实验四-IIR数字滤波器的设计

实验四 IIR数字滤波器的设计 1、 实验目的

（1） 掌握脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的具体方法和原理，熟悉双线性变换法和脉冲响应不变法设计低通、带通IIR数字滤波器的计算机编程；

（2） 观察双线性变换法和脉冲响应不变法设计的数字滤波器的频域特性，了解双线性变换法和脉冲响应不变法的特点和区别；

（3） 熟悉Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器和椭圆滤波器的频率特性。

2、实验原理与方法

IIR数字滤波器的设计方法可以概括为如图所示，本实验主要掌握IIR滤波器的第一种方法，即利用模拟滤波器设计IIR数字滤波器，这是IIR数字滤波器设计最常用的方法。利用模拟滤波器设计，需要将模拟域的Ha(s)转换为数字域H(z)，最常用的转换方法为脉冲响应不变法和双线性变换法。

IIR数字滤波器的设计方法从模拟滤波器设计IIR数字滤波器直线设计IIR数字滤波器脉冲响应不变法双线性变换法零、极点累试法频域逼近法时域逼近法 （1）脉冲响应不变法

用数字滤波器的单位脉冲响应序列h(n)模仿模拟滤波器的冲激响应ha(t)，让h(n)正好等于ha(t)的采样值，即

h(n)?ha(nT)

其中T为采样间隔。如果以Ha(s)及H(z)分别表示ha(t)的拉氏变换及h(n)的Z变换，则

1?2?H(z)|z?esT??Ha(s?jk)

Tk???T在MATLAB中，可用函数impinvar实现从模拟滤波器到数字滤波器的脉冲响应不变映射。

（2）双线性变换法

S平面与z平面之间满足下列映射关系

2?s21?zs? 或 z?T ?12T1?z?sTS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

?1到z平面的单位圆内。双线性变换不存在频率混叠问题。

在MATLAB中，可用函数bilinear实现从模拟滤波器到数字滤波器的双线性变换映射。

双线性变换是一种非线性变换，即??性畸变可通过预畸变得到校正。

（3）设计步骤

IIR数字滤波器的设计过程中，模拟滤波器的设计是关键。模拟滤波器的设计一般是采用分布设计的方式，这样设计原理非常清楚，具体步骤如前文所述。MATLAB信号处理工具箱也提供了模拟滤波器设计的完全工具函数：butter、cheby1、cheby2、ellip、besself。用户只需一次调用就可完成模拟滤波器的设计，这样虽简化了模拟滤波器的设计过程，但设计原理却被屏蔽了。

模拟滤波器设计完成之后，利用impinvar或bilinear函数将模拟滤波器映射为数字滤波器，即完成了所需数字滤波器的设计。

下图给出了实际低通、高通、带通和带阻滤波器的幅频特性和各截止频率的含义。另外，为了描述过渡带的形状，还引入了通带衰减和阻带衰减的概念。

图 实际滤波器的幅频特性和各截止频率的含义

通带衰减：?p?20log2?tan，这种非线性引起的幅频特T2|H(ej0)||H(ej?p)| dB

|H(ej0)|阻带衰减：?p?20log dB j?s|H(e)|在MATLAB信号处理工具箱中，通常用Rp和Rs来表示αp和αs。

3、实验内容

（1）参照教材5.5节所述滤波器设计步骤，利用双线性变换法设计一个Chebyshev I型数字高通滤波器，观察通带损耗和阻带衰减是否满足要求。已知滤波器的指标为fp=0.3kHz，αp=1.2dB，fs=0.2kHz，αs=20dB，T=1ms。

（2）已知fp=0.2kHz，αp=1dB，fs=0.3kHz，αs=25dB，T=1ms，分别用脉冲响应不变法和双线性变换法设计一个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。

（3）设计一个数字带通滤波器，通带范围为0.25π~0.45π，通带内最大衰减3dB，0.15π以下和0.55π以上为阻带，阻带内最小衰减为15dB，试采用Butterworth或ellip（椭圆）模拟低通滤波器设计。

（4）利用双线性变换法设计一个带宽为0.08π的10阶椭圆带阻滤波器以滤除数字频率为0.44π的信号，选择合适的阻带衰减值，画出幅度响应。产生下面序列的201个样本

x(n)?sin0.44?n， n=0，2，…，200

并将它通过这个带阻滤波器进行处理（filter函数），讨论所得到的结果。

4、实验报告

（1）简述实验目的和实验原理。

（2）按实验步骤附上所设计的滤波器传递函数H(z)及相应的幅频特性曲线，定性分析所得到的图形，判断设计是否满足要求。

（3）总结脉冲响应不变法和双线性变换法的特点及设计全过程。 （4）收获与建议。

5、实验源程序

%用双线性变换法设计一个Chebyshev型高通滤波器程序如下 Rp=1.2;Rs=20;T=0.001;fp=300;fs=200; %求出待设计的数字滤波器的边界频率

wp=2*pi*fp*T;ws=2*pi*fs*T; %预畸变

wp1=(2/T)*tan(wp/2);ws1=(2/T)*tan(ws/2); %设计模拟滤波器

[n,wn]=cheb1ord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s'); [b,a]=cheby1(n,Rp,wn,'high','s'); %双线性变换

[bz,az]=bilinear(b,a,1/T);

[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(bz,az);plot(w/pi,db); axis([0,1,-30,2]);

%用双线性变换法设计一个Butterworth型数字低通滤波器程序如下 Rp=1;Rs=25;T=0.001;fp=300;fs=200; %求出待设计的数字滤波器的边界频率 wp=2*pi*fp*T;ws=2*pi*fs*T; %预畸变

wp1=(2/T)*tan(wp/2);ws1=(2/T)*tan(ws/2); %设计模拟滤波器

[n,wn]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'s'); [b,a]=butter(n,wn,'low','s'); %双线性变换

[bz,az]=bilinear(b,a,1/T);

[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(bz,az);plot(w/pi,db); axis([0,1,-30,2]);

%用脉冲响应不变法设计一个Butterworth数字低通滤波器的程序如下： %模拟滤波器的技术要求

wp=400*pi;ws=600*pi;Rp=1;Rs=25; %求模拟滤波器的系统函数 [n,wn]=buttord(wp,ws,Rp,Rs,'s') [b,a]=butter(n,wn,'s')

%求模拟滤波器的频率响应，w取（0~1000pi）rad/s [db,mag,pha,w]=freqs_m(b,a,500*2*pi);

%绘图，为了使模坐标显示频率f （单位Hz），将原变量w（模拟角频率，单位为rad/s）进行了处理

plot(w/(2*pi),db,'LineWidth',2,'Color','b'); axis([0,500,-20,1]);hold on %脉冲响应不变法

fs=1000;[bz,az]=impinvar(b,a,fs); %求数字滤波器的频率响应 [db,mag,pha,w]=freqz_m(bz,az);

%绘图，为了与模拟滤波器的频响在同一坐标中绘出，需要将数字频率w转换成模拟频率f，转换公式为f=w*fs/2*pi plot(0.5*fs*w/pi,db,'LineWidth',2,'Color','r'); axis([0,599,-20,1]);hold off

%采用ellip（椭圆）模拟低通滤波器设计，其程序如下： %确定所需类型数字滤波器的技术指标 Rp=3;Rs=15;T=0.001;

wp1=0.25*pi;wp2=0.45*pi;ws1=0.15*pi;ws2=0.55*pi;

%将所需类型数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标 wp3=(2/T)*tan(wp1/2);wp4=(2/T)*tan(wp2/2); ws3=(2/T)*tan(ws1/2);ws4=(2/T)*tan(ws2/2);

%将所需类型数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标,设计模拟滤波器

wp=[wp3,wp4];ws=[ws3,ws4];

[n,wn]=ellipord(wp,ws,Rp,Rs,'s');[z,p,k]=ellipap(n,Rp,Rs);[b,a]=zp2tf(z,p,k); %频率更换

w0=sqrt(wp3*wp4);Bw=wp4-wp3; [b1,a1]=lp2bp(b,a,w0,Bw); %双线性变换法

[bz,az]=bilinear(b1,a1,1/T);

[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(bz,az);plot(w/pi,db); axis([0,1,-50,2]);

%采用Butterworth模拟低通滤波器设计，其程序如下： %确定所需类型数字滤波器的技术指标 Rp=3;Rs=15;T=0.001;

wp1=0.25*pi;wp2=0.45*pi;ws1=0.15*pi;ws2=0.55*pi;

%将所需类型数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标 wp3=(2/T)*tan(wp1/2);wp4=(2/T)*tan(wp2/2); ws3=(2/T)*tan(ws1/2);ws4=(2/T)*tan(ws2/2);

%将所需类型数字滤波器的技术指标转换成模拟滤波器的技术指标,设计模拟滤波器

wp=[wp3,wp4];ws=[ws3,ws4];

[n,wn]=buttord(wp,ws,Rp,Rs,'s');[z,p,k]=buttap(n);[b,a]=zp2tf(z,p,k); %频率更换

w0=sqrt(wp3*wp4);Bw=wp4-wp3; [b1,a1]=lp2bp(b,a,w0,Bw); %双线性变换法

[bz,az]=bilinear(b1,a1,1/T);

[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(bz,az);plot(w/pi,db); axis([0,1,-50,2]);

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