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文档简介
实验一:IIR数字滤波器设计及软件实现 一、 实验指导1实验目的(1)熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法;(2)学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数(或滤波器设计分析工具fdatool)设计各种IIR数字滤波器,学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。(3)掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。(3)通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱,建立数字滤波的概念。2实验原理设计IIR数字滤波器一般采用间接法(脉冲响应不变法和双线性变换法),应用最广泛的是双线性变换法。基本设计过程是:先将给定的数字滤波器的指标转换成过渡模拟滤波器的指标; 设计过渡模拟滤波器;将过渡模拟滤波器系统函数转换成数字滤波器的系统函数。MATLAB信号处理工具箱中的各种IIR数字滤波器设计函数都是采用双线性变换法。第六章介绍的滤波器设计函数butter、cheby1 、cheby2 和ellip可以分别被调用来直接设计巴特沃斯、切比雪夫1、切比雪夫2和椭圆模拟和数字滤波器。本实验要求读者调用如上函数直接设计IIR数字滤波器。本实验的数字滤波器的MATLAB实现是指调用MATLAB信号处理工具箱函数filter对给定的输入信号x(n)进行滤波,得到滤波后的输出信号y(n)。3. 实验内容及步骤(1)调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st,该函数还会自动绘图显示st的时域波形和幅频特性曲线,如图1所示。由图可见,三路信号时域混叠无法在时域分离。但频域是分离的,所以可以通过滤波的方法在频域分离,这就是本实验的目的。图1 三路调幅信号st的时域波形和幅频特性曲线(2)要求将st中三路调幅信号分离,通过观察st的幅频特性曲线,分别确定可以分离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器(低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器)的通带截止频率和阻带截止频率。要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为60dB。提示:抑制载波单频调幅信号的数学表示式为其中,称为载波,fc为载波频率,称为单频调制信号,f0为调制正弦波信号频率,且满足。由上式可见,所谓抑制载波单频调幅信号,就是2个正弦信号相乘,它有2个频率成分:和频和差频,这2个频率成分关于载波频率fc对称。所以,1路抑制载波单频调幅信号的频谱图是关于载波频率fc对称的2根谱线,其中没有载频成分,故取名为抑制载波单频调幅信号。容易看出,图1中三路调幅信号的载波频率分别为250Hz、500Hz、1000Hz。如果调制信号m(t)具有带限连续频谱,无直流成分,则就是一般的抑制载波调幅信号。其频谱图是关于载波频率fc对称的2个边带(上下边带),在专业课通信原理中称为双边带抑制载波 (DSB-SC) 调幅信号,简称双边带 (DSB) 信号。如果调制信号m(t)有直流成分,则就是一般的双边带调幅信号。其频谱图是关于载波频率fc对称的2个边带(上下边带),并包含载频成分。(3)编程序调用MATLAB滤波器设计函数ellipord和ellip分别设计这三个椭圆滤波器,并绘图显示其幅频响应特性曲线。 (4)调用滤波器实现函数filter,用三个滤波器分别对信号产生函数mstg产生的信号st进行滤波,分离出st中的三路不同载波频率的调幅信号y1(n)、y2(n)和y3(n), 并绘图显示y1(n)、y2(n)和y3(n)的时域波形,观察分离效果。4信号产生函数mstg清单(见教材)5实验程序框图如图2所示,供读者参考。调用函数mstg产生st,自动绘图显示st的时域波形和幅频特性曲线调用ellipord和ellip分别设计三个椭圆滤波器,并绘图显示其幅频响应特性曲线。调用filter,用三个滤波器分别对信号st进行滤波,分离出三路不同载波频率的调幅信号y1(n)、y2(n)和y3(n)绘图显示y1(n)、y2(n)和y3(n)的时域波形和幅频特性曲线End图2 程序框图6思考题(1)请阅读信号产生函数mstg,确定三路调幅信号的载波频率和调制信号频率。(2)信号产生函数mstg中采样点数N=800,对st进行N点FFT可以得到6根理想谱线。如果取N=1000,可否得到6根理想谱线?为什么?N=2000呢?请改变函数mstg中采样点数N的值,观察频谱图验证您的判断是否正确。二、 滤波器参数及实验程序清单1、滤波器参数选取观察图1可知,三路调幅信号的载波频率分别为250Hz、500Hz、1000Hz。带宽(也可以由信号产生函数mstg清单看出)分别为50Hz、100Hz、200Hz。所以,分离混合信号st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器(低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器)的指标参数选取如下:对载波频率为250Hz的条幅信号,可以用低通滤波器分离,其指标为:通带截止频率Hz,通带最大衰减;阻带截止频率Hz,阻带最小衰减,对载波频率为500Hz的条幅信号,可以用带通滤波器分离,其指标为:通带截止频率Hz,Hz,通带最大衰减;阻带截止频率Hz,Hz,Hz,阻带最小衰减,对载波频率为1000Hz的条幅信号,可以用高通滤波器分离,其指标为:通带截止频率Hz,通带最大衰减;阻带截止频率Hz,阻带最小衰减,说明:(1)为了使滤波器阶数尽可能低,每个滤波器的边界频率选择原则是尽量使滤波器过渡带宽尽可能宽。(2)与信号产生函数mstg相同,采样频率Fs=10kHz。(3)为了滤波器阶数最低,选用椭圆滤波器。(之后,再依次实现巴特沃斯、切比雪夫1、切比雪夫2数字滤波器)按照图2 所示的程序框图编写的实验程序为exp1.m。2、实验程序清单%实验1程序exp1.m% IIR数字滤波器设计及软件实现clear all;close allFs=10000;T=1/Fs; %采样频率%调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st st=mstg;%低通滤波器设计与实现=fp=280;fs=450;wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60; %DF指标(低通滤波器的通、阻带边界频)N,wp=ellipord(wp,ws,rp,rs); %调用ellipord计算椭圆DF阶数N和通带截止频率wpB,A=ellip(N,rp,rs,wp); %调用ellip计算椭圆带通DF系统函数系数向量B和Ay1t=filter(B,A,st); %滤波器软件实现% 低通滤波器设计与实现绘图部分figure(2);subplot(2,1,1);myplot(B,A); %调用绘图函数myplot绘制损耗函数曲线yt=y_1(t);subplot(2,1,2);tplot(y1t,T,yt); %调用绘图函数tplot绘制滤波器输出波形%带通滤波器设计与实现(自己添加)=% 带通滤波器设计与实现绘图部分(自己添加)%高通滤波器设计与实现(自己添加)=% 高低通滤波器设计与实现绘图部分(自己添加)function myplot(B,A)%时域离散系统损耗函数绘图%B为系统函数分子多项式系数向量%A为系统函数分母多项式系数向量H,W=freqz(B,A,1000);m=abs(H);plot(W/pi,20*log10(m/max(m);grid on;xlabel(omega/pi);ylabel(幅度(dB)axis(0,1,-80,5);title(损耗函数曲线);function tplot(xn,T,yn)%时域序列连续曲线绘图函数% xn:信号数据序列,yn:绘图信号的纵坐标名称(字符串)% T为采样间隔n=0:length(xn)-1;t=n*T;plot(t,xn);xlabel(t/s);ylabel(yn);axis(0,t(end),min(xn),1.2*max(xn)三、 实验程序运行结果实验1程序exp1.m运行结果如图3所示。由图可见,三个分离滤波器指标参数选取正确,损耗函数曲线达到所给指标。分离出的三路信号y1(n),y2(n)和y3(n)的波形是抑制载波的单频调幅波。(a) 低通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y1(t)(b) 带通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y2(t)(c)高通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y3(t) 图3. 实验1程序exp1.m运行结果四、 简要回答思考题思考题(2) 因为信号st是周期序列,谱分析时要求观察时间为整数倍周期。所以,本题的一般解答方法是,先确定信号st的周期,在判断所给采样点数N对应的观察时间Tp=NT是否为st的整数个周期。但信号产生函数mstg产生的信号st共有6个频率成分,
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