數字濾波系統設計

經典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網絡整理，如有侵權，請聯系刪除，謝謝！學數字濾波系統設計自動化學院自動化指導教師學生姓名：指導教師：專業(yè)班級：周申培工作單位：自動化學院題目:數字濾波系統設計要求完成的主要任務:（1（頻率100Hz號，再與正弦信號疊加；（2）計算機對含有干擾的正弦信號進行數字濾波處理，保留正弦信號，去除干擾；（3）輸入為模擬電壓，輸入模擬電壓范圍為0～，最后濾波的結果用顯示器顯示；（4）分析數字濾波的常用方法，以及各自的優(yōu)缺點；（5）采用平均值濾波算法，設計算法程序；（6）通過數據分析參與平均值濾波的測量數據個數對濾波效果的影響；（7）撰寫設計說明書。時間安排：6月26日查閱和準備相關技術資料，完成整體方案設計6月27日—6月28日完成硬件設計6月29日—6月30日編寫調試程序7月1日—7月4日撰寫課程設計說明書7月5日提交課程設計說明書、圖紙、電子文檔指導教師簽名：年月月日日系主任（或責任教師）簽名：年目錄摘要......................................................................11.設計原理.................................................................21.1數字濾波器............................................................21.2工程中簡易濾波方法....................................................31.2.1算數平均濾波法....................................................31.2.2限幅濾波法........................................................41.2.3中值濾波法........................................................51.2.4滑動平均濾波法....................................................51.2.5中值平均濾波法....................................................61.2.6限幅平均濾波法....................................................61.2.7一階滯后濾波法....................................................71.2.8加權滑動平均濾波法................................................71.2.9消抖濾波法........................................................71.2.10限幅消抖濾波法...................................................82算術平均濾波法算法程序....................................................93結果分析.................................................................12心得體會...................................................................14參考文獻...................................................................15本科生課程設計成績評定表...................................................16武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書摘要測信號源本身、傳感器、外界干擾等。為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。噪聲有兩大類：一類為周期性的；另一類為不規(guī)則的。前者的典型代表為50Hz的工頻干擾。對于這類信號，采用積分時間等于20ms的整數倍的雙積分A/D轉換器，可有效地消除其影響。后者為隨機信號，它不是字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。本次計算機控制技術課程設計任務即為數字濾波系統的設計的目的是通過濾波的測量數據個數對濾波效果的影響。關鍵詞：數字濾波噪聲干擾A/D轉化器1武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書1.1數字濾波器DigtalFilterAnalogFilterLowPassHighPassBandBand）等濾波器形式。數字濾波器既可以用算法實現，也可以用硬件實現。由于現代計算機技術的發(fā)展，離散數字信號已成為信號處理的關鍵技術之一，因此數字濾波器也被廣泛用以濾除信號中的無用或干擾部分。數字濾波器與傳統模擬濾波器在實現上存在很大的差異。傳統的模擬濾波器主要是硬件實現，它的硬件部分包括電容、電感和電阻等器件，而數字濾波器在硬件實現上主要涉及A/DD/A轉換器、寄存器、存儲器、及微處理器等。數字濾波器的另一特點是可以用軟件實現，即通過編程用算法來實現。數字濾波器與模擬濾波器相比，有其獨特的優(yōu)點，比如體積小、成本低、參數調整容易、有較高的精度、工作效率高等，但它們之間有共同之處，比如，濾波器的選頻特性，即都用頻率響應作為濾波器的主要技術指標。x(k)，輸出序列為，則它們之間的關系可以用差分方程來表示：（1-1）其中，系數一般取1；b1,b2,...,bM及a0,a1,a2,...aN為常系數；對特定的系統，M,N為常數，分別代表輸出最高階數和輸入最高階數。對上式兩邊做z變換，并化簡得數字濾波器的傳遞函數為：（1-2）2武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書將N次采樣或測量得到的值取平均值，作為本次測量輸出值。設每次采樣值為xi，i=1,2，...，，則經過算術平均濾波后輸出為：1-3）（2）算術平均濾波原理該方法以相關理論和統計理論為基礎。每次采樣或測量得到的值xi實際上可以表示1-4）式中，s為實際值；n為噪聲。平均值為：ii（1-5）當噪聲或干擾為隨機量，且其均值為零時，有：故而，取平均值可以有效去除隨機干擾。即有：（1-6）（1-7）（3）算術平均濾波法的應用條件①算術平均濾波法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值附近上下波動；②噪聲與信號相互獨立且平穩(wěn)；（4）算術平均濾波法的應用場合武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書②時間歷程的測量與分析。占用資源較少；②算術平均濾波法對信號的平滑程度完全取決于。當N較大時，平滑度高，但靈敏度低；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高。根據經驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為如果本次值與上次值之差小于等于，則本次值有效；如果本次值與上次值之差大于，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。該方法又稱為程序判斷濾波法，可用數學關系表述如下：設第k次測量的值為，前一次測量的值為，允許最大偏差值為，則當前測量值y為：（1-8）有時，當本次值與上次值之差大于最大允許偏差值時，采用折中方法，即令當前輸出。（2）限幅濾波機理任何動力系統的狀態(tài)參量變化都與其他時刻的狀態(tài)參量有關，不可能發(fā)生突變，一旦發(fā)生突變，極有可能是受到了干擾。反映在工程測量中，即許多物理量的變化都需要一定的時間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。限幅濾波就是根據實踐經驗確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現的最大偏差值，若超出此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應該去掉；若小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。這類干擾可以是隨機出現的，但它不是統計意義下的隨機噪聲。（3）限幅濾波法的應用場合當采樣信號由于隨機脈沖干擾，如大功率用電設備的啟動或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測時，可采用限幅濾波法進行濾波。4武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書限幅濾波法主要適用于變化比較緩慢的參數，如溫度等。具體應用時，關鍵的問題是采樣效率變低。因此，門限值的選取是非常重要的。通常可根據經驗數據獲得，必要時也可由實驗得出。（4）限幅濾波法的特點這種濾波方法的優(yōu)點是實現簡單，能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。缺點是無法抑制周期性的干擾，對隨機噪聲引起的干擾濾波效果有限，且平滑度差。1.2.3中值濾波法（1）中值濾波法實現方法中值濾波是對某一被測參數連續(xù)采樣N次（一般NN次采樣值從小到大，或從大到小排列，再取其中間值作為本次采樣值。（2）中值濾波機理當系統受到外界干擾時，其狀態(tài)參量會偏離實際值，但干擾總是在實際值的周圍上下波動。（3）中值濾波法的特點及應用場合中值濾波法能有效克服因偶然因素引起的脈動干擾。如，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果，但對流量、速度等快速變化的參數不宜。這種濾波方法簡單實用，便于程序實現，特別適用于以單片機為核心的測量控制系統中。1.2.4滑動平均濾波法（1）滑動平均濾波實現方法算術平均濾波法采樣NN個新數據的輸出。這樣占用內存大，開銷也大。為此，提出滑動平均濾波方法，這種方法把前面采樣得到的N-1該方法又稱為遞推平均濾波法。N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為把隊列中的N個數據進行算術平均運算，就可獲得新的濾波效果。5武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書算術平均濾波法和滑動平均濾波法可以看做是用一個固定寬度為N上滑動，沒滑動一次輸出一個濾波值。只不過算術平均濾波法中窗口沒有交疊，而滑動平均濾波法有N-1個點交疊。（2）滑動平均濾波法的特點及應用場合滑動平均濾波法對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，也適用于高頻振蕩的系統，但靈敏度低，對偶然出現的脈沖干擾的抑制作用較差。1.2.5中值平均濾波法（1）中值平均濾波法實現方法該方法又稱為防脈沖干擾平均濾波法，相當于中值濾波法與算術平均濾波法的結合。這實際上是一種復合濾波方法。連續(xù)采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。（2）中值平均濾波法的特點這種濾波方法融合了中值濾波法和算術平均濾波法的優(yōu)點，不僅可以消除由于脈沖干同樣存在時間平均與空間平均的問題。對于時間平均，可消除周期干擾和零均值干擾；對于空間平均，則可以消除零均值噪聲干擾，而保留信號中的周期成分。對于空間平均，其濾波結果與前面的平均法濾波效果幾乎相同，這里就不再贅述。其適用場合與中值法和算術平均法類似。只不過在處理速度上會比單獨采用其中一種方法要慢一些。由于這種濾波方法兼顧了中值濾波和算術平均值濾波的優(yōu)點，所以無論對緩慢變化的信號，還是對快速變化的信號，都能獲得較好的濾波效果。1.2.6限幅平均濾波法（1）限幅平均濾波實現方法限幅平均濾波法也是一種復合濾波方法，相當于“限幅濾波法”與“滑動平均濾波法”的結合。每次采樣到的新數據先進行限幅處理，再送入隊列進行滑動平均濾波處理。（2）限幅平均濾波法的特點這種濾波方法融合了限幅濾波法和滑動平均濾波法的優(yōu)點，既可以消除脈沖性干擾，也可消除零均值噪聲和周期性干擾。其他特點及應用場合與中值平均濾波法類似。6武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書1.2.7一階滯后濾波法（1）一階滯后濾波實現方法在[0,1]區(qū)間上取一常數，則本次濾波結果（）*本次采樣值+a*上次濾波結果這種濾波方法沒有具體指出用哪一種方法得到上次濾波結果，即第一個上次濾波結果。在實際應用時，可以選擇第一個采樣值作為上次濾波結果，也可以用前面的濾波方法得到第一個濾波結果。一旦得到初始濾波結果，以后的濾波結果就可以用上面的公式進行濾波了。（2）一階滯后濾波法的特點及應用場合一階滯后濾波法實際上是將本次采樣值與上次濾波結果賦予不同的權重，即當前輸出為兩個結果的加權和。該方法對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。存在的不足主要有相位滯后，滯后程度取決于a值大小，靈敏度低，不能消除濾波頻率高于采樣頻率1/2的干擾信號等。1.2.8加權滑動平均濾波法（1）加權滑動平均濾波實現方法加權滑動平均濾波法是對滑動平均濾波法的改進，即不同時刻的數據加以不同的權重。通常是越接近現時刻的數據，權重越大。但要保證權系數的和為1。給予新采樣值的權系數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。（2）加權滑動平均濾波法的特點及應用場合加權滑動平均濾波法適用于有較大純滯后時間常數的對象和采樣周期較短的系統。缺點是對于純滯后時間常數較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。其程序實現方法只要在滑動窗中的每一個數據賦予不同的權重，且保證權系數和為1就可以了。1.2.9消抖濾波法（1）消抖濾波實現方法，并判斷計數器是否大于等于上限7武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書（2）消抖濾波法的特點和應用場合消抖濾波法對于變化緩慢的被測參數有較好地濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復開/的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會將干擾值當做有效值導入系統。1.2.10限幅消抖濾波法（1）限幅消抖濾波法實現方法限幅消抖濾波法相當于限幅濾波法與消抖濾波法的結合，即先限幅，后消抖。（2）限幅消抖濾波法的特點及應用場合限幅消抖濾波法繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點，同時改進了消抖濾波法中的某些缺陷，避免將干擾值導入系統，但不宜處理快速變化的參數。8武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書2算術平均濾波法算法程序MATLAB源程序：算術平均值濾波程序clearclcfs=1000;%采樣頻率（Hz）f=100;%信號實際頻率（Hz）N=500;%樣本數t=0:1/fs:0.1;%信號時間采樣點M=length(t)-1;%分析信號長度給N個樣本賦值fori=1:Nforj=1:Ms(i,j)=sin(2*pi*f*(j-1)/fs);s1(j)=s(i,j);endend加零均值白噪聲fori=1:Nnoise=randn(1,M);forj=1:Mx(i,j)=s(i,j)+noise(j);x1(j)=x(i,j);endend采用平均法對加噪聲信號濾波forj=1:M9武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書fori=1:Nk(i)=x(i,j);endxmean(j)=mean(k);end畫圖subplot(2,2,1)plot(s1)gridaxis([0,length(t)-1,-3,3])title(‘原始信號’)subplot(2,2,2)plot(x1)axis([0,length(t)-1,-3,3])gridtitle(‘加噪信號’)subplot(2,2,3)plot(xmean)axis([0,length(t)-1,-3,3])gridtitle(‘算術平均法去噪后信號’)fre=fft(xmean);fre1=abs(fre);fre2=fre1(1:length(fre1)/2);dataf=fs/M;10武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書fori=1:ceil(M/2)frequency(i)=dataf*i;endsubplot(2,2,4)plot(frequency,fre2)gridtitle(‘濾波后信號頻譜’)11武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書3結果分析樣本數N=100時的信號波形如圖3-2所示。圖武漢理工大學《計算機控制技術》課程設計說明書樣本數N=500時的信號波形如圖3-3所示。圖圖根據上述不同樣本數的信號波形可知，改變樣本數，會使輸出的波形形狀略微有區(qū)N隨著NN量過大，MATLAB程序需要用較長的時間進行反應。武漢理工大學《計