基于窗函数设计的FIR带阻滤波系统.docx
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基于窗函数设计的FIR带阻滤波系统.docx
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基于窗函数设计的FIR带阻滤波系统
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《数字信号处理》
实验课程考核报告
数字滤波系统的MATLAB实现与分析
——基于窗函数设计的FIR带阻滤波系统
系部:
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专业班级:
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姓名:
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学号:
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指导教师:
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完成日期2012年12月26日
1引言
数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。
数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。
数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。
因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域,这通常通过模数转换器实现。
而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域,这是通过数模转换器实现的。
数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如数字信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)等。
数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点,这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。
带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带通滤波器的概念相对。
其中点阻滤波器(notchfilter)是一种特殊的带阻滤波器,它的阻带范围极小,有着很高的Q值(QFactor)。
带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带通滤波器
说明的概念相对。
其中点阻滤波器(notchfilter)是一种特殊的带阻滤波器,它的阻带范围极小,有着很高的Q值(QFactor)。
将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器,再将两个电路的输出电压求和,就可以得到带阻滤波器,其中低通滤波器的截止频率应小于高通滤波器的截止频率,因此,电路的阻带为(-)。
2课程设计要求
2.1课程设计题目
基于MATLAB的FIR带阻数字滤波器的设计
2.2课程设计目的
通过本次综合设计,运用已学的课程知识,根据题目要求进行软件仿真设计和调试,对《数字信号处理》课程中涉及的滤波器原理和设计方法有一定的感性认识和实践操作能力,从而加深对本课程知识点的理解,使学生应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显著提高。
2.3设计要求
本设计的主要内容包括掌握数字信号处理的基础知识和利用MATLAB软件进行编程,利用几种常见的数字滤波器对信号进行处理,并对过滤结构进行分析。
具体要求包括以下几个方面:
(1)滤波器与数字信号处理的理论知识学习和分析
通过查找、学习相关文献资料,掌握滤波器与数字信号处理的基本理论知识,掌握滤波器设计的方法和基础知识,掌握滤波器过滤信号的基本过程和原理,并对相应信号进行时域和频域分析,理解信号的频谱变化的特点。
(2)利用MATLAB对上述过程进行仿真
利用MATLAB软件进行相应的设计,实现滤波器对信号的过滤处理。
(3)结果分析
利用滤波器处理相应信号,对过滤结果进行分析,对比处理前后的信号频率的衰变,说明信号过滤的情况好坏,并分析该类型的滤波器的优缺点和适用场合。
3滤波器基本原理
3.1窗函数法的基本原理
窗函数设计法的基本原理是用有限长单位脉冲响应序列)(nh逼近)(nhd。
由于)(nhd往往是无限长序列,且是非因果的,所以用窗函数)(nω将)(nhd截断,并进行加权处理,得到:
)(nh=)(nhd)(nω(2-2))(nh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)(ωjdeH为:
)(ωjdeH=∑−=−10)(Nnjenhω(2-3)式中,N为所选窗函数)(nω的长度。
由第七章可知,用窗函数法设计的滤波器性能取决于窗函数)(nω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。
各种类型的窗函数可达到的阻带最小衰减和过渡带宽度见第七章。
这样选定窗函数类型和长度N后,求出单位脉冲响应)(nh=)(nhd·)(nω,并按式(2-3)求出)(ωjeH。
)(ωjeH是否满足要求,要进行验算。
一般在)(nh尾部加零使长度满足于2的整数次幂,以便用FFT计算)(ωjeH。
如果要观察细节,补零点数增多即可。
如果)(ωjeH不满足要求,则要重新选择窗函数类型和长度N,再次验算,直至满足要求。
如果要求线性相位特性,则)(nh还必须满足)1()(nNhnh−−±=(2-4)根据上式中的正负号和长度N的奇偶性又将线性相位FIR滤波器分成四类。
要根据设计的滤波特性正确选择其中一类。
例如,要设计线性低通特征,可选择)1()(nNhnh−−=一类,而不能选)1()(nNhnh−−−=一类
4数字滤波系统的MATLAB实现与分析
4.1MATLAB仿真的步骤
(1)打开sptool工具箱,在Filters栏下选中下面的new选项。
(2)
(2)显示出(如图3.3),选中带阻,选中FIR类型的窗函数,在窗函数中选中凯塞窗(Kaiser),并调好相应的频率等。
图3.3滤波器设计图
4.2原始输入信号的构建
启动MATLAB软件,打开sptool工具,如图3.1所示,选中mtlb信号,把他当作原始信号
图3.1mtlb初始信号
。
4.3输出图形操作
选中原始信号mtlb,再选中滤波器filt1,在Filters栏下执行APPLY按钮,生成滤波后的图形。
此时生成的信号就是通过滤波器后产生的图形。
4.4信号过滤
带阻滤波器减弱(或减少)一定频率范围信号,但容许频率低于於下限截止频率和高于上限截止频率的信号的通过。
在频域上,前后信号差别就变得很明显,如输出信号频域波形出现下降趋势,在频率2200多时又呈现出回升,既在这段频率区间内,信号呈现出截止的状态。
表现出了,信号经过FIR窗函数带阻滤波器前后的变化规则。
4.5结果分析
(1)FIR带阻滤波器处理后时域结果与分析
图1.输入信号波形
图2输出信号的波形
图1与图2在时域进行比较觉得差别不是很大,不过仔细观察还是能发现有细微的密度变化。
图3
通过观察图3输入输出信号频谱波形可以发现在0.17到0.33频域波形成明显下降趋势,在这段区间内信号截止,表现出了滤波器的带阻特性。
5体会与收获
通过这学期对数字信号处理的学习以及近期对matlab软件学习两者的结合使我们对这门课程有了更加深刻的理解。
课程设计是培养学生综合能力运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
随着科学技术发展的日新月异,当今图像处理技术应用在生活中的方方面面。
因此,对于大学生的我而言,熟悉并且掌握图像处理技术是十分重要的。
本次的课程设计巩固和加深了我对图像处理基本知识的理解,提高了综合运用所学知识的能力,增强了根据课程需要选学参考资料,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
在实验结束后经过了长时间的反思,我认为自己在这次实验中出现了一些问题。
比如在实验前的预习工作做的不好,我应该认真看书,把课本上的知识学透,刻在脑子里。
然后再用仿真模拟软件进行熟悉和练习,实验时才能做到从容应对。
实验时在不知道按钮表示的意义的情况下,不应该乱点一气,应该问老师。
还有就是实验时列车不可以离开轨道,也不可以随意的后退,必须调车才可以返回。
知道了这些,改进之后,才能使实验完成的更好。
最后,我和同学们讨论,回顾了实验时用到的理论知识,分析了实验时我们出的错以及做的好的地方,并且交流了对此次实验的感想,分别说了说在这次实验中获得的知识以及经验。
我们不仅要在课堂上认真的学习理论知识,更是要在实验的过程中理论结合实际,才能达到实验的预期。
我们必须要坚持理论联系实际的科学思想和科学方法,以实践来证实理论,从实践中加深对理论知识的理解和掌握。
所以,实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条十分重要的途径。
在实验过程中,不免的会遇到很多问题。
自己解决不了的时候一定要通过请教老师,才能了解到问题的所在然后再得以解决,绝对不可以想当然的根据自己的想法在电脑上胡乱的操作,这样的结果会发生什么谁都不知道,也许会出现不可控制的局面。
总之,这次实验让我受益匪浅。
参考文献
[1]数字信号处理(第三版)高西全丁玉美著西安电子科技大学
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- 关 键 词:
- 基于 函数 设计 FIR 滤波 系统