实验二IIR数字滤波器的设计
实验内容及步骤:
数字滤波器的性能指标：通带临界频率fp、阻带临界频率fr；通带内的最大衰减Ap；阻带内的最小衰减Ar；采样周期T；
(1)、fp=0.3KHz,Ap=0.8dB, fr=0.2KHz,Ar=20dB,T=1ms；设计一Chebyshev高通滤波器；观察其通带损耗和阻带衰减是否满足要求。
程序如下：
fp=300; fr=200;
Ap=0.8; Ar=20;
T=0.001;fs=1/T;
wp=2*pi*fp*T;
wr=2*pi*fr*T;
Wp=2/T*tan(wp/2);
Wr=2/T*tan(wr/2);
[N,Wn]=cheb1ord(Wp,Wr,Ap,Ar,'s');
[B,A] = cheby1(N,Ap,Wn,'high','s');
[num,den]=bilinear(B,A,1/T);
[h,w]=freqz(num,den);
plot(w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h))); %衰减及频率都用归一化的1为单位显示axis([0,500,-30,0]);
title('Chebyshev高通滤波器');
xlabel('频率');
ylabel('衰减');
grid on;
根据下图知道通带损耗与阻带衰减满足要求
(2)、fp=0.2KHz,Ap=1dB, fr=0.3KHz,Ar=25dB,T=1ms；分别用脉冲响应不变法及双线性变换法设计一Butterworth数字低通滤波器，观察所设计数字滤波器的幅频特性曲线，记录带宽和衰减量，检查是否满足要求。比较这两种方法的优缺点。
程序如下：
fp=200; fr=300;
Ap=1;Ar=25;
T=0.001;fs=1/T;
wp=2*pi*fp*T;
wr=2*pi*fr*T;
Wp=2/T*tan(wp/2);
Wr=2/T*tan(wr/2);
[N,Wn]=buttord(Wp,Wr,Ap,Ar,'s');
[B,A] = butter(N,Wn,'s');
[num1,den1]=impinvar(B,A,1/T); %脉冲响应不变法得出设计的传递函数
[num2,den2]=bilinear(B,A,1/T); %双线性变换法得出设计的传递函数[h1,w]=freqz(num1,den1);
plot(w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h2)),w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h1)), 'r.');grid on; %衰减及频率都用归一化的1为单位显示
axis([0,500,-30,0]);
title('Butterworth低通滤波器（红线—脉冲响应不变法蓝线—双线性变换法）');
xlabel('?μ?ê');
ylabel('?￥??');
grid on;
优缺点：
采用脉冲响应不变法
优点：1.h(n)完全模仿模拟滤波器的单位抽样响应时域逼近良好
2线性相位模拟滤波器转变为线性相位数字滤波器
缺点：1.对时域的采样会造成频域的“混叠效应”，故有可能使所设计数字滤波器的频率响应与原来模拟滤波器的频率响应相差很大
2不能用来设计高通和带阻滤波器。只适用于限带的低通、带通滤波器
采用双线性变换法
优点：1避免了频率响应的混迭失真现象
2在特定数字滤波器和特定模拟滤波器处，频率响应是严格相等的，它可以较准确地控制截止频率的位置。
3它是一种简单的代数关系，设计十分方便。
缺点：1除了零频率附近，w与W之间严重非线性，即线性相位模拟滤波器变为非线性相位数字滤波器
2要求模拟滤波器的幅频响应为分段常数型，不然会产生畸变
3对于分段常数型AF滤波器，经双线性变换后，仍得到幅频特性为分段常数的DF.
但在各个分段边缘的临界频率点产生畸变，这种频率的畸变，可通过频率预畸变加以校正
(3)、利用双线性变换法分别设计满足下列指标的Butterworth型和Chebyshev型数字低通滤波器，并作图验证设计结果。f p=1.2kHz, A p≤0.5dB, f r=2KHz, A r≥40dB, f s=8KHz
程序如下：
fp=1200;fr=2000; Ap=0.5; Ar=40;
fs=8000; T=1/fs; wp=2*pi*fp*T; wr=2*pi*fr*T;
Wp=2/T*tan(abs(wp/2));Wr=2/T*tan(abs(wr/2));
[N,Wn]=buttord(Wp,Wr,Ap,Ar,'s');
[B,A] = butter(N,Wn,'s');
[num2,den2]=bilinear(B,A,1/T); %双线性变换法得到设计的传递函数[h2,w]=freqz(num2,den2);
figure(1);
subplot(2,1,1)
plot(w/pi*fs/2,10*log10(abs(h2).^2));
axis([0 fs/2 -50 0]);
title('Butterworth低通滤波器');
xlabel('频率 Hz');ylabel('衰减 dB');grid on;
subplot(2,1,2)
[N,Wn]=cheb1ord(Wp,Wr,Ap,Ar,'s');
[B,A] = cheby1(N,Ap,Wn,'s');
[num,den]=bilinear(B,A,1/T);
[h1,w]=freqz(num,den);
plot(w/pi*fs/2,10*log10(abs(h1).^2));
axis([0 fs/2 -50 0]);
title('chebyshev低通滤波器');
xlabel('频率 Hz'); ylabel('衰减 dB');grid on;
(4)、利用双线性变换法设计一Butterworth型数字带通滤波器，已知fs=30KHz，其等效的模拟滤波器指标为
Ap＜3dB, 2KHz＜f≤3KHz, Ar≥5dB, f≥6KHz, Ar≥20dB, f≤1.5KHz
程序如下：
f1=2000; f3=3000;
fsl=1500; fsh=6000;
rp=3; rs=20;
Fs=30000;
wp1=2*pi*f1/Fs;
wp3=2*pi*f3/Fs;
wsl=2*pi*fsl/Fs;
wsh=2*pi*fsh/Fs;
wp=[wp1 wp3];ws=[wsl wsh];
wap=2*Fs*tan(wp./2);
was=2*Fs*tan(ws./2);
[n,wn]=buttord(wap,was,rp,rs,'s');
[z,p,k]=buttap(n);
[bp,ap]=zp2tf(z,p,k);
bw=wap(2)-wap(1);
w0=sqrt(wap(2)*was(1));
[bs,as]=lp2bp(bp,ap,w0,bw);
[bz1,az1]=bilinear(bs,as,Fs);
[h,w]=freqz(bz1,az1,256,Fs);
plot(w,20*log10(abs(h)));
axis([0 8000 -30 0]);
title('Butterworth带通滤波器');
xlabel('频率 Hz');
ylabel('衰减 dB');
grid on;
1．双线性变换法中Ω和ω之间的关系是非线性的，在实验中你注意到这种非线性关系了吗？从哪几种数字滤波器的幅频特性曲线中可以观察到这种非线性关系？
答：在双线性变换法中，模拟频率与数字频率不再是线性关系，所以一个线性相
位模拟器经过双线性变换后得到的数字滤波器不再保持原有的线性相位了。如以上实验过程中，采用双线性变化法设计的butter和cheby1数字滤波器，从图中可以看到这种非线性关系。
2．能否利用公式完成脉冲响应不变法的数字滤波器设计？为什么？
答：不能，这样会使得H(z)中的z以对数形式出现，使H(z)的分子分母不再是z的有理
多项式，这样会给系统的分析和实现带来很大的困难。
实验三、FIR数字滤波器的设计
实验内容及步骤
(1)N=15,。用Hanning窗设计一线性相位带通滤波器，观察它
的实际3dB和20dB带宽。N=45，重复这一设计，观察幅频和相位特性的变化，注意长度N变化的影响；
程序如下：
N1=15;
w1=0.3;
w2=0.5;
wn=[w1,w2];
b1=fir1(N1-1,wn,hanning(N1)); %用Hanning窗作为冲击响应的窗函数
figure(1);
freqz(b1,1);
title('N=15 hanning窗幅频相频特性');
N2=45;
b2=fir1(N2-1,wn,hanning(N2));
figure(2);
freqz(b2,1);
title('N=45 hanning窗幅频相频特性');
由图可知：随着N值的增大，取样值增大，主瓣的宽度减小，但是幅频特性与相频特性曲线的波动频率会增加。
(2)分别改用矩形窗和Blackman窗，设计(1)中的带通滤波器，观察并记录窗函数对滤波
器幅频特性的影响，比较三种窗的特点；
程序如下：
N1=15;
w1=0.3; w2=0.5;
wn=[w1,w2];
b1=fir1(N1-1,wn,boxcar(N1)); %用boxcar作为冲击响应的窗函数
figure(1);
freqz(b1,1);
title('N=15 boxcar窗幅频相频特性');
N2=45;
b2=fir1(N2-1,wn,boxcar(N2));
figure(2);
freqz(b2,1);
title('N=45 boxca窗幅频相频特性');
b3=fir1(N1-1,wn,blackman(N1)); %用blackman作为冲击响应的窗函数
figure(3);
freqz(b3,1);
title('N=15 blackman窗幅频相频特性');
N2=45;
b4=fir1(N2-1,wn,blackman(N2)); figure(4);
freqz(b4,1);
title('N=45 blackman窗幅频相频特性');
分析：由图可知，在三个窗函数中，Blackman 窗的衰减性最好，矩形窗的衰减最差。，而矩形窗的过渡带带宽最小，Blackman 窗的过渡带带宽最大。Hanning 窗的性能比较平均。其实，改善阻带衰减的一种方法是加宽过渡带宽，以牺牲过渡带宽换取阻带衰减的增大。也就是以增加主瓣宽度为代价来降低旁瓣。
(3)用Kaiser窗设计一专用线性相位滤波器，N=40，如图，当β0=4，6，10时，分别设计，比较它们的幅频和相频特性，注意β0取不同值时的影响；
程序如下：
N=40;
beta=[4,6,10];
wn=[0.2,0.4,0.6,0.8];
s=['rgb'];
for i=1:3
window=kaiser(N,beta(i));
b1=fir1(N-1,wn,window);
[H,w]=freqz(b1,1);
magH=abs(H);angH=angle(H);
subplot(2,1,1)
plot(w/pi, magH,[s(i)]);hold on; grid on
xlim([0,1]);
ylim([0,1]);
xlabel('w/（2*pi）');ylabel('|H( e^jw)|')
title('N=40 幅度部分');
legend('β=4','β=6','β=10');
subplot(2,1,2);
plot(w/pi,angH,[s(i)]);hold on; grid on;
xlim([0,1]);
xlabel('w/(2*pi)');ylabel('Φ(w)');
title('N=40 相频部分' );
end
由下图可知，随着β的增大，幅频曲线变得越平缓，但其边峰瓣值的衰减越大，相频特性变得越好。
(4)、用频率采样法设计(3)中的滤波器，过渡带分别设一个过渡点，令H(k)=0.5。比较两
种不同方法的结果；
分析：错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。。而在通带两侧的过渡带需要插入0.5 。采用第一种相位特性，因此，可以得到以下式子
程序如下：
Hr=[zeros(1,3),0.5,ones(1,5),0.5,0,0.5,ones(1,5),0.5,zeros(1,5),-0.5, -ones(1,5),-0.5,0,-0.5,-ones(1,5),-0.5,0,0];
N = 40;
k = 0:N-1;
subplot(2,2,1);
stem(k,Hr,'.');grid on;
xlabel('n'),ylabel('h(n)'),title('插值图');
wm = 2*pi*k./N;
Hd = Hr.*exp(-j*(N-1)*wm*0.5);
hh = real(ifft(Hd));
w1 = linspace(0,pi-0.1,1000);
H1 = freqz(hh,1,w1);
amgH = abs(H1);
dbH = 20*log10(amgH);
angH = angle(H1);
subplot(2,2,2);
plot(w1/pi,dbH),grid on;
title('幅度响应');
xlabel('w/pi'),ylabel('|H( e^jw)|/dB') axis([0 1 -100 20]);
subplot(2,2,3);
plot(w1/pi,angH),grid on;
title('相频特性');
xlabel('w/pi'),ylabel('Φ')
subplot(2,2,4);
plot(w1/pi,amgH),grid on;
title('幅频特性');
xlabel('w/pi'),ylabel('|H( e^jw)|')
（5）、用雷米兹(Remez)交替算法设计(3)中的滤波器，并比较(3)、(4)、(5)三种方法的结果。
程序如下：
f=[0 0.38 0.42 0.78 0.82 1];
A=[0 0 1 1 0 0];
weigh=[1 8 1];
b=remez(40,f,A,weigh);
%
[h,w]=freqz(b,1,512,'whole');
magh=abs(h);
dbh=20*log10(magh);
phah=angle(h);
subplot(2,1,1)
plot(w/(2*pi),dbh);grid on;
xlabel('w/(2*pi)'),ylabel('|H( e^jw)|/dB'),title('幅频特性');
axis([0 1 -70 5])
subplot(2,1,2)
plot(w/(2*pi),phah);grid on;
xlabel('w/（2*pi）'),ylabel('Φ(w)'),title('相频特性');
四、实验思考
1.定性地说明用本实验程序设计的FIR滤波器的3dB截止频率在什么位置？它
等于理想频率响应Hd(e jω)的截止频率吗？
答：在0.3-0.5之间，大致等于理想频率响应Hd(e jω)的截止频率。
2.如果没有给定h(n)的长度N，而是给定了通带边缘截止频率ωc和阻带临界频
率ωp，以及相应的衰减，你能根据这些条件用窗函数法设计线性相位FIR低通滤波器吗？
答：能，可以根据通带边缘截止频率ωc和阻带临界频率ωp，以及相应的衰减与所选用的窗函数来大致判断其长度N，从而设计线性相位FIR低通滤波器。
实验四、用MATLAB信号处理工具箱进行滤波器设计训练
针对一个含有5Hz、50Hz和100Hz的混和正弦波信号，设计一个FIR带通滤波器并对其进行滤波。利用MATLAB实现的三种方法：程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法。参数要求：采样频率fs=100Hz，通带下限截止频率fc1=10 Hz，通带上限截止频率fc2=20 Hz，过渡带宽6 Hz，通阻带波动0.01，采用凯塞窗设计。
方法1 ：程序设计法
fsamp = 100;
fcuts = [4 10 20 26];
mags = [0 1 0];
devs = [0.01 0.01 0.01];
[n,wn,beta,ftype] = kaiserord(fcuts,mags,devs,fsamp);
n = n + rem(n,2);
hh = fir1(n,wn,ftype,kaiser(n+1,beta),'noscale');
[H,f] = freqz(hh,1,1024,fsamp);
figure(1)
plot(f,abs(H)),grid on;
xlabel('f/Hz'),ylabel('|H( e^jw)|'),title('kaiser数字带通滤波器');
用一个序列测试滤波器性能
figure(2)
N = 256;
n = 0:1:N-1;
t =n/fsamp;
xn = sin(2*pi*5*t)+sin(2*pi*15*t)+sin(2*pi*35*t);
subplot(2,2,1)
stem(n,xn,'.');grid on;
xlabel('n');ylabel('x(n)');title('序列x(n)');
axis([0 256 -2 2]);
X = fft(xn,N);
magX = abs(X);
f = n*fsamp/N;
subplot(2,2,2);
plot(f(1:N/2),magX(1:N/2));grid on;
%axis([0 fs 0 1]);
xlabel('f/Hz');ylabel('|X(e^jw)|');title('序列x(n)幅频特性');
x = xn;
y = filter(hh,1,x);
Y = fft(y,N);
magY = abs(Y);
subplot(2,2,3);
stem(n,y,'.');grid on;
xlabel('n');ylabel('y(n)');title('滤波后的序列y(n)');
axis([0 256 -2 2]);
subplot(2,2,4);
plot(f(1:N/2),magY(1:N/2));grid on;
xlabel('f/Hz');ylabel('|Y(e^jw)|');title('序列y(n)幅频特性');
方法2：利用FDATool设计法
在MATLAB命令窗口输入FDATool后回车就会弹出FDATool界面。
带通滤波器设计:
已知滤波器的阶数n=38，beta=3.4。
(1)首先在Filter Type中选择Bandpass；
(2)在Design Method选项中选择FIR Window，
(3)接着在Window选项中选取Kaiser，Beta值为3.4；
(4)指定Filter Order项中的Specify order为38；采样频率Fs=100Hz,截止频率
Fc1=10Hz,Fc2=20Hz。
(5)设置完以后点击窗口下方的Design Filter，在窗口上方就会看到所设计滤波器的幅频
响应，通过菜单选项Analysis还可以看到滤波器的相频响应、组延迟、脉冲响应、阶跃响应、零极点配置等。
(6)设计完成后将结果保存为附件test0802.fda。
在simulink中进行验证，保存为附件test0802.mdl其原理图如下：
滤波前后的图如下：
方法3：利用SPTool设计法
带通滤波器设计:
已知滤波器的阶数n=38，beta=3.4。
（1）创建并导入信号源。在MATLAB命令窗口输入命令： Fs = 100;n = 0:255;t = n/Fs;
xn = sin(2*pi*t*5)+sin(2*pi*t*15)+sin(2*pi*t*30); 此时，变量Fs、t、s将显示在workspace 列表中。在命令窗口键入Sptool，将弹出Sptool主界面，点击菜单File/Import将信号xn导入并取名为sig1。
（2）单击Filters列表下的New，按照参数要求设计出kaiser窗型带通滤波器filt1
（3）将滤波器filt1应用到sig1信号序列。分别在Signals、Filters、Spectra列表中选择sig1、filt1、mtlbse，单击Filters列表下的Apply按钮，在弹出的Apply Filter对话框中将输出信号命名为sig2。
（4）进行频谱分析。在Signals中选择sig1，单击Spectra下的Create按钮，在弹出Spectra Viewer界面中选择Method为FFT，Nfft=256，单击Apply按钮生成sig1的频谱spect1。同样的步骤可以生成信号sig2的频谱spect2。分别选中信号sig1、sig2、spect1、spect2，单击各自列表下方的View按钮，即可观察他们的波形。按住shift再点击两个需要观察的信号，然后点击view，即可同时观察两个信号的图形。下图中蓝色是滤波前的信号，红色是滤波后的信号。
频域图像：
时域图像：
数字滤波器的设计步骤及程序实现 湖南理工学院信息与通信工程学院 一、IIR 脉冲响应不变法设计步骤 1、已知实际数字指标as s ap p ，，，ωω 2、将数字指标化为原型模拟指标As s Ap p ，，，ΩΩ，可设T=pi, T /ω=Ω 3、求原型模拟滤波器的c N Ω，，其中：??? ???ΩΩ--=)/lg(2)]110/()110lg[(10/10/s p A A s p N N A p cp p 210 /1 10 -Ω= Ω N A s cs s 210 /1 10 -Ω= Ω ][cs cp c ΩΩ∈Ω， 4、根据N 写出归一化原型系统函数)(p G a 5、用c s p Ω=/代入得原型系统函数c s p a a p G s H Ω==/)()( 6、将)(s H a 化为部分分式展开形式∑-=k k a s s A s H )( 7、写出)(z H 的极点T s k k e z =，并写出)(z H 的部分分式展开形式∑--?= 11)(z z A T z H k k 8、将)(z H 化为分子分母形式，验证设计结果。 二、IIR 双线性变换法设计步骤 1、已知实际数字指标as s ap p ，，，ωω 2、将数字指标化为原型模拟指标As s Ap p ，，，ΩΩ，可设T=2, 2 tan 2ω?= ΩT 3、求原型模拟滤波器的c N Ω，，其中：?? ? ???ΩΩ--=)/lg(2)]110/()110lg[(10/10/s p A A s p N N A p cp p 210 /1 10 -Ω= Ω N A s cs s 210 /1 10 -Ω= Ω ][cs cp c ΩΩ∈Ω， 4、根据N 写出归一化原型系统函数)(p G a 5、用c s p Ω=/代入得原型系统函数c s p a a p G s H Ω==/) ()( 6、用11 112--+-?=Z Z T s 代入原型系统函数)(s H a 得1 1 112)()(--+-? ==Z Z T s a s H z H 8、将)(z H 整理成分子分母形式，验证设计结果。
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
姓名: 学号：2009118125 班级：电工二班 实验十一 有源滤波器 实验目的 1. 掌握有缘滤波器的构成及其特性 2. 学习有缘滤波器的幅频特性的测量方法 实验仪器 数字示波器 信号发生器 交流毫伏表 直流电源 预习要求 1. 复习有缘滤波器的概念、工作原理。 2. 分析计算图5-11-1、图5-11-2电路的截止频率，图5-11-3电路 的中心频率。 3. 画出三个电路的幅频特性曲线 实验原理 有源滤波器又称作有源选频电路，通常用继承运放和电阻，电容网络构成。它的作用是让指定频段信号通过，而将其余频段信号加以抑制或大幅度衰减。分低通、高通、带通、带阻等电路。 1. 低通滤波电路 低通滤波器是指通过低频而抑制高频信号的滤波器，如图5-11-1所示为二阶低通滤波器。 传输函数： 200 11()f A j Q ωωωω-+ 1 (1)f f R A R =+ 1( )3f Q A =- 01 RC ω= 根据上式可知，当Q 取不同值时，可使电路的频率特性具有不同的特点。一般Q 取0.7。 2. 高通滤波器 高通滤波器的功能是使频率高于某一数值（如fo ）的信号通过，而低于fo 的信号不能通过。图5-11-2电路为二阶高通滤波器。
其频率特性为：200()11()f A H j j Q ωωωωω = -- 1 1f f R A R =+ 13f Q A = - 01RC ω = 3. 带通滤波器 带通滤波器可由低通滤波器和高通滤波器构成，也可以直接由集成运放外加RC 网络构成，不同的构成方法，其滤波特性也不同。带通滤波器的功能是指定频段内的信号通过而衰减其它频段的信号。 4．带阻滤波器 带阻滤波器又称陷波器，它衰减指定频段的信号，而让其它频段的信号通过。带阻滤波器可由低通电路和高通电路构成，也可由集成运放外加RC 网络构成。常用的带阻滤波器是由双T 网络构成的，如图5-11-3所示。 其幅频特性为：
IIR数字滤波器的设计 一、实验目的： 掌握冲激相应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理和方法； 观察冲激相应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的频率特性； 了解冲激相应不变法和双线性变换法的特点和区别。 二、实验原理： 无限长单位冲激响应（IIR）数字滤波器的设计思想： a)设计一个合适的模拟滤波器 b)利用一定的变换方法将模拟滤波器转换成满足预定指 标的数字滤波器 切贝雪夫I型：通带中是等波纹的，阻带是单调的
切贝雪夫II型：通带中是单调的，阻带是等波纹的 1．用冲击响应不变法设计一个低通切贝雪夫I型数字滤波器通带上限截止频率为400Hz 阻带截止频率为600Hz 通带最大衰减为0.3分贝 阻带最小衰减为60分贝 抽样频率1000Hz 2．用双线性变换法设计切贝雪夫II型高通滤波器 通带截止频率2000Hz 阻带截止频率1500Hz 通带最大衰减0.3分贝 阻带最小衰减50分贝 抽样频率20000Hz 四、实验程序：
1） Wp=2*pi*400; Ws=2*pi*600; Rp=0.3; Rs=60; Fs=1000; [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs,'s'); [Z,P,K]=cheb1ap(N,Rp); [A,B,C,D]=zp2ss(Z,P,K); [At,Bt,Ct,Dt]=lp2lp(A,B,C,D,Wn); [num1,den1]=ss2tf(At,Bt,Ct,Dt); [num2,den2]=impinvar(num1,den1,Fs); [H,W1]=freqs(num1,den1); figure(1) subplot(2,1,1); semilogx(W1/pi/2,20*log10(abs(H)));grid; xlabel(' 频率/ Hz'); ylabel(' 模拟滤波器幅值(db)'); [H,W2]=freqz(num2,den2,512,'whole',Fs); subplot(2,1,2); plot(W2,20*log10(abs(H)));grid; xlabel(' 频率/ Hz');
目录 目录 0 前言 (1) 1.1数字滤波器简介 (1) 1.2使用数字滤波器的原因 (1) 1.3设计的原理和内容 (1) 工程概况 (2) 正文 (2) 3.1 设计的目的和意义 (2) 3.2 目标和总体方案 (2) 3.3 设计方法和内容 (3) 3.4 硬件环境 (3) 3.5软件环境 (3) 3.6IIR数字滤波器设计思路 (3) 3.7 IIR数字滤波器的设计流程图 (3) 3.8 IIR数字滤波器设计思路 (4) 3.9设计IIR数字滤波器的两种方法 (4) 3.10双线性变换法的基本原理 (5) 3.11用双线性变换法设计IIR数字滤波器的步骤 (6) 3.12程序源代码和运行结果 (6) 3.12.1低通滤波器 (6) 3.12.3带通滤波器 (10) 3.12.4带阻滤波器 (13) 3.13结论 (15) 3.13.1存在的问题 (15) 3.13.2解决方案 (16) 致谢 (16)
参考文献 (16) 前言 1.1数字滤波器简介 数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。可以设计系统的频率响应，让它满足一定的要求，从而对通过该系统的信号的某些特定的频率成分进行过滤，这就是滤波器的基本原理。如果系统是一个连续系统，则滤波器称为模拟滤波器。如果系统是一个离散系统，则滤波器称为数字滤波器。 信号通过线性系统后，其输出信号就是输入信号和系统冲激响应的卷积。从频域分析来看，信号通过线性系统后，输出信号的频谱将是输入信号的频谱与系统传递函数的乘积。除非为常数，否则输出信号的频谱将不同于输入信号的频谱，某些频率成分较大的模，因此，中这些频率成分将得到加强，而另外一些频率成分的模很小甚至为零，中这部分频率分量将被削弱或消失。因此，系统的作用相当于对输入信号的频谱进行加权。 1.2使用数字滤波器的原因 数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度，甚至能够实现后者在理论上也无法达到的性能。数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比。数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR（有限长冲击响应）和FIR（无限长冲击响应）。 1.3设计的原理和内容 在windows环境下进行语言信号采集，通过IIR数字滤泼器的设计，数字带滤波器就是用软件来实现上面的滤波过程，可以很好的克服模拟滤波器的缺点，数字带滤波器的参数一旦确定，就不会发生变化。IIR型有较好的通带与阻带特性，所以，在一般的设计中选用IIR 型。IIR型又可以分成Butterworth型滤波器，ChebyshevII型滤波器和椭圆型滤波器等。 IIR数字滤波器的设计一般是利用目前已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计，通常采用模拟滤波器原型有butterworth函数、chebyshev函数、bessel函数、椭圆滤波器函数等。 IIR数字滤波器的设计步骤： （1）按照一定规则把给定的滤波器技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标； （2）根据模拟滤波器技术指标设计为响应的模拟低通滤波器； （3）很据脉冲响应不变法和双线性不变法把模拟滤波器转换为数字滤波器；
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');
数字信号处理 数字滤波器的设计 学院计算机与电子信息学院 专业电子信息科学与技术班级电子１5－2 班姓名学号 指导教师刘利民
数字滤波器的设计 一、模拟低通滤波器的设计方法 1、B ｕtterw ｏrth 滤波器设计步骤： ⑴。确定阶次N ① 已知Ωc 、Ωs 和As 求Bu ｔt ｅr ｗｏrth DF 阶数N ② 已知Ωc 、Ωs 和Ω=Ωp （3dB p Ω≠-)的衰减A ｐ 求Bu ｔterwort ｈ DF 阶数N ③ 已知Ωｐ、Ωｓ和Ω=Ωp 的衰减A ｐ 和As 求B ｕtte ｒwo ｒth DF 阶数Ｎ /10 /1022(/)101,(/)101p s A A N N p c s c ΩΩ=-ΩΩ=-则：
⑵.用阶次N 确定 ()a H s 根据公式： 1,2,2N ()()a a H s H s -在左半平面的极点即为()a H s 的极点，因而 2,,N 2、切比雪夫低通滤波器设计步骤: ⑴.确定技术指标p Ω p α s Ω s α 归一化： /1p p p λ=ΩΩ= /s s p λ=ΩΩ ⑵．根据技术指标求出滤波器阶数N 及ε: 0.12 10 1δε=- p δα= ⑶.求出归一化系统函数 其中极点由下式求出:
或者由N 和Ｓ直接查表得()a H p 二、数字低通滤波器的设计步骤: 1、 确定数字低通滤波器的技术指标：通带截止频率p ω、通带最大衰减系数 p α、 阻带截止频率ω、阻带最小衰减系数s α。 2、 将数字低通滤波器的技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标。 巴特沃斯： 切比雪夫：/s s p λ=ΩΩ 0.1210 1δ ε=- p δα=
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;
课程名称：电路与电子技术实验II 指导老师：沈连丰成绩：__________________ 实验名称：有源滤波器设计实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1、掌握有源滤波器的分析和设计方法。 2、学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法。 3、了解滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。 4、用EDA仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响。 二、实验内容和原理 1、滤波器的5个主要指标： (1) 传递函数A v(s) ：反映滤波器增益随频率的变化关系，也称为电路的频率响应、频率特性。 (2) 通带增益A v p：为一个实数。（针对LPF）、（针对HPF）、（针对BPF）、（针对BEF）。 (3) 固有频率f0：也称自然频率、特征频率，其值由电路元件的参数决定。 (4) 通带截止频率f p：滤波器增益下降到其通带增益A v p 的0.707倍时所对应的频率（也称–3dB 频率、半功率点、上限频率（ωH 、f H ）或下限频率（ωL 、f L ）。 (5) 品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同。例如，在低通和高通滤波器中，定义为当时增益的模与通带增益之比。 2、有源滤波器的设计流程： 设计一个有源低通滤波器时，一般可以先按照预定的性能指标，选择一定的电路形式，然后写出电路的电压传递函数，计算并选定电路中的各个元器件参数。最后再通过实验进行调试，确定实际的器件参数。 三、实验器材 运放LM358、 四、操作方法和实验步骤 1、实验内容 (1) 在实验板上安装所设计的电路。 (2) 有源滤波器的静态调零。 (3) 测量滤波器的通带增益A v p、通带截止频率f p。 (4) 测量滤波器的频率特性（有条件时可使用扫频仪）。 (5) 改变电路参数，研究品质因数Q 对滤波器频率特性的影响。 2、设计一个二阶有源低通滤波器。具体要求如下： (1) 通带截止频率：f p=1kHz；
数字信号处理 实验报告 实验四 IIR数字滤波器的设计学生姓名张志翔 班级电子信息工程1203班 学号 指导教师 实验四 IIR数字滤波器的设计 一、实验目的： 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MATLAB编程。 2. 观察双线性变换及脉冲响应不变法设计的滤波器的频域特性，了解双线性变换法及脉冲响应不变法的特点。 3.熟悉Butterworth滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器的频率特性。 二、实验原理: 1．脉冲响应不变法 用数字滤波器的单位脉冲响应序列模仿模拟滤波器的冲激响应 ,让正好等于的采样值，即，其中为采样间隔，如果以及分别表示的拉式变换及的Z变换，则 2．双线性变换法 S平面与z平面之间满足以下映射关系：
s平面的虚轴单值地映射于z平面的单位圆上，s平面的左半平面完全映射到z平面的单位圆内。 双线性变换不存在混叠问题。 双线性变换是一种非线性变换，这种非线性引起的幅频特性畸变可通过预畸而得到校正。 三、实验内容及步骤： 实验中有关变量的定义: fc 通带边界频率； fr阻带边界频率；δ通带波动；At 最小阻带衰减； fs采样频率； T采样周期 （1） =0.3KHz, δ=0.8Db, =0.2KHz, At =20Db,T=1ms; 设计一个切比雪夫高通滤波器，观察其通带损耗和阻带衰减是否满足要求。 MATLAB源程序： wp=2*1000*tan(2*pi*300/(2*1000)); ws=2*1000*tan(2*pi*200/(2*1000)); [N,wn]=cheb1ord(wp,ws,0.8,20,'s'); %给定通带（wp）和阻带(ws)边界角频率，通带波动波动0.8，阻带最小衰减20dB，求出最低阶数和通带滤波器的通带边界频率Wn [B,A]=cheby1(N,0.5,wn,'high','s');%给定通带（wp）和阻带(ws)边界角频率，通带波动 [num,den]=bilinear(B,A,1000); [h,w]=freqz(num,den); f=w/(2*pi)*1000; plot(f,20*log10(abs(h)));
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
有源滤波器实验报告文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
实验七集成运算放大器的基本应用(Ⅱ)—有源滤波器 一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 （a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻 图7－1 四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图7－1所示。 具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。 1、低通滤波器（LPF） 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。
如图7－2（a ）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图7－2（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 (a)电路图 (b)频率特性 图7－2 二阶低通滤波器 电路性能参数 1 f uP R R 1A + = 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1 f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP A 31 Q -= 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。 2、高通滤波器（HPF ） 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。 只要将图7－2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图7－3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH 分析方法，不难求得HPF 的幅频特性。
/ 实验6 有限冲激响应数字滤波器设计 一、实验目的： 1、加深对数字滤波器的常用指标理解。 2、学习数字滤波器的设计方法。 二、实验原理： 低通滤波器的常用指标： } （1）通带边缘频率； （2）阻带边缘频率； （3）通带起伏；
（4）通带峰值起伏， （5）阻带起伏，最小阻带衰减。 三、实验内容： 利用MATLAB编程,用窗函数法设计FIR数字滤波器，指标要求如下： 通带边缘频率：，通带峰值起伏：。] 阻带边缘频率：，最小阻带衰减：。 采用汉宁窗函数法的程序： wp1=*pi;wp2=*pi; ws1=*pi;ws2=*pi; width1=wp1-ws1; width2=ws2-wp2; width=min(width1,width2) N1=ceil(8*pi/width) … b1=fir1(N1,[ ],hanning(N1+1)); [h1,f]=freqz(b1,1,512); plot(f/pi,20*log10(abs(h1)),'-') grid; 图形：
采用切比雪夫窗函数法德程序： 】 wp1=*pi;wp2=*pi; ws1=*pi;ws2=*pi; width1=wp1-ws1; width2=ws2-wp2; width=min(width1,width2) N1=ceil(8*pi/width) b1=fir1(N1,[ ],chebwin(N1+1,20)); [h1,f]=freqz(b1,1,512); … plot(f/pi,20*log10(abs(h1)),'-') grid; 图形：
四．小结 FIR和IIR滤波器各自的特点： ①结构上看，IIR滤波器必须采用递归结构，极点位置必须在单位圆内，否则系统将不稳定，IIR滤波器脱离不了模拟滤波器的格局，FIR滤波器更灵活，尤其能使适应某些特殊的应用。设计选择：在对相位要求不敏感的场合，用IIR较为适合，而对图像处理等对线性要求较高，采用FIR滤波器较好。 ②性能上说，IIR滤波器传输函数的几点可位于单位圆内的任何地方，可以用较低的结束获得较高的选择性，但是是相位的非线性为代价，FIR滤波器却可以得到严格的线性相位，然而FIR滤波器传输函数的极点固定在原点，只能用较高的阶数达到的选择性。
实验报告
工程大学教务处制 一、实验目的 1.掌握滤波器的滤波性能特点。 2.掌握常规模拟滤波器的设计、实现、调试、测试方法。 3.掌握滤波器主要参数的调试方法。 4.了解电路软件的仿真方法。 二、实验原理 有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的结束n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下： 1.根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n。 2.选择具体的电路形式。 3.根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程 组。 4.解方程组求出电路中元件的具体数值。 5.安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。 根据滤波器所能通过信号的频率围或阻带信号频率围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。 a)有源二阶低通滤波器（LPF） 图1 压控电压源二阶低通滤波器 b)有源二阶高通滤波器（HPF）
图2 压控电压源二阶高通滤波器 c)有源带通滤波器（BPF） 图3 压控电压源二阶带通滤波器 d)带阻滤波器（NF） 图4 压控电压源双T 二阶有源带阻滤波器 三、实验仪器 1.示波器 2.信号源 3.万用表 4.直流稳压电源 四、实验容
1.二阶低通滤波器 ①参照图4 电路安装二阶低通滤波器。元件值取：R1 = R2 = R = 1.6kΩ，R3 = 17k Ω，R4 =10k Ω， C1 = C2 = C =0.1μF，计算截止频率fc、通带电压放大倍数Auo 和Q 的值。 ②利用MULTISIM 电路仿真软件对上述电路进行仿真，给出幅频特性曲线的仿真 结果。 ③取Ui = 2V，由低到高改变输入信号的频率（注意：保持Ui = 2V 不变），用万用 表测量滤波器的输出电压和截止频率fc，根据测量值，画出幅频特性曲线，并将 测量结果与理论值相比较。 2.二阶高通滤波器 ①参照图6 电路安装二阶高通滤波器。元件值取：R1 = R2 = R = 1.6kΩ，R3 = 1.7k Ω，R4 = 10kΩ，C1 = C2 = C = 0.1μF，Q = 0.707，计算截止频率fc 和通带电压放大倍数Auo 的值。 ②利用MULTISIM 电路仿真软件对上述电路进行仿真，给出幅频特性曲线的仿真 结果。 ③取Ui = 2V，由低到高改变输入信号的频率（注意：保持Ui = 2V 不变），用万 用表测量滤波器的输出电压和截止频率fc，根据测量值，画出幅频特性曲线，并 将测量结果与理论值相比较。 3.二阶带通滤波器 ①参照图9 电路安装二阶带通滤波器。元件值取：R1 = R2 = R = 1.5kΩ，R3 = 2R = 3kΩ，R4 = 10kΩ， R5 = 19kΩ，C1 = C2 = C = 0.1μF，计算截止频率fc、通带电压放大倍数Auo 和 Q 的值。 ②利用MULTISIM 电路仿真软件对上述电路进行仿真，给出幅频特性曲线的仿真 结果。 ③取Ui = 2V，由低到高改变输入信号的频率（注意：保持Ui = 2V 不变），用万 用表测量滤波器的输出电压和截止频率fc，根据测量值，画出幅频特性曲线，测 出带宽BW，并将测量结果与理论值相比较。 4.二阶带阻滤波器 ①参照图12 电路安装二阶带通滤波器。元件值取：R1 = R2 =R = 3kΩ，R3 = 0.5R = 1.5kΩ，R4 = 20kΩ， R5 = 10kΩ，C1 = C2 = C = 0.1μF，C3 = 2C = 0.2μF，计算截止频率fc、通带 电压放大倍数Auo 和Q 的值。 ②利用MULTISIM 电路仿真软件对上述电路进行仿真，给出幅频特性曲线的仿真 结果。 ③取Ui = 2V，由低到高改变输入信号的频率（注意：保持Ui = 2V 不变），用万 用表测量滤波器的输出电压和截止频率fc，根据测量值，画出幅频特性曲线，测 出带宽BW，并将测量结果与理论值相比较。 五、实验预习和仿真 1.压控电压源型有源二阶低通滤波器 仿真电路：
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
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。
实验七 集成运算放大器的基本应用(H)—有源滤波器 一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 图7 —1四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内 的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的 选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图7 —1所示。 具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性 (a)低通 (C)带通(d)带阻
衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。 1、低通滤波器(LPF) 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 如图7 —2 (a)所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，弓I入适量的正反馈，以改善幅频特性。 图7—2 ( b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 图7 —2二阶低通滤波器 电路性能参数 R f A UP=^- 二阶低通滤波器的通带增益 R I 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 状。 2、高通滤波器(HPF 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。 只要将图7—2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图7 —3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照 LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特性。 1 2ΠR 1 3 -A UP 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形 (a) 电路图(b)频率特性
成绩： 《数字信号处理》作业与上机实验 （第二章） 班级： 学号： 姓名： 任课老师： 完成时间： 信息与通信工程学院 2014—2015学年第1 学期
第7章有限脉冲响应数字滤波器设计 1、教材p238： 19.设信号x(t) = s(t) + v(t),其中v(t)是干扰，s(t)与v(t)的频谱不混叠，其幅度谱如题19图所示。要求设计数字滤波器,将干扰滤除，指标是允许|s(f)|在0≤f≤15 kHz频率范围中幅度失真为±2%（δ1 = 0.02）;f > 20 kHz,衰减大于40 dB（δ2=0.01）;希望分别设计性价比最高的FIR和IIR两种滤波器进行滤除干扰。请选择合适的滤波器类型和设计方法进行设计，最后比较两种滤波器的幅频特性、相频特性和阶数。 题19图 (1)matlab代码： %基于双线性变换法直接设计IIR数字滤波器 Fs=80000; fp=15000;fs=20000;rs=40; wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs; Rp=-20*log10(1-0.02);As=40; [N1,wp1]=ellipord(wp/pi,ws/pi,Rp,As); [B,A]=ellip(N1,Rp,As,wp1); [Hk,wk1]=freqz(B,A,1000); mag=abs(Hk);pah=angle(Hk);
%窗函数法设计FIR 数字滤波器 Bt=ws-wp; alph=0.5842*(rs-21)^0.4+0.07886*(rs-21); N=ceil((rs-8)/2.285/Bt); wc=(wp+ws)/2/pi; hn=fir1(N,wc,kaiser(N+1,alph)); M=1024; Hk=fft(hn,M); k=0:M/2-1; wk=(2*pi/M)*k; %画出各种比较结果图 figure(2); plot(wk/pi,20*log10(abs(Hk(k+1))),':','linewidth',2.5); hold on plot(wk1/pi,20*log10(mag),'linewidth',2); hold off legend('FIR 滤波器','IIR 滤波器'); axis([0,1,-80,5]);xlabel('w/\pi');ylabel('幅度/dB'); title('损耗函数'); figure(3) plot(wk/pi,angle(Hk(k+1))/pi,':','linewidth',2.5); hold on plot(wk1/pi,pah/pi,'linewidth',2); hold off legend('FIR 滤波器','IIR 滤波器'); xlabel('w/\pi');ylabel('相位/\pi'); title('相频特性曲线'); (2)两种数字滤波器的损耗函数和相频特性的比较分别如图1、2所示： 图1 损耗函数比较图 图2 相频特性比较图 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.6 0.7 0.8 0.9 1 -80-70 -60-50-40-30-20-100w/π 幅度/d B 损耗函数 FIR 滤波器IIR 滤波器 0.10.20.30.4 0.50.60.70.80.91 -1-0.8 -0.6-0.4-0.200.20.40.60.81w/π 相位/π 相频特性曲线 FIR 滤波器IIR 滤波器