Hz fm1=fc1/10; %第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100Hz fc2=Fs/20; %第2路调幅信号载波频率fc2=500Hz fm2=fc2/10; %第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50Hz fc3=Fs/40; %第3路调幅信号载波频率fc3=250Hz fm3=fc3/10; %第3路调幅信号的调制信号频率fm3=25Hz xt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t); %产生第1路调幅信号 xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t); %产生第2路调幅信号 xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t); %产生第3路调幅信号 st=xt1+xt2+xt3; %三路信号相加，得到复合信号

巴特沃斯数字(精选)低通滤波器

目录1.题目...................................................................... (2) 2.要求...................................................................... . (2) 3.设计原理...................................................................... .. (2) 3.1数字滤波器基本概念 (2) 3.2数字滤波器工作原理 (2) 3.3巴特沃斯滤波器设计原理 (2) 3.4脉冲响应不法...................................................................... . (4) 3.5实验所用MATLAB函数说明 (5)

4.设计思路...................................................................... (6) 5、实验内容...................................................................... .. (6) 5.1实验程序...................................................................... (6) 5.2实验结果分析...................................................................... (10) 6.心得体会...................................................................... .. (10) 7.参考文献...................................................................... .. (10) 一、题目：巴特沃斯数字低通滤波器 二、要求：利用脉冲响应不变法设计巴特沃斯数字低通滤波器，通带截止频率100HZ,采样频率1000HZ，通带最大衰减为0.5HZ，阻带最小衰减为10HZ，画出幅频、相频相应相应曲线。并假设一个信号x(t)=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),其中f1=50HZ,f2=200HZ。用此信号验证滤波器设计的正确性。 三、设计原理 1、数字滤波器的基本概念 所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，或者滤波器除某些频率成分的数字器件或程序，因此，数字滤波的概念和模拟滤波相同，只是的形式和实现滤波方法不同。正因为数字滤波通过数值运算实现滤波，所以数字滤波处理精度高、稳定、体积小、质量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实验模拟滤波器无法实现的特殊滤