4.3.5 全零点格型结构
1973年，Gray 和Markel 提出一种新的系统结构形式，即格型结构（lattice structure ）。这是一种很有用的结构，在功率谱估计、语音处理、自适应滤波等方面以得到了广泛的应用。这种结构的优点是，对有限字长效应的敏感度低，且适合递推算法。
这种结构有三种形式，即适用于FIR 系统的全极点格型结构和适用于IIR 系统的全极点和零极点格型结构。下面先介绍图7.10所示的全零点格型结构。其他两种个性结构将留到第4.3节讨论。
格型结构是由多个基本单元级联起来的一种极为规范化的结构。图7.11 示出其中的第m 极。与FIR 滤波器的直接型结构一样，全零点格型结构也是没有反馈支路的，
图7.10 全零点格型结构
图7.11 全零点格型结构的基本单元
让我们从一组FIR 滤波器的系统函数开始研究全零点格型结构。
图7.10 中，以)(n x 为输入序列，后接M 个格型级，这样就形成M 个滤波器：第m （M m ,...,2,1=）个滤波器有两个输出，即上输出)(n f m 和下输出)(n g m 。以)(n f m 为输出的滤波器称为前向滤波器；以)(n g m 为输出的滤波器称为后向滤波器。
对于M 个前向FIR 滤波器，它们的系统函数为：
,...,M ,m z A z H m m 21 ),()(== （18） 式中，)(z A m 是多项式： 1 ,)(1)(1
M m z k a
z A k
m
k m
m ≤≤+
=-=∑ （19） 这里，为了数学推导的方便，令式子右边第1项为1；下标m 代表滤波器序号，也代表滤波
器的阶数，例如，给定 1)0(=a 以及)(),...,2(),1(M a a a ，则第4个滤波器的系统函数为 443424144)4()3()2()1(1)(----++++=z a z a z a z a z H
设第m 个滤波器的输入、输出序列分别是)(n x 和)(n y ，则
)()()()(1
k n x k a n x n y m
k m -+=∑= （21）
其直接型实现如图12所示。
图7.12 FIR 滤波器的一种直接实现形式
1=m 阶滤波器的输出可表示为
)1()1()()(1-+=n x a n x n y （22） 该输出也可以从图12所示的第一级格型滤波器得到。图中，两个输入端联在一起，激励信号为)(n x 。从两个输出端得到的信号分别为 )(1n f 和)(1n g ：
???--=-+=)1()()()
1()()(01
01n x n x k n g n x k n x n f （23）
其次我们考虑二阶FIR 滤波器，它的直接型结构输出为 )2()2()1()1()()(22-+-+=n x a n x a n x n y
T
22)]2( )1( 2)][1-( 1)-( )([a a n x n x n x = （24） 上式将输出)(n y 表示为两个向量的内积，T 表示向量转置。
相应地，这个二阶滤波器可以用两个级联的格型单元（图10 前面的两级）来实现。，
图中，第一级的输出为
??
?--=-+=)1()()()
1()()(11
11n x n x k n g n x k n x n f （25）
??
?-+=-+=)
1()()()
1()()(11221212n g n f k n g n g k n f n f （26） 将式（25）中的)(1n f 代入式（26）中，得
)]2()1([)1()()(1212-+-+-+=n x n x k k n x k n x n f
)2()1()1()(221-+-++=n x k n x k k n x （27） 现在令式（24）和式（27）的系数相等，即
)1()1( ,)2(21222k k a k a +== （28） 于是，得二阶格型结构的参数 )
2(1)
1( ),2(22122a a k a k +=
= （29）
其中，)2(22a k =这个结果是很容易理解的。从图7.12 看，如果滤波器阶数2=m ，则时延为2的输入输出传输值为)2(2a ，而从图7.10看，从输入到上端输出有三条可能的支路，而其中时延为2的支路传输值为1k 。如果这两个流图等效，则应有)2(22a k =。因此可以推论，若有m 个格型级，则其最右边的支路m k 与直接型结构的参数)(m a m 相等： )(m a k m m = （30） 为了得到其它支路传输值121,...,,k k k m m --与直接型结构的参数之间的关系，我们需要从图7.10 所示的M 阶格型结构的最右边做起：根据M 阶滤波器的直接型参数，依次求
1-M ，1,...,3,2--M M 阶滤波器的直接型参数。这是降阶递推。只要求出m 阶滤波器
的系数组},...,2,1),({m k k a m =，则格型结构的支路传输)(m a k m m =。
式（29）表明，二阶格型结构的两个参数1k 和2k 可以根据直接型结构的参数求出。继续这个过程，可以得到一个m 阶直接型FIR 滤波器和一个m 阶或m 级格型滤波器之间的等效性。按照图7.10，格型滤波器可用递归方程描述为
)()()(00n x n g n f == （31）
121 ),1()()(11,...,M-, m n g k n f n f m m m m =-+=-- （32）
121 ),1()()(11,...,M-, m n g n f k n g m m m m =-+=-- （33） 因此，第1M-级滤波器的输出相当于1M- 阶FIR 滤波器的输出，即
(n)f y(n)M 1-= （34）
因为FIR 滤波器和格型滤波器的输出)(n f m 可以表示为
1)0( )()()(0
=-=
∑=m m
k m
m a k n x k a
n f （35）
而这个式子是两个序列的卷积和，所以它遵从z 变换关系 )()()(z X z A z F m m = 故
)
()
()()()(0z F z F z X z F z A m m m =
=
（36） 现在我们来看二级格型滤波器的另一个输出)(2n g 。由图7.10得 )1()()(1122-+=n g n f k n g
)2()1()]1()([112-+-+-+=n x n x k n x k n x k )2()1()1()(212-+--+=n x n x k k n x k )2()1()1()()2(22-+-+=n x n x a n x a
T 221] )1( )2()][2( )1( )([a a n x n x n x --= （37） 可见，对于)(2n g 为输出的后向滤波器，滤波系数组为1] )1( )2([22a a ，而对于以)(2n f 为输出的滤波器，滤波系数组按相反次序排列，为])2( )1( 1[22a a 。
根据以上分析。可见m 级格型滤波器的输出)(n g m 可以用卷积和形式表示为 ∑=-=
m
k m
m k n x k n g 0
)()()(β
（38）
式中，滤波系数)(k m β与产生输出y(n)(n)f m =的另一滤波器有关，只不过操作次序相反。例如，如果6=m ，
6)6(,3)5(,5)4(,7)3(,4)2(,2)1(,1)0(6666666=======a a a a a a a ，
则
6)0(,3)1(,5)2(,7)3(,4)4(,2)5(,1)6(6666666=======βββββββ
故
??
?==-=1
)( 10
),()(m m m ,...,m ,k k m a k m ββ （39） 在z 域中，式（38）变为
(z)X(z)B (z)G m m = （40） 即
X(z)
(z)
G (z)B m m =
（41） 这里，(z)B m 是下输出端相对于输入端的系统函数； k m
k m
m z k (z)B -=∑=
)(0
β
（42）
因为)()(m k m a k m -=β，故 k
m
k m
m z
k m a
(z)B -=-=
∑)(0
m
j m
j m z
j a -=∑=)(0
j m
j m
m
z j a
z
)(0
∑=-=
)(1--=z A z m m （43） 这个式子描述前、后向滤波器系统函数之间的关系。
现在我们回到式（31）~（33）的递推方程组，并把它们变换到z 域，得 )()()(00z X z G z F == （44） ,...,M-,m z G z k z F z F m m m m 121 ),()()(111=+=--- （45） 121 ),()()(111,...,M-,m z G z z F k z G m m m m =+=--- （46） 各式除以X(z)并利用前面的关系式，可得
100==(z)B (z)A （47） 121 ,111,...,M-,m (z)B z k (z)A (z)A m m m m =+=--- （48） 121 ,111,...,M-,m (z)B z (z)A k (z)B m m m m =+=--- （49） 因此，在z 域，一个格型级可用矩阵方程描述为
??
??????????=??????---(z)B z z A k k (z)B z A m m m m m m 11
1)(1 1)( （50）
利用式（47）~（49）可以根据格型滤波器系数，从1=m 开始按升阶递推法求出直接型滤波器系数。
例 给定三级格型滤波器如图13所示。确定与之等效的直接型结构的FIR 滤波器系数。
图13 给定三级格型滤波器 解 根据式（48），得
)()()(01101z B z k z A z A -+=
1
1
14
111--+
=+=z z
k 因此，对应于单级格型的FIR 滤波器系数为1)0(1=a 。
4
1
)1(11=
=k a ，因)(z B m 是)(z A m 的反转多项式，故 1
14
1)(-+=z z B
其次，对于2=m 得格型滤波器，根据式（48）得
)()()(11
112z B z k z A z A -+=
2
12
1831--++
=z z 因此，对应于二级格型的FIR 滤波器系数为 1)0(2=a ，2
1
)2(,83)1(22==a a 。此外 32
28
321)(--++=
z z z B 最后，添上第三个格型级，得出多项式 )()()(21323z B z k z A z A -+= 3
213
18524131---+++
=z z z
因此，与给定三级格型滤波器等效的直接型FIR 滤波器系数为 3
1)3(,85)2(,2413)1(,1)0(3333===
=a a a a 3
1
)3(,85)2(,2413)1(,1)0(3333====a a a a
假定已知M 阶直接型FIR 滤波器的系数或者多项式)(z A M ，我们希望确定相应的格型
滤波器的系数组},...,2,1,{M i k i =。对于第M 个格型级，可直接得出)(M A k M M =，所以，只需从1-M 开始降阶递推过程。为了得到1-M k ，只需求出多项式 )1(1111)1(...)1(1)(-------+++=M M M M z M A z A z A 就可以得到)1(11-=--M A k M M 。
根据式（48）和式（49），可以得到降阶递推关系： )()()(111z B z k z A z A m m m m ---+=
)]()([)(11z A k z B k z A m m m m m ---+= 于是，
2
11)
()()(m
m m m m k z B k z A z A --=
-， 1,...,2,1--=M M m （51） 例 设FIR 滤波器的系统函数为 3
213
18524131)()(---+++
==z z z z A z H m 确定对应于该FIR 滤波器的格型系数。
解 首先，直接得出3
1
)3(33==a k ，而且 321324138531)(---+++=
z z z z B 在4=m 的情况下，利用式（51）降阶递推，得 2
333321)
()3()(k z B k A z A --=2121831--++=z z
因此，21)2(22=
=a k 和2
128321)(--++=z z z B 。 最后，在2=m 的情况下，再降阶递推，得 2
2
22211)
()2()(k z B k A z A --=1411-+=z 因此，
4
1
)1(11=
=A k 图13示出所得三级格型滤波器。
4.3.5 IIR 系统的全极点格型结构
IIR 滤波器的全极点系统函数)(z H 为
∑=--=
M
k k
k z a z H 111)( （12）
与M 阶FIR 系统函数相比较，可见这两种系统互为逆系统。我们在第 节以研究了FIR 系统的（全零点）格型结构。现在我们要基于式（12）找出IIR 系统的全极点格型结构。最简单的途径就是研究逆系统的信号流图，从中找出规律。 给定一阶FIR 系统函数为
11)
()
()(-+==
z k c z X z Y z H （13） 则差分方程为
)1()()(1-+=n x k n cx n y （14） 图19是相应的信号流图
图19 一阶FIR 系统
逆系统的系统函数为 1
11
)()()('-+=
=z k c z X z Y z H （15） 其差分方程为
)]1()([1
)(1--=
n y k n x c
n y （16） 图20示出相应的信号流图。
图20 一阶FIR 系统的逆系统
所以，可以按照图21所示的中间步骤从原系统得到逆系统：
（1） 将原系统流图的直通通路全部反向（图21a ）。 （2） 原系统流图的直通通路传输值取倒数（图21b ）。 （3） 指向直通通路的支路传输值改变符号（图21c ）。
(4) 改变输入、输出位置（图21d ）
(5) 按照习惯，改画图21d ，使输入端在左，输出端在右，即可得到图20所示的逆系统。
图21 从一阶FIR 系统得到其逆系统的中间步骤
于是，可以用上述方法从图7.10的全零点格型结构得到图7.22的全极点结构
图7.22 全极点格型结构
例 已知IIR 系统函数为321IIR 3
185241311
)(---+++=z z z z H ，求其格型结构系数并画
出该结构。
解：
例 已求出FIR 系统函数为3
21FIR 3
18524131)(---+++=z z z z H 的格型结构，如图7.23 所示。
图7.23 3阶FIR 系统的格型结构
今逆系统)
(1)(IIR IIR z H z H =，根据上述求逆系统流图的方法，可知图14是)(IIR z H 的流图。
图7.24 例 的全极点结构
例 已知 IIR 系统函数为3
21648.053.17.111
)(----+-=
z z z z H ，求其格型结构系数
并画出该结构。
解 利用MA TLAB 函数dir2latc 可以由已知的直接型结构求出格型结构系数。本例的MATLAB 程序如下：
b = [1 -1.7 1.53 -0.648]; k = dir2latc(b) 运行结果：
k = 1.0000 -0.7026 0.7385 -0.6480
所得的格型结构示于图7.25。
图7.25 例 的全极点结构
4.3.6 IIR 系统的零-极点格型结构
既有极点又有零点的IIR 系统函数为
∑∑=-=-+==
N k k
k M
k k
k z a z
b z A z B z H 1
01)
()
()( （17）
它的格型结构示于图7.26。由图可以看出：
（1） 如果 10...011=====,c c c c N ，则图7.26和图7.22的全极点系统的格型结 构完全一样。
（2） 如果 0...21====N k k k ，则7.26变成一个N 阶FIR 系统的直接实现形式。 因此，图7.26的上半部对应全极点系统)(/1z A ，其输出点在图中的Y 点。显然，下半部
对上半部无任何反馈。于是，参数N k k k ,...,,21仍可按全极点系统的方法求出。上半部对下半部有影响。所以系数组}{i c 和}{i b 不会完全相同。现在的任务是求出i c ，N i ,...,1,0=。
图7.26 零点-极点系统的格型结构
上一节论述FIR 全零点格型结构时，曾介绍前向、后向滤波器的系统函数。现在，由图7.26可以看出：下半部的N 个输入就是N 个后向滤波器的输出)(n g m ，N m ,...,1,0=。将图7.26与图7.10对比一下，可知对于图7.26来说，后向滤波器的系统函数是
)
()
()(z Y z G z B m m =
， N m ,...,2,1= （18）
在按全极点格型结构计算方法计算图7.26的系数N k k k ,...,,21时，同时算出了)(z B m 。 图7.26中，下半部的N 个输入端，用实心圆点标出。定义整个系统的输入端到下半部的N 个输入端之间的系统函数为
)(/)()(z X z G z H m m = （19） 故得
)(/)()
()
()()()(00z A z B z X z G z G z G z H m m m ==
（20）
整个系统的系统函数应是)(),...,(),(10z H z H z H N 加权后的总和，即 ∑
∑===
==N
m m m N
m m m z A z B z A z B c z c z H 0
)()
()()()()( （21） 式中，
)()(1--=z A z z B m m m （上一节的公式 ）
在求解N k k k ,...,,21时，将同时产生出)(z A m 和)(z B m 。详见第 节。 将式（ ）代入式（21），得
∑=--=
N
m m m m
z A z b
z B 0
1)()( （22）
下面说明系数组}{i c 的递推计算法。
m 阶多项式)(1-z A m 的形式如下：
m m m m m z m a z a z a z A --++++=)(...)2()1(1)(21 （23）
将式（23）代入式（22），可求出多项式系数}{m b 与}{m c 和)}({i a m 的关系为
N N b c = （24） ∑+==-+
=N
m i i
i m m ,...,N-,m m i a c c b 1
110
),( （25） 这样，若给出图7.26中的系数组}{m c ，则可求出该系统的系统函数分子多项式的系数。反之，若给定零极型系统的系统函数，则可得到系统的格型实现。具体步骤是：
（1） 计算图7.26中的系数组}{m k 。
（2） 利用式（24）和式（25）从N c 开始后向递推求出121,...,,c c c N N --。
例 已知一个IIR 系统的系统函数为
3212
16
131********)(------++++=z z z z z z H 画出该系统的格型结构。
解：
根据给出的分子多项式，知
3
2,35,3,00123==
==b b b b 作为习题，先求出全极点子系统3216
1316111
)(----++=
z z z z H 的格型结构的系数组
}{k 。然后根据式（24）和式（25），求得系数组}{m c 如下：
033==b c
6667.0)1(3322=-=a c b c
15143.1)2()1(332211=--=a c a c b c 5.2)3()2()1(33221100=---=a c a c a c b c
最后，画出零极点格型结构如图27所示。
图27 例 的零极点格型结构
现在我们用MA TLAB 的函数dir2ladr 验证以上计算结果。文献[ ]提供了这个函数，本书把它转录于所附光盘中。这个函数将直接Ⅱ型结构转换为格型结构。
% function[K,C] = dir2ladr(b,a)
% K = 格型系数N k k k ,...,,21 % C = 梯型系数N c c c ,...,,10 % b = 直接型的分子多项式系数
% a = 直接型的分母多项式系数
程序如下：
b = [3 5/3 2/3];
a = [1 1/6 1/3 -1/6]
[K C] = dir2ladr(b,a)
运行结果：
K = 0.1667 0.3714 -0.1667
C = 2.5000 1.5143 0.6667
2次由几种结构的分析可以看出，格型结构需要较大的运算量。N阶格型结构需要N
乘法，而直接型和级联型仅需要N次乘法。但用格型结构实现的系统对有限字长效应的敏感度低。
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。
滤波器设计原理 本文将介绍数字滤波器的设计基础及用窗函数法设计FIR 滤波器的方法，运用MATLAB 语言实现了低通滤波器的设计以及用CCS软件进行滤波效果的观察。读取语音文件，并加入一定的随机噪声，最后使用窗函数滤波法进行语音滤波，将加噪后的语音文件转换为.dat文件使其能和ccs软件链接，输出个阶段的时域和频域波形。 根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性。可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应( IIR) 滤波器和有限长冲激响应(FIR) 滤波器。IIR 滤波器的特征是具有无限持续时间的冲激响应；FIR 滤波器冲激响应只能延续一定时间。其中FIR 滤波器很容易实现严格的线性相位，使信号经过处理后不产生相位失真，舍入误差小，稳定等优点。能够设计具有优良特性的多带通滤波器、微分器和希尔伯特变换器，所以在数字系统、多媒体系统中获得极其广泛的应用。FIR数字滤波器的设计方法有多种，如窗函数设计法、最优化设计和频率取样法等等。而随着MATLAB软件尤其是MATLAB 的信号处理工具箱和Simulink 仿真工具的不断完善，不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能而且还可以使设计达到最优化。 FIR滤波器的窗函数法的设计 采用汉明窗设计低通FIR滤波器 使用b=fir1(n,Wn)可得到低通滤波器。其中，0Wn1，Wn=1相当于0.5。其语法格式为 b=fir1(n,Wn); 采用：b=fir1(25, 0.25); 得到归一化系数：
或者在命令行输入fdatool进入滤波器的图形设置界面，如下图所示 得到系数（并没有归一化） const int BL = 26; const int16_T B[26] = { -26, 33, 126, 207, 138, -212, -757, -1096, -652, 950, 3513, 6212, 7948, 7948, 6212, 3513, 950, -652, -1096, -757, -212, 138, 207, 126, 33, -26 }; FIR滤波器的设计（Matlab） 技术指标为：采用25阶低通滤波器，汉明窗(Hamming Window)函数，截止频率为1000Hz，采样频率为8000Hz，增益40db。 下面的程序功能是：读取语音文件，并加入一定的随机噪声，最后使用窗函数滤波法进行语音滤波，将加噪后的语音文件转换为.dat文件使其能和ccs软件链接，输出个阶段的时域和频域波形。
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
基于matlab的FIR低通-高通-带通-带阻滤波器设计
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北京师范大学 课程设计报告 课程名称： DSP 设计名称：FIR 低通、高通带通和带阻数字滤波器的设计姓名： 学号: 班级： 指导教师： 起止日期： 课程设计任务书
学生班级： 学生姓名： 学号： 设计名称： FIR 低通、高通带通和带阻数字滤波器的设计 起止日期： 指导教师： 设计目标： 1、采用Kaiser 窗设计一个低通FIR 滤波器 要求： 采样频率为8kHz ； 通带：0Hz~1kHz ，带内波动小于5%； 阻带：1.5kHz ，带内最小衰减：Rs=40dB 。 2、采用hamming 窗设计一个高通FIR 滤波器 要求： 通带截至频率wp=rad π6.0, 阻带截止频率ws=rad π4.0， 通带最大衰减dB p 25.0=α,阻带最小衰减dB s 50=α 3、采用hamming 设计一个带通滤波器 低端阻带截止频率 wls = 0.2*pi ； 低端通带截止频率 wlp = 0.35*pi ； 高端通带截止频率 whp = 0.65*pi ； 高端阻带截止频率 whs = 0.8*pi ； 4、采用Hamming 窗设计一个带阻FIR 滤波器 要求： 通带：0.35pi~0.65pi ，带内最小衰减Rs=50dB ； 阻带：0~0.2pi 和0.8pi~pi ，带内最大衰减：Rp=1dB 。
FIR 低通、高通带通和带阻数字滤波器的设计 一、 设计目的和意义 1、熟练掌握使用窗函数的设计滤波器的方法，学会设计低通、带通、带阻滤波器。 2、通过对滤波器的设计，了解几种窗函数的性能，学会针对不同的指标选择不同的窗函数。 二、 设计原理 一般，设计线性相位FIR 数字滤波器采用窗函数法或频率抽样法，本设计采用窗函数法，分别采用海明窗和凯泽窗设计带通、带阻和低通。 如果所希望的滤波器的理想频率响应函数为)(jw d e H ，如理想的低通，由信号系统的知识知道，在时域系统的冲击响应h d (n)将是无限长的，如图2、图3所示。 H d (w) -w c w c 图2 图3 若时域响应是无限长的，则不可能实现，因此需要对其截断，即设计一个FIR 滤波器频率响应∑-=-=1 0)()(N n jwn jw e n h e H 来逼近)(jw d e H ，即用一个窗函数w(n)来 截断h d (n)，如式3所示： )()()(n w n h n h d = （式1）。 最简单的截断方法是矩形窗，实际操作中，直接取h d (n)的主要数据即可。 )(n h 作为实际设计的FIR 数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数为： ∑-=-=1 0)()(N n jwn jw e n h e H （式2） 令jw e z =，则 ∑-=-=1 0)()(N n n z n h z H （式3）， 式中，N 为所选窗函数)(n w 的长度。
《DSP技术与应用》课程设计报告 课题名称：基于DSP Builder的FIR数字滤波器的设计与实现 学院：电子信息工程学院 班级：11级电信本01班 学号： 姓名：
题目基于DSP Builder的FIR数字滤波器的设计与实现 摘要 FIR数字滤波器是数字信号处理的一个重要组成部分，由于FIR数字滤波器具有严格的线性相位，因此在信息的采集和处理过程中得到了广泛的应用。本文介绍了FIR数字滤波器的概念和线性相位的条件，分析了窗函数法、频率采样法和等波纹逼近法设计FIR滤波器的思路和流程。在分析三种设计方法原理的基础上，借助Matlab仿真软件工具箱中的fir1、fir2和remez子函数分别实现窗函数法、频率采样法和等波纹逼近法设计FIR滤波器。然后检验滤波器的滤波效果，采用一段音频进行加噪声然后用滤波器滤，对比三段音频效果进而对滤波器的滤波效果进行检验。仿真结果表明，在相频特性上，三种方法设计的FIR滤波器在通带内都具有线性相位；在幅频特性上，相比窗函数法和频率采样法，等波纹逼近法设计FIR滤波器的边界频率精确，通带和阻带衰减控制。
Abstract FIR digital filter is an important part of digital signal processing, the FIR digital filter with linear phase, so it has been widely applied in the collection and processing of information in the course of. This paper introduces the concept of FIR digital filter with linear phase conditions, analysis of the window function method and frequency sampling method and the ripple approximation method of FIR filter design ideas and processes. Based on analyzing the principle of three kinds of design methods, by means of fir1, fir2 and Remez function of Matlab simulation software in the Toolbox window function method and frequency sampling method and respectively realize equiripple approximation method to design FIR filter. Then test the filtering effect of the filter, using an audio add noise and then filter, test three audio effects and comparison of filter filtering effect. Simulation results show that the phase frequency characteristic, three design methods of FIR filter with linear phase are in the pass band; the amplitude frequency characteristics, compared with the window function method and frequency sampling method, equiripple approximation method Design of FIR filter with accurate boundary frequency, the passband and stopband attenuation control.
河北科技大学课程设计报告 学生姓名：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期 指导教师： 20 年月
课程设计成绩评定表 学生姓名学号成绩 专业班级起止时间 设计题目 指 导 教 师 评 指导教师： 语 年月日
目录 1. 窗函数设计低通滤波器 1.1设计目的 (1) 1.2设计原理推导与计算 (1) 1.3设计内容与要求 (2) 1.4设计源程序与运行结果 (3) 1.5思考题 (10) 1.6心得体会 (14) 参考文献 (15)
1.窗函数设计低通滤波器 1.1设计目的 1. 熟悉设计线性相位数字滤波器的一般步骤。 2. 掌握用窗函数法设计FIR 数字滤波器的原理和方法。 3. 熟悉各种窗函数的作用以及各种窗函数对滤波器特性的影响。 4. 学会根据指标要求选择合适的窗函数。 1.2设计原理推导与计算 如果所希望的滤波器的理想的频率响应函数为() ωj d e H ，则其对应的单位脉冲响应为 ()() ωπ ωωπ π d e e H n h j j d d ?- = 21 （4.1） 窗函数设计法的基本原理是设计设计低通FIR 数字滤波器时，一般以理想低通滤波特性为逼近函数() ωj e H ，即 () ?????≤<≤=-π ωωωωωαω c c j j d ，， e e H 0,其中21-=N α ()() ()[]() a n a n d e e d e e H n h c j j j j d d c c --= = = ??- -- πωωπ ωπ ωαωω ωαω π π ω sin 21 21 用有限长单位脉冲响应序列()n h 逼近()n h d 。由于()n h d 往往是无限长序列，而且是非因果的，所以用窗函数()n ω将()n h d 截断，并进行加权处理，得到： ()()()n n h n h d ω= （4.2） ()n h 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() ωj e H 为 ()()n j N n j e n h e H ωω ∑-==1 （4.3） 式中，N 为所选窗函数()n ω的长度。 用窗函数法设计的滤波器性能取决于窗函数()n ω的类型及窗口长度N 的取
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。 （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;
西南科技大学 课程设计报告 课程名称：数字信号处理与通信原理课程设计 设计名称： FIR数字滤波器分析与应用 姓名： 学号: 班级： 指导教师： 起止日期： 6.26 – 7.6
课程设计任务书 学生班级：通信学生姓名：学号： 设计名称：窗函数设计FIR低通滤波器 起止日期： 6.26~7.6 指导教师： 课程设计学生日志
课程设计考勤表 课程设计评语表
窗函数设计FIR 低通滤波器 一、设计目的和意义： 1、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） 了解各个窗函数对滤波器特性的影响。 2、意义：有限长单位冲激响应数字滤波器可以做成具有严格的线性相位，同时又可以具 有任意的幅度特性。滤波器的性能只由窗函数的形状决定。 二、设计原理： 假如题目所要求设计的滤波器的频率响应为H d (e ωj ),则要设计一个FIR 滤波器频应为 H(e ω j )= ∑=-1 -N 0 n j )(n e n h ω ()1 来逼近。但是设计却是在时域进行的，所以用傅氏反变换导出h d (n)： h d (n) = ωπ π π ωωd e e H n j j d ? -)(21 ()2 但是要求设计的FIR 滤波器，它的h(n)是有限长的，但是h d (n)却是无限长的，所以要用一个有限长度的窗函数)(n ω来截取h d (n)，即 h(n)= )(n ωh d (n) ()3 h(n)就是实际设计的FIR 数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数即为()1式，其中N 就是所选择的窗函数)(n ω的长度。 本课程设计的要求是利用矩形窗，海宁窗，汉明窗各设计一个FIR 低通滤波器。因此 首先对这三个窗函数进行简要说明。 1．矩形窗：
FIR低通数字滤波器的设计要点 《DSP技术与应用》 课程设计报告 课题名称：基于DSP Builder的FIR数字滤波器的设计与实现 学院：电子信息工程学院 班级： 11级电信本01班 学号： 姓名： 题目基于DSP Builder的FIR数字滤波器的设计与实现 摘要 FIR数字滤波器是数字信号处理的一个重要组成部分，于FIR数字滤波器具有严格的线性相位，因此在信息的采集和处理过程中得到了广泛的应用。介绍了FIR数字滤波器的概念和线性相位的条件，分析了窗函数法、频率采样法和等波纹逼近法设计FIR滤波器的思路和流程。在分析三种设计方法原理的基础上，借助Matlab仿真软件工具箱中的fir1、fir2和remez子函数分别实现窗函数法、频率采样法和等波纹逼近法设计FIR滤波器。然后检验滤波器的滤波效果，采用一段音频进行加噪声然后用滤波器滤，对比三段音频效果
进而对滤波器的滤波效果进行检验。仿真结果表明，在相频特性上，三种方法设计的FIR滤波器在通带内都具有线性相位；在幅频特性上，相比窗函数法和频率采样法，等波纹逼近法设计FIR滤波器的边界频率精确，通带和阻带衰减控制。 Abstract FIR digital filter is an important part of digital signal processing, the FIR digital filter with linear phase, so it has been widely applied in the collection and processing of information in the course of. This paper introduces the concept of FIR digital filter with linear phase conditions, analysis of the window function method and frequency sampling method and the ripple approximation method of FIR filter design ideas and processes. Based on analyzing the principle of three kinds of design methods, by means of fir1, fir2 and Remez function of Matlab simulation software in the Toolbox window function method and frequency sampling method and respectively realize equiripple approximation method to design FIR filter. Then test the filtering effect of the filter, using an audio add noise and then filter, test three audio effects and
电气控制技术应用设计 题目基于DSP的FIR数 字低通滤波器设计 二级学院电子信息与自动化学院 专业电气工程及其自动化 班级 113070404 学生姓名黄鸿资学号 11307991032 学生姓名姜天宇学号 11307991015 指导教师蒋东荣 时间：2016年8月29日至2016年9月9日 考核项目平时成绩20分设计35分报告15分答辩30分得分 总分考核等级教师签名
一绪论 (3) （一）课题设计的目的 (3) （二）课题内容 (3) （三）设计方法 (3) (四）课程设计的意义 (4) 二FIR滤波器基本理论 (4) （一）FIR滤波器的特点 (4) （二）FIR滤波器的基本结构 (4) （三）Chebyshev逼近法 (5) 三用MATLAB辅助DSP设计FIR滤波器 (5) （一）利用fir函数设计FIR滤波器并在在MATLAB环境仿真 (6) （二） Matlab中自带工具箱FDATool快速的实现滤波器的设计 (10) 1.确定一个低通滤波器指标 (10) 2.打开MATLAB的FDATool (10) 3.选择Design Filter (11) 4.滤波器分析 (11) 5.导出滤波器系数 (13) （三）滤波器设计总结 (13) （四）DSP所需文件配置 (14) 四基于DSP的FIR滤波器实现 (14) （一）DSP中滤波器的算法实现 (15) 1.线性缓冲区法 (15) 2.循环缓冲区法 (15) （二）C语言实现FIR (15) （三）CSS仿真调试 (17) （四）滤波器的仿真测试 (18) 五 DSP数字滤波器与硬件低通滤波器对比 (21) （一）二阶有源低通滤波电路的构建 (21) （二）二阶低通滤波器参数计算 (22) （三）在protues环境下的仿真测试 (22) （四）实物硬件连接以及测试结果 (22) （五）利用FilterPro的低通滤波器设计 (23) 1 选择filter类型 (24) 2 滤波器参数设定 (24) 3 滤波器的算法选择 (25) 4 滤波器的拓扑结构选择 (25) （六） DSP数字滤波器与硬件电路滤波器对比总结 (26) 六课程设计总结 (26) 参考文献 (28)
信息处理课程设计 姓名 班级 学院 学号
目录 一、前言 二、FIR滤波器简介 三、FIR低通滤波器的设计 四、FIR数字滤波器程序设计与仿真 五、小结 六、参考文献
一、前言 数字滤波器是一个离散时间系统（按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置）。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。 数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即1／2抽样频率点呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。 数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。 数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器，以及FIR滤波器。 二、FIR滤波器简介 FIR滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。 有限长单位冲激响应（FIR）滤波器有以下特点： (1) 系统的单位冲激响应h (n)在有限个n值处不为零； (2) 系统函数H(z)在|z|>0处收敛，极点全部在z = 0处（因果系统）； (3) 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。
北京师范大学 课程设计报告 课程名称：DSP 设计名称： FIR 低通、高通带通和带阻数字滤波器的设计姓名： 学号: 班级： 指导教师： 起止日期： 课程设计任务书
学生班级：设计名称：起止日期：学生姓名：学号： FIR 低通、高通带通和带阻数字滤波器的设计指导教师： 设计目标： 1、采用 Kaiser 窗设计一个低通 FIR 滤波器 要求： 采样频率为 8kHz ； 通带： 0Hz~1kHz，带内波动小于5%； 阻带： 1.5kHz，带内最小衰减： Rs=40dB。 2、采用 hamming 窗设计一个高通FIR 滤波器 要求： 通带截至频率wp= 0.6 rad , 阻带截止频率ws= 0.4 rad， 通带最大衰减p0.25dB ,阻带最小衰减s50dB 3、采用 hamming设计一个带通滤波器 低端阻带截止频率wls = 0.2*pi； 低端通带截止频率wlp = 0.35*pi； 高端通带截止频率whp = 0.65*pi； 高端阻带截止频率whs = 0.8*pi； 4、采用 Hamming 窗设计一个带阻 FIR 滤波器 要求： 通带： 0.35pi~0.65pi，带内最小衰减Rs=50dB； 阻带： 0~0.2pi 和 0.8pi~pi，带内最大衰减： Rp=1dB。
FIR 低通、高通带通和带阻数字滤波器的设计 一、设计目的和意义 1、熟练掌握使用窗函数的设计滤波器的方法，学会设计低通、带通、带阻滤 波器。 2、通过对滤波器的设计，了解几种窗函数的性能，学会针对不同的指标选择 不同的窗函数。 二、设计原理 一般，设计线性相位 FIR 数字滤波器采用窗函数法或频率抽样法，本设计采用窗 函数法，分别采用海明窗和凯泽窗设计带通、带阻和低通。 如果所希望的滤波器的理想频率响应函数为H d (e jw ) ，如理想的低通，由信号系统的知识知道，在时域系统的冲击响应h d(n) 将是无限长的，如图2、图 3 所示。 H d(w) -w c w c 图 2图 3 若时域响应是无限长的，则不可能实现，因此需要对其截断，即设计一个FIR 滤波 N 1 器频率响应 H (e jw )h(n)e jwn来逼近H d(e jw)，即用一个窗函数w(n)来截断 n 0 h d(n) ，如式 3 所示： h(n) h d (n) w(n)（式1）。 最简单的截断方法是矩形窗，实际操作中，直接取h d(n) 的主要数据即可。 h( n) 作为实际设计的FIR 数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数为： N 1 H (e jw )h(n)e jwn（式 2） n 0 令 z e jw，则 N 1 H ( z)h(n)z n（式 3）， n 0 式中， N 为所选窗函数w(n)的长度。
信息院14电信（师范） 实验五：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MATLAB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 程序代码：（信号产生函数xtg程序清单） function xt=xtg(N) %êμ?é??D?o?x(t)2úéú,2￠??ê?D?o?μ?·ù?μì?D??ú?? %xt=xtg(N) 2úéúò???3¤?è?aN,óD?óD????μ??éùμ?μ￥?μμ÷·ùD?o?xt,2é?ù?μ?êFs=10 00Hz
%??2¨?μ?êfc=Fs/10=100Hz,μ÷???y?ò2¨?μ?êf0=fc/10=10Hz. N=1000;Fs=1000;T=1/Fs;Tp=N*T; t=0:T:(N-1)*T; fc=Fs/10;f0=fc/10; %??2¨?μ?êfc=Fs/10￡?μ￥?μμ÷??D?o??μ?ê?af0=F c/10; mt=cos(2*pi*f0*t); %2úéúμ￥?μ?y?ò2¨μ÷??D?o?mt￡??μ?ê?af0 ct=cos(2*pi*fc*t); %2úéú??2¨?y?ò2¨D?o?ct￡??μ?ê?afc xt=mt.*ct; %?à3?2úéúμ￥?μμ÷??D?o?xt nt=2*rand(1,N)-1; %2úéú???ú??éùnt %=======éè????í¨??2¨?÷hn,ó?óú??3y??éùnt?Dμ?μí?μ3é·?,éú3é??í¨ ??éù======= fp=150; fs=200;Rp=0.1;As=70; % ??2¨?÷??±ê fb=[fp,fs];m=[0,1]; % ????remezordoˉêy?ùDè2?êyf,m,dev dev=[10^(-As/20),(10^(Rp/20)-1)/(10^(Rp/20)+1)]; [n,fo,mo,W]=remezord(fb,m,dev,Fs); % è·?¨remezoˉêy?ùDè2?êy hn=remez(n,fo,mo,W); % μ÷ó?remezoˉêy??DDéè??,ó?óú??3y??éùnt?Dμ?μí?μ3é·? yt=filter(hn,1,10*nt); %??3y???ú??éù?Dμí?μ3é·?￡?éú3é??í¨ ??éùyt %=========================================================== ===== xt=xt+yt; %??éù?óD?o? fst=fft(xt,N);k=0:N-1;f=k/Tp; subplot(3,1,1);plot(t,xt);grid;xlabel('t/s');ylabel('x(t)'); axis([0,Tp/5,min(xt),max(xt)]);title('(a) D?o??ó??éù2¨D?') subplot(3,1,2);plot(f,abs(fst)/max(abs(fst)));grid;title('(b) D?o??ó??éùμ??μ?×') axis([0,Fs/2,0,1.2]);xlabel('f/Hz');ylabel('·ù?è')输出波形： （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
第1章 绪论 1.1设计的作用、目的 课程设计是理论学习的延伸，是掌握所学知识的一种重要手段，对于贯彻理论联系实际、提高学习质量、塑造自身能力等于有特殊作用。本次课程设计一方面通过MATLAB 仿真设计内容，使我们加深对理论知识的理解，同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。 1.2设计任务及要求 通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求： 1.掌握双线性变换法及脉冲响应不变法设计IIR 数字滤波器以及窗函数法 设计FIR 数字滤波器的原理、具体方法及计算机编程。 2.观察双线性变换法、脉冲响应不变法及窗函数法设计的滤波器的频域特性，了解各种方法的特点。 3.用MATLAB 画出三种方法设计数字滤波器的幅频特性曲线，记带宽和衰减量，检查结果是否满足要求。 1.3设计内容 设计题目：FIR 数字滤波器的设计 设计内容： (1)设计一线性相位FIR 数字低通滤波器，截止频率π2.0=Ωf ，过渡带宽度 π4.0≤?Ω，阻带衰减dB A s 30>。 (2)设计一线性相位FIR 数字低通滤波器，截止频率π2.0=Ωf ，过渡带宽度π4.0≤?Ω，阻带衰减dB A s 50>。
第2章FIR 数字低通滤波器的原理 2.1 数字低通滤波器的设计原理 FIR 数字滤波器传统的设计方法有窗函数法、频率抽样法和等波纹逼近法。用窗函数设计FIR 数字滤波器就是用有限长的脉冲相应逼近序列，其基本设计思想为：首先选定一个理想的选频滤波器，然后截取它的脉冲响应得到线性相位。 滤波器（filter ），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。 1.滤波器的概念 滤波器是对输入信号起滤波的作用的装置。当输入、输出是离散信号，滤波器的冲激响应是单位抽样响应()n h 时，这样的滤波器称作数字滤波器（DF ）。DF 是由差分方程描述的一类特殊的离散时间系统。 2.数字滤波器的系统函数与差分方程: 系统函数 （2-1） 差分方程 对上式进行 Z 反变换，即得： （2-2） 3.数字滤波器结构的表示 数字滤波器分FIR 数字滤波器和IIR 数字低通滤波器。其中FIR 低通滤波器分直接型和级联型，IIR 分直接型、级联型和并联型。 方框图法、信号流图法 ∑∑==-+-= N k M k k k k n x b k n y a n y 1 )()()(∑∑=-=--= = N k k M k k z a z b z X z Y z H k k 1 1) ()()(
目录 1.课程设计目的 (1) 2.课题设计要求 (1) 3.设计原理 (1) 3.1数字滤波器的优点 (2) 3.2 FIR数字滤波器的窗函数设计方法 (2) 4．实验程序及结果 (7) 4.1 实验程序 (7) 4.2 实验结果 (9) 5.心得体会 (11) 6.参考资料 (12)
FIR低通滤波器的设计 1.课程设计目的 1、加深对数字信号处理理论方面的理解，提高学生用程序实现相关信号处理的 能力。 2、使学生掌握C或MATLAB实现数字信号处理中频谱分析的方法和步骤。 3、使学生掌握用MATLAB实现IIR和FIR滤波器的设计方法、过程，为以后的设 计打下良好基础。 4、掌握窗函数法FIR低通滤波器的设计。 2.课题设计要求 1、既要有设计的理论内容，也要有每一步的MATLAB处理结果。 2、应用MATLAB平台，采用函数法设计一FIR低通数字滤波器: Ωp=2π*103(rad/sec)，Ωst=2π*3*103(rad/sec)，Ωs=2π*104(rad/sec)，阻带衰减不小于-50db。 3、应用MATLAB平台。 3.设计原理 随着通信与信息技术的发展，数字信号在该领域显得越来越重要。同时数字信号处理在语音、自动控制、航空航天和家用电器领域也得到了广泛应用，它已成为当今一门极其重要的学科和技术。在数字信号处理中起重要作用并获得广泛应用的是数字滤波器，数字滤波器是数字信号处理的基础。Matlab(Matrix laboratory)是美国Math Works公司推出的具有强大数值分析、矩阵运算、图形绘制和数据处理等功能的软件，现在广泛应用到教学、科研、功能工程设计领域。随着Mallab软件信号处理软件箱的推出，Mallab已成为信息处理，特别是数字
摘要 本次课程设计分析了FIR数字滤波器的基本原理，在MATLAB环境下利用窗函数设计FIR低通滤波器，实现了FIR低通滤波器的设计仿真。本文根据滤波后的时域图和原始语音信号时域图的比较，以及滤波后信号的频谱图和原始语音信号频谱图的比较，最后回放滤波后语音信号，滤波后的语音信号与原始语音信号一样清晰，仿真结果表明，设计的FIR滤波器的各项性能指标均达到了指定要求，设计过程简便易行。该方法为快速、高效地设计FIR滤波器提供了一个可靠而有效的途径。 关键词：DSP ；FIR；低通滤波器；语音信号；MATLAB
目录 第一章引言 (1) 1.1 设计目的及意义 (1) 1.2 设计任务及要求 (2) 1.3 课程设计平台 (2) 第二章基本原理 (3) 2.1 FIR滤波器的基本概念 (3) 2.2 FIR滤波器的特点 (3) 2.3 FIR滤波器的种类 (4) 第三章FIR数字低通滤波器的设计 (5) 3.1 FIR低通滤波器设计原理 (5) 3.2 FIR低通滤波器的设计方法 (5) 3.2.1 频率采样法 (5) 3.2.2 最优化设计 (6) 3.2.3 窗函数法 (6) 3.3 窗函数法设计步骤 (8) 第四章详细设计 (9) 4.1 语音信号的采集 (9) 4.2 语音信号的读入与打开 (10) 4.3 语音信号的FFT变换 (11) 4.4 含噪信号的合成 (12) 4.5 利用FIR滤波器滤波 (13) 4.6 结果分析 (14) 总结 (15) 参考文献 (16) 附录 (17) 致谢 (21)
第一章引言 随着信息科学和计算机技术的不断发展，数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)的理论和技术也得到了飞速的发展，并逐渐成为一门重要的学科，它的重要性在日常通信、图像处理、遥感、声纳、生物医学、地震、消费电子、国防军事、医疗方面等显得尤为突出。在我们面临的信息革命中，数字信号处理几乎涉及了所有的工程技术领域。 数字信号处理是一种将信号以数字形式进行处理的一种理论和技术，它的目的是将真实世界中的一些信号进行分析并滤波，最后得出其中的有用的信号。数字滤波器是数字信号处理的一种，一般根据单位脉冲响应h(n)分为无限脉冲响应(IIR)和有限脉冲响应(FIR)系统。IIR数字滤波器的设计方法简单，特别是采用双线性变换法来设计的数字滤波器不存在频域混叠的现象，但是IIR滤波器存在一个较为明显的缺憾，就是它的相位响应一般都是非线性的，而在传输频带内的相位响应如果不是线性的，就会造成有用信号的传输失真，而FIR数字滤波器不仅可以设计成任意的幅度响应，而且可以设计成在通频带内具有良好的线性相位响应。FIR数字滤波器的单位脉冲响应h(n)有限长，所以FIR数字滤波器是稳定的，不存在稳定性的问题，且可以通过快速傅里叶变换(FFT)的算法来实现信号滤波，大大的提高的运算效率。[1]因此，FIR数字滤波器日益引起了人们的关注。 本课程设计是采用kaiser窗设计的FIR滤波器对语音信号进行滤波去噪。通过课程设计了解FIR滤波器设计的原理和步骤，掌握用Matlab语言设计滤波器的方法，了解DSP对FIR滤波器的设计及编程方法。通过观察语音信号滤波前后的时域波形的比较，加深对滤波器作用的理解。通过对比滤波前后波形图的比较和放滤波前后语音信号的对比，可以看出滤波器对有用信号无失真放大具有重大意义。 1.1 设计目的及意义 《信号处理》课程设计是现代信号处理技术课程的有效补充部分，通过课程设计，使得学生在设计过程中了解完整的现代信号处理技术的工程实现方法和流程，从而对现代信号处理技术的理论有更深入的认识。本课程设计的目的是通过学生使用MATLAB等工具，采用窗函数法设计符合一定参数要求的FIR滤波器，并用所设计的滤波器对加噪语音信号进行滤波去噪处理。