切比雪夫低通滤波器课程设计.doc

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 数字信号处理课程设计 学院（系）： 电器工程学院 年级专业： 10级精密仪器及机械 学 号： 100103020126 学生姓名： 孙梦菲 指导教师： 刘永红 教师职称： 讲师 燕山大学课程设计说明书 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 数字信号处理课程设计 基层教学单位：仪器科学与工程系 指导教师： 刘永红学号100103020126学生姓名孙梦菲（专业）班级10级精密仪器及机械1班设计题目23切比雪夫低通滤波器设计设计技术参数采样频率100Hz，低频、中频、高频信号频率分别为5Hz、15Hz、30Hz设计要求产生一个连续信号，包含低频，中频，高频分量，对其进行采样，进行频谱分析。设计低通滤波器对信号进行滤波处理，观察滤波后信号的频谱。分析该类型滤波器与其他类型低通滤波器（如Butterworth）优势及特点。参考资料数字信号处理方面资料MATLAB方面资料周次前半周后半周应完成内容收集消化资料、学习MATLAB软件，进行相关参数计算编写仿真程序、调试指导教师签字基层教学单位主任签字说明：1、此表一式四份，系、指导教师、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。 电气工程学院 教务科 目录1摘要.32设计原理.4 2.1 切比雪夫滤波器介绍.4 2.2滤波器的分类.5 2.3 模拟滤波器的设计指标.63切比雪夫I型滤波器.7 3.1 切比雪夫滤波器的设计原理.7 3.2切比雪夫滤波器的设计步骤.10 3.3 用matlab编程设计切比雪夫低通滤波器.11 3.4 设计结果分析.174 总结.185 参考文献.18 摘要随着信息和数字时代的到来，数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。在现代通信系统中，由于信号中经常混有各种复杂成分，因此很多信号的处理都是基于滤波器而进行的。所以，数字滤波器在数字信号处理中起着举足轻重的作用。而数字滤波器的设计都要以模拟滤波器为基础的，这是因为模拟滤波器的理论和设计方方法都已发展的相当成熟， 且有典型的模拟滤波器供我们选择。，如巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器等。本次课程设计将运用MATLAB设计一个基于切比雪夫低通滤波器，并出所设计滤波器的幅度及幅度衰减特性。关键词：滤波 切比雪夫 模拟低通 2设计原理 数字滤波器是数字信号处理的重要工具之一，它通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤出某些频率成分的数字器件或程序，而数字滤波器处理精度高、体积小、稳定、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。故本课题使用MATLAB信号处理箱和运用切比雪夫法设计数字低通滤波器。2.1切比雪夫滤波器介绍在巴特沃兹滤波器中，幅度响应在通带和阻带内都是单调的。因此，若滤波器的技术要求是用最大通带和阻带的逼近误差来给出的话，那么，在靠近通带低频端和阻带截止频率以上的部分都会超出技术指标。一种比较有效的途径是使逼近误差均匀地分布于通带或阻带内，或同时在通带和阻带内都均匀分布，这样往往可以降低所要求的滤波器阶次。通过选择一种具有等波纹特性而不是单调特性的逼近方法可以实现这一点。切比雪夫型滤波器就具有这种性质：其频率响应的幅度既可以在通带中是等波纹的，而在阻带中是单调的（称为I型切比雪夫滤波器），也可以在通带中是单调的，而在阻带中是等波纹的（称为II型切比雪夫滤波器），其中切比雪夫II型滤波器又称为逆切比雪夫滤波器。I型切比雪夫滤波器的幅度平方函数是 = (2.1)其中是一个小于1的正数，它与通带波纹有关，越大，波纹也越大，式中为N阶切比雪夫多项式，定义为 (2.2)当N大于或等于1时，从定义切比雪夫多项式可以直接得出由和求的递推公式。将三角恒等式代入 (2.2)式，得 =2x (2.3)从 (2.2)式我们注意到，当0x1时，是虚数，所以像双曲余弦一样单调地增加。参考(2.1)，对于01呈现出在1和1/（）之间的波动；而对于1单调地减小。需要用三个参量来确定该滤波器：，和N。在典型的设计中，用容许的通带波纹来确定，而用希望的通带截止频率来确定。然后选择合适的阶次N，以便阻带的技术要求得到满足。定义允许的通带最大衰减用下式表示： 为了求切比雪夫滤波器在椭圆上极点的位置，我们首先要这样确定，在大圆和小圆上以等角度 等间隔排列的那些点：这些点对于虚轴呈对称分布，并且没有一个点落在虚轴上；但当N为奇数时要有一个点落在实轴上，而当N为偶数时，就都不会落在实轴上。切比雪夫滤波器的极点落在椭圆上，起纵坐标由相应的大圆上点的纵坐标来表示，起横坐标由相应的小圆上点的横坐标来表示。2.2滤波器的分类（1） 从功能上分；低、带、高、带阻。 （2）从实现方法上分:FIR（有限脉冲响应，finite impulse responce）、IIR （无限脉冲响应，infinite impulse responce）。如果单位取样响应是时宽无限的h（n），nn则称为IIR系统；而如果单位取样响应是时宽有限的h（n），nn1，有 （2-3-8） 可以解出 （2-3-9） （2-3-10）3dB截止频率用表示， （2-3-11） 按照（2-3-1）式，有 （2-3-12） 经过一系列推论得归一化系统函数为（2-3-13）去归一化的系统函数为 （2-3-14） 3.2切比雪夫低通滤波器的设计步骤（1） 确定低通滤波器的技术指标：边带频率，通带最大衰减、阻带最大衰减、阻带截至频率，它们满足 （2-3-15） （2-3-16）（2）求滤波器阶数N和参数 （2-3-17） （2-3-18） （2-3-19）这样，先由（2-18）式求出，代入（2-3-19），求出阶数N，最后取大于或等于N的最小整数。（3）求归一化系统函数 （2-3-20）（4）将去归一化，得到实际的 （2-3-21） 3.3用MATLAB设计切比雪夫低通滤波器 （1）Matlab的信号处理工具箱提供了频谱分析函数:fft函数、filter函数和freqz函数。fft函数filter函数功能：利用IIR滤波器和FIR滤波器对数据进行滤波。调用格式： y=filter(b,a,x) y,zf=filter(b,a,x) y=filter(b,a,x,zi)说明：filter采用数字滤波器对数据进行滤波，其实现采用移位直接型结构，因而适用于IIR和FIR滤波器。滤波器的系统函数为 即滤波器系数a=a0 a1 a2 .an,b=b0 b1 .bm,输入序列矢量为x。这里，标准形式为a0=1，如果输入矢量a时，a01，则MATLAB将自动进行归一化系数的操作；如果a0=0，则给出出错信息。 y=filter(b,a,x)利用给定系数矢量a和b对x中的数据进行滤波，结果放入y矢量中，y的长度取max(N,M)。 y=filter(b,a,x,zi)可在zi中指定x的初始状态。 y,zf=filter(b,a,x)除得到矢量y外，还得到x的最终状态矢量zf。 freqz函数功能：离散时间系统的频率响应。格式：h,w=freqz(b,a,n) h,f=freqz(b,a,n,Fs) h=freqz(b,a,w) h=freqz(b,a,f,Fs) freqz(b,a,n)说明: freqz 用于计算数字滤波器H(Z)的频率响应函数H(ej)。h,w=freqz(b,a,n)可得到数字滤波器的n点复频响应值，这n个点均匀地分布在0,上,并将这n个频点的频率记录在w中，相应的频响值记录在h中。要求n为大于零的整数,最好为2的整数次幂,以便采用FFT计算，提高速度。缺省时n =512。 h,f=freqz(b,a,n,Fs)用于对H(ej)在0,Fs/2上等间隔采样n点，采样点频率及相应频响值分别记录在f 和h中。由用户指定FS（以HZ为单位）值。h=freqz(b,a,w)用于对H(ej)在0,2上进行采样，采样频率点由矢量w指定。h=freqz(b,a,f,Fs) 用于对H(ej)在0,FS上采样，采样频率点由矢量f指定。 freqz(b,a,n) 用于在当前图形窗口中绘制幅频和相频特性曲线。 fft函数函数功能：对信号进行傅里叶变换。 格式：fft(X) fft(X,N) fft(X,DIM)或fft(X,N,DIM) 说明:fft(X)是对输入信号X的离散傅里叶变换。 fft(X,N)是N点的傅里叶变换，如果X少于N点则补0凑齐位数，长于N点则截断。 如果x是个矩阵，列的长度将会以同样的方式调整，fft会对每列进行傅里叶变换，并返回一个相同维数的矩阵。 fft(X,DIM)或fft(X,N,DIM)是离散傅里叶变换在DIM尺度上的应用。DIM可适应于任意维度的fft运算。（2）确定低通滤波器的技术指标：N-椭圆滤波器最小阶数；Wn为椭圆滤波器的带宽；Wp-椭圆滤波器通带截止角频率；Ws-椭圆滤波器阻带起始角频率；Rp-通带波纹（dB）；Rs-阻带最小衰减(dB)； 设计要求是低通滤波器，需要屏蔽的是15Hz和30Hz的波形，所以可令fp=5Hz，设fs=8Hz，Rp40dB。（3）连续信号的产生及采样:clearf1=5;f2=15;f3=30;N=100;fs=100;n=(0:N-1); %采样点数为Nx1=sin(2*pi*f1*n/fs); x2=sin(2*pi*f2*n/fs);x3=sin(2*pi*f3*n/fs); %模拟信号转化为数字信号x=x1+x2+x3; %信号叠加plot(n,x); %作出时间-幅值图像xlabel(时间(s);ylabel(幅值);grid; 连续信号仿真图(4)低通滤波器的设计Wp=8;Ws=12;Rp=2;Rs=40;%设置指标参数N,wp1=cheb1ord(Wp/(fs/2),Ws/(fs/2),Rp,Rs);%利用cheb1ord函数求滤波器最小阶数b,a=cheby1(N,Rp,wp1); %计算切比雪夫I型模拟低通滤波器系统函数系数H,f=freqz(b,a,512,100); %求幅值H，频率fplot(f,abs(H); 切比雪夫I型模拟低通滤波器仿真图 (5)对滤波后的信号进行分析和变换sf=filter(b,a,x);%对原信号进行滤波plot(n,sf);xlabel(时间 (s);ylabel(幅值);axis(0 1 -1 1);X=fft(x,512); %滤波前信号的傅里叶变换SF=fft(sf,512); %滤波后信号的傅里叶变换f=(0:255)/256*(fs/2); plot(f,abs(X(1:256) SF(1:256); %滤波前后信号图像对比xlabel(频率(Hz);ylabel(傅立叶变换图);grid;legend(before,after) 信号通过椭圆低通滤波器的仿真图 注：图中蓝色曲线代表滤波前的幅频曲线，绿线代表滤波后的幅频曲线。3.4 设计结果分析（1）求得阶数N=6，通带边界频率为wp = 0.1600，表明阶数越大，模拟低通滤波器越理想，且接近矩形。（2）从图上可以看出：切比雪夫I型滤波器是在通带频率响应幅度等波纹的滤波器，通带内具有等波纹起伏特性，阻带内单调下降且衰减更大；幅度在低频处通过，随着频率的增加，逐渐衰减至零；综上所看：本设计符合要求。 （3）切比雪夫滤波器的特点是在通带内，具有相等的波纹。截频衰减陡度比同阶数巴特沃斯特性更陡度比同阶数程时的衰减就超过6NdB。在阶数N一定时，波纹越大，截频衰减陡度越陡。相位响应也是非线性，但较之比巴特沃斯为差。 总结 经过了将近一个周的课程设计，我学会的如何使用matlab来进行滤波器的设计，通过这次课程设计我不仅学到了许多关于matlab的知识，认识到了matlab的强大功能，更重要的是增强了我分析问题的能力，使我深刻地认识到仅仅学习课本上的知识是远远不够的，必须多多实践才能真正理解并掌握所学的知识，达到学以致用的目的，为以后的工作积累了宝贵的经验，同时我也深深地感受到严谨的态度对于科学研究的重要性。由于在设计的过程中，一点点的失误都可能造成整个系统的错误，所以每一个细节都要认真思考，认真操作，不能有丝毫的大意。这使我认识到要想做一个科研工作者是多么的不易！自己身上的缺点还有很多，要靠以后艰苦的努力来克服！ 这次课程设计极大的锻炼了我的自主学习能力，让我学会了如何自己根据一定的课题，设计出能够实现一定功能的程序，在遇到问题的时候学会如何去解决，让我对设计滤波器的原理和步骤有了更深入的理解。滤波器在数字信号处理中占据着重要的地位，因此掌握模拟低通滤波器的设计对以后的学习有着不菲的收获。首先，设计滤波器前一定要选好设计的方法。这次课程设计采用切比雪夫I型来设计一个模拟低通滤波器。其次，确定好参数。最后，用MATLAB软件编程式设计过程大为简化。 这次课设不仅让我增长了知识，更让我