基于matlab的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及濾波仿真(共17頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上山東科技大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)結(jié)題報(bào)告實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 基于matlab的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及濾波仿真三個(gè)正弦信號(hào) 用三種方法進(jìn)行濾波分離1.編程法、2.Simulink、3.SPTool法與FDATool法專心-專注-專業(yè)一、實(shí)驗(yàn)摘要隨著通信行業(yè)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)受到了越來越廣泛關(guān)注，其理論及算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展得到了飛速地發(fā)展，數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，本文詳細(xì)介紹了利用MATLAB信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）快速有效的設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法。

2、利用 Maltab 模擬一個(gè)基本輸入信號(hào)（如三個(gè)正弦頻率信號(hào)的疊加），自行設(shè)定濾波器的技術(shù)指標(biāo)，用程序設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)各種濾波器（低通，高通，帶通） ，使用 Simulink進(jìn)行濾波仿真最后得到分離的三個(gè)正弦頻率信號(hào)，并與理論上得濾波效果進(jìn)行對(duì)比和討論。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳钊肜斫釯IR和FIR數(shù)字濾波器的概念、基本原理和方法，學(xué)會(huì)用MATLAB語言和FADtool設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，掌握各種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)，熟悉MATLAB及其數(shù)字信號(hào)處理工具箱的使用方法，通過設(shè)計(jì)和仿真來加深學(xué)生對(duì)濾波的理解并提高設(shè)計(jì)能力，學(xué)習(xí)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫方法。三、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及儀器、設(shè)備和材料：實(shí)驗(yàn)室：J11-318實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3、：PC機(jī)一臺(tái)，Matlab軟件四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）、實(shí)驗(yàn)原理:正弦信號(hào)： 巴特沃斯模擬濾波器的設(shè)計(jì)：N,Wc=buttord(Wp,Ws,ap,as,'s')N,wc=buttord(wp，ws，p，s)用于計(jì)算巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率wc。調(diào)用參數(shù)wp，ws分別為數(shù)字濾波器的通帶、阻帶截止頻率的歸一化值，要求：0wp1，0ws1。1表示數(shù)字頻率pi。p，s分別為通帶最大衰減和組帶最小衰減(dB)。 當(dāng)wswp時(shí)，為高通濾波器; 當(dāng)wp和ws為二元矢量時(shí)，為帶通或帶阻濾波器，這時(shí)wc也是二元向量。N，wc作為butter函數(shù)的調(diào)用參數(shù)。 壇N,c=buttord

4、(p，s，p，s，s) 用于計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)N和3dB截止頻率c。 p，s，c均為實(shí)際模擬角頻率BS,AS=butter(N,Wc,'s')B,A = BUTTER(N,Wn)，設(shè)計(jì)一個(gè)階數(shù)為n，頻率為Wn的低通濾波器; B,A = BUTTER(N,Wn,ftype)可以設(shè)計(jì)高通，帶阻濾波器，其中ftype參數(shù)的形式可以指定何種濾波器， ftype為high時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)階數(shù)為n，頻率為Wn的高通濾波器;ftype為stop時(shí)，得到濾波器階數(shù) 為2*n，頻率范圍為Wn = W1,W2的帶阻濾波器;雙線性變換設(shè)計(jì)IIR濾波器：BZ,AZ=bilinear(BS,AS,

5、1/T)信號(hào)濾波Y =filter(B,A,X)輸入X為濾波前序列，Y為濾波結(jié)果序列，B/A 提供濾波器系數(shù)，B為分子， A為分母整個(gè)濾波過程是通過下面差分方程實(shí)現(xiàn)的：a(1)*y(n) = b(1)*x(n) + b(2)*x(n-1) + . + b(nb+1)*x(n-nb) - a(2)*y(n-1) - . - a(na+1)*y(n-na)Y,Zf = FILTER(B,A,X,Zi)，輸入X為濾波前序列，Y為濾波結(jié)果序列，B/A 提供濾波器系數(shù)，B為分子， A為分母，并輸入Zi指定X的初始狀態(tài)，Zf為最終狀態(tài)矢量（2）Simulink的使用方法：模塊庫中的模塊可以直接用鼠標(biāo)進(jìn)行拖

6、曳（選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵不放）而放到模型窗口中進(jìn)行處理。 在模型窗口中，選中模塊，則其4個(gè)角會(huì)出現(xiàn)黑色標(biāo)記。此時(shí)可以對(duì)模塊進(jìn)行以下的基本操作。 移動(dòng)：選中模塊，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖曳到所需的位置即可。若要脫離線而移動(dòng)，可按住shift鍵，再進(jìn)行拖曳。 復(fù)制：選中模塊，然后按住鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行拖曳即可復(fù)制同樣的一個(gè)功能模塊。 刪除：選中模塊，按Delete鍵即可。若要?jiǎng)h除多個(gè)模塊，可以同時(shí)按住Shift鍵，再用鼠標(biāo)選中多個(gè)模塊，按Delete鍵即可。也可以用鼠標(biāo)選取某區(qū)域，再按Delete鍵就可以把該區(qū)域中的所有模塊和線等全部刪除。 轉(zhuǎn)向：為了能夠順序連接功能模塊的輸入和輸出端，功能模塊有時(shí)需要轉(zhuǎn)向

7、。在菜單Format中選擇Flip Block旋轉(zhuǎn)180度，選擇Rotate Block順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度?；蛘咧苯影碈trl+F鍵執(zhí)行Flip Block，按Ctrl+R鍵執(zhí)行Rotate Block。 改變大?。哼x中模塊，對(duì)模塊出現(xiàn)的4個(gè)黑色標(biāo)記進(jìn)行拖曳即可。 模塊命名：先用鼠標(biāo)在需要更改的名稱上單擊一下，然后直接更改即可。名稱在功能模塊上的位置也可以變換180度，可以用Format菜單中的Flip Name來實(shí)現(xiàn)，也可以直接通過鼠標(biāo)進(jìn)行拖曳。Hide Name可以隱藏模塊名稱。 顏色設(shè)定： Format菜單中的Foreground Color可以改變模塊的前景顏色，Background C

8、olor可以改變模塊的背景顏色；而模型窗口的顏色可以通過Screen Color來改變。 參數(shù)設(shè)定：用鼠標(biāo)雙擊模塊，就可以進(jìn)入模塊的參數(shù)設(shè)定窗口，從而對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。參數(shù)設(shè)定窗口包含了該模塊的基本功能幫助，為獲得更詳盡的幫助，可以點(diǎn)擊其上的help按鈕。通過對(duì)模塊的參數(shù)設(shè)定，就可以獲得需要的功能模塊。 屬性設(shè)定：選中模塊，打開Edit菜單的Block Properties可以對(duì)模塊進(jìn)行屬性設(shè)定。包括Description屬性、 Priority優(yōu)先級(jí)屬性、Tag屬性、Open function屬性、Attributes format string屬性。其中Open function屬性是一

9、個(gè)很有用的屬性，通過它指定一個(gè)函數(shù)名，則當(dāng)該模塊被雙擊之后，Simulink就會(huì)調(diào)用該函數(shù)執(zhí)行，這種函數(shù)在MATLAB中稱為回調(diào)函數(shù)。 模塊的輸入輸出信號(hào)：模塊處理的信號(hào)包括標(biāo)量信號(hào)和向量信號(hào)；標(biāo)量信號(hào)是一種單一信號(hào)，而向量信號(hào)為一種復(fù)合信號(hào)，是多個(gè)信號(hào)的集合，它對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)中幾條連線的合成。缺省情況下，大多數(shù)模塊的輸出都為標(biāo)量信號(hào)，對(duì)于輸入信號(hào)，模塊都具有一種“智能”的識(shí)別功能，能自動(dòng)進(jìn)行匹配。某些模塊通過對(duì)參數(shù)的設(shè)定，可以使模塊輸出向量信號(hào)。 （3）SPTool的使用方法:SPTool圖形化信號(hào)處理工具的使用 SPTool工具提供四個(gè)基本的信號(hào)處理圖形用戶界面（GUI）程序，它們分別是 （1

10、） 信號(hào)瀏覽器：用于瀏覽可視化的信號(hào)圖像 （2） 濾波器設(shè)計(jì)器：可用于設(shè)計(jì)和編輯FIR和IIR數(shù)字濾波器，絕大多數(shù)MATLAB信號(hào)處理工具箱提供的命令行函數(shù)都可以在這個(gè)可視化的濾波器設(shè)計(jì)器中被調(diào)用，用戶調(diào)用Pole/Zero編輯器設(shè)計(jì)出符合自己需要的濾波器。 （3） 濾波器瀏覽器：這個(gè)工具主要用于分析濾波器的特性。 （4） 頻譜瀏覽器：用于頻譜分析，使用工具箱提供的頻譜估計(jì)函數(shù)去分析某個(gè)信號(hào)序列的功率譜密度。 實(shí)驗(yàn)步驟： 1、打開SPTool主界面 單擊start-Toolboxes-signalprocessional-SPTool，或者直接在命令行輸入SPTool，啟動(dòng)SPTool工具，出

11、現(xiàn)主界面： 主界面有三欄列表，包括信號(hào)源列表、濾波器列表和頻譜列表。2、用戶能夠從MATLAB主工作空間中導(dǎo)入信號(hào)序列、濾波器或頻譜。如從工作空間中導(dǎo)入信號(hào)源數(shù)據(jù)：?jiǎn)螕鬎ile-import，出現(xiàn) 設(shè)置參數(shù)，產(chǎn)生的信號(hào)源命名為signal1，點(diǎn)擊OK，可看到在主界面的信號(hào)列表中增加一個(gè)signal1vector項(xiàng)。3、濾波器的設(shè)計(jì) （1）可以從工作空間中直接導(dǎo)入已設(shè)計(jì)好的濾波器系數(shù)（如大作業(yè)中用FDATool設(shè)計(jì)好的濾波器的系數(shù)）： （2）也可以直接在SPTool中進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)生。如選擇頻譜列表中的filt1design，單擊Edit，或者在頻譜列表中單擊New，出現(xiàn)： 為比較兩個(gè)信號(hào)的頻譜，首

12、先創(chuàng)建一個(gè)功率譜密度對(duì)象spect1，在SPTool主窗口中選擇signal1vector，然后單擊頻譜列表下面的Create按鈕，這時(shí)會(huì)彈出頻譜瀏覽器窗口。即使用缺省的參數(shù)創(chuàng)建了信號(hào)signal1的頻譜，單擊Apply，這是頻譜圖像就會(huì)顯示出來。同樣可創(chuàng)建另一個(gè)OUT2頻譜圖soect2。然后在頻譜列表中使用shift同時(shí)選中兩個(gè)頻譜，單擊View就可顯示在頻譜瀏覽器中，這樣就可以比較濾波前后的頻譜變化。 2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）設(shè)計(jì)三個(gè)頻率混合的信號(hào)y，頻率可設(shè)為100Hz、1000Hz、10000Hz；（2）設(shè)計(jì)3個(gè)巴特沃斯模擬濾波器，分別為低通、高通、帶通；（3）用雙線性變換法將設(shè)計(jì)好的巴特

13、沃斯濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器；（4）對(duì)混合信號(hào)y進(jìn)行濾波；（5）比較濾波前后信號(hào)各分量的變化；（6）調(diào)試濾波器參數(shù)；（8）Simulink仿真；（9）SPTool仿真；（10）總結(jié)報(bào)告。3、實(shí)驗(yàn)步驟(1)Matlab程序設(shè)計(jì)：clc;fs=4000;t=0:1/fs:1;x=sin(2*pi*20*t)+sin(2*pi*100*t)+sin(2*pi*200*t);%低通濾波器設(shè)計(jì)：wp=2*30/fs;ws=2*60/fs;Rp=1;As=30;subplot(331);plot(t,x);title('原始信號(hào)');N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As);B,A

14、=butter(N,wc);H,W=freqz(B,A);y=filter(B,A,x);subplot(334);plot(W,abs(H);title('低通濾波器');subplot(337);plot(t,y)title('30Hz信號(hào)');%高通濾波器設(shè)計(jì)：wp=2*170/fs;ws=2*120/fs;Rp=20;As=50;subplot(332);plot(t,x);title('原始信號(hào)');N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As);B,A=butter(N,wc,'high');H,W=freqz(B

15、,A);y=filter(B,A,x);subplot(335);plot(W,abs(H);title('高通濾波器');subplot(338);plot(t,y);title('200Hz信號(hào)');%帶通濾波器設(shè)計(jì)：fp=70 130;fs=30 170;wp=2*fp/Fs; ws=2*fs/Fs;rp=0.5;rs=50;subplot(333);plot(t,x);title('原始信號(hào)');N,wc=ellipord(wp,ws,rp,rs);B,A=ellip(N,rp,rs,wc);H,w=freqz(B,A);y=filter

16、(B,A,x);subplot(336);plot(W,abs(H);title('帶通濾波器');subplot(339);plot(t,y);title('100Hz信號(hào)');(2)Sinmulink仿真：參數(shù)設(shè)計(jì)：自上而下分別是頻率為20Hz、200 Hz、100 Hz，三個(gè)濾波器分別為低通濾波器，高通濾波器和帶通濾波器。左邊對(duì)原信號(hào)機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，右邊對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)(3) SPTool和FADtool應(yīng)用：SPTool主界面導(dǎo)入原始信號(hào)數(shù)據(jù)原始信號(hào)：設(shè)計(jì)低通濾波器：設(shè)計(jì)高通濾波器：設(shè)計(jì)帶通濾波器：五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)記錄(1)Matlab程序設(shè)計(jì)：(2)Sinmulink仿真：*上圖左邊為經(jīng)過低頻濾波器濾波后的低頻信號(hào)，右邊為原低頻信號(hào)*上圖左邊為經(jīng)過高頻濾波器濾波后的低頻信號(hào)，右邊為原高頻信號(hào) *上圖左邊為經(jīng)過帶通濾波器濾波后的中頻信號(hào)，右邊為原中頻信號(hào) (3) SPTool和FADtool應(yīng)用：低通濾波后的信號(hào)：高通濾波后的信號(hào)：帶通濾波后的信號(hào)：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日2、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及觀察結(jié)果的分析與討論：經(jīng)過程序設(shè)計(jì)的方法，Sinmulink仿真，SPTool和FADtool三種方法均能得到理想