数字信号处理数字滤波器的设计

1.1 第一章 绪论

引言

随着信息时代的到来，数字信号处理的理论和技术更加成熟，它应用广泛，渗透到各个重要的科学领域。作为数字信号处理的一项重大突破就是数字滤波技术。数字滤波在通信，语音编码，雷达等许多领域中有着十分广泛的应用，目前，数字滤波器的设计图像处理，数据压缩等方面的应用取得了令人瞩目的进展和成就，近年来迅速发展起来的小波理论，由于其局部分析性能的友谊，在图像处理中的应用研究，尤其是在图像压缩，图像去噪等方面的应用研究，收到了越来越多的关注。

由于数字滤波器的概念比较抽象，加上其数值计算又比较繁琐，所以借助好的计算机软件来进行辅助设计，是数字滤波器研究领域的一个发展趋势。这样的软件有很多种，其中最具代表性的就是MATLAB。MATLAB是美国MathWorks公司自20世纪80年代中期推出的数学软件，优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使其很快在数学软件中脱颖而出。MATLAB是“矩阵实验室”（MATrix LABoratoy）的缩写，它是由美国Mathworks公司于1984年正式推出的，是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，专门针对科学、工程计算及绘图的需求。MATLAB是功能强

数字滤波器设计

（长沙理工大学城南学院电气与信息工程系电气工程及其自动化）

摘要： 数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。

关键词： 频谱分析；低通滤波

1. 绪论

1.1. 本文主要研究内容 对模拟信号进行低通滤波处理，要求通带0≤f≤4kHz，通带衰减小于0.5dB，阻带4.5kHz≤f<∞，阻带衰减大于50dB，设采样频率Fs=20kHz。 （1）设计巴特沃斯模拟低通滤波器，求出Ha(s)的分子、分母多项式系数B和A，并画出幅频响应损耗函数曲线； （2）分别用脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR低通数字滤波器，求出Ha(z) 的分子、分母多项式系数Bz和Az，并画出幅频响应损耗函数曲线；

（3）采用窗函数法（分别用汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗函数）设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线； （4）用频率采样法设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线；

（5）用等波纹最佳逼近法设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线；

2. 巴特沃斯模拟低通滤波器 2.1. MATLAB程序

wp=2*pi*4000; ws=2*pi*4500; Rp=0.5; As=50;

[N,wc]=but

计算机科学与工程学院

《数字信号处理》实验报告[4]

《数字信号处理》实验报告

2

计算机科学与工程学院 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。

三、信号产生函数 mstg 清单function st=mstg %产生信号序列向量 st,并显示 st 的时域波形和频谱 %st=mstg 返回三路调幅信号相加形成的混合信号，长度 N=1600 N=1600 %N 为信号 st 的长度。 Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采样频率 Fs=10kHz,Tp 为采样时间 t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp; fc1=Fs/10; %第 1 路调幅信号的载波频率 fc1=1000Hz, fm1=fc1/10; %第 1 路调幅信号的调制信号

数字滤波器设计

（长沙理工大学城南学院电气与信息工程系电气工程及其自动化）

摘要： 数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。

关键词： 频谱分析；低通滤波

1. 绪论

1.1. 本文主要研究内容 对模拟信号进行低通滤波处理，要求通带0≤f≤4kHz，通带衰减小于0.5dB，阻带4.5kHz≤f<∞，阻带衰减大于50dB，设采样频率Fs=20kHz。 （1）设计巴特沃斯模拟低通滤波器，求出Ha(s)的分子、分母多项式系数B和A，并画出幅频响应损耗函数曲线； （2）分别用脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR低通数字滤波器，求出Ha(z) 的分子、分母多项式系数Bz和Az，并画出幅频响应损耗函数曲线；

（3）采用窗函数法（分别用汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗函数）设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线； （4）用频率采样法设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线；

（5）用等波纹最佳逼近法设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线；

2. 巴特沃斯模拟低通滤波器 2.1. MATLAB程序

wp=2*pi*4000; ws=2*pi*4500; Rp=0.5; As=50;

[N,wc]=but

数字滤波器设计

（长沙理工大学城南学院电气与信息工程系电气工程及其自动化）

摘要： 数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。

关键词： 频谱分析；低通滤波

1. 绪论

1.1. 本文主要研究内容 对模拟信号进行低通滤波处理，要求通带0≤f≤4kHz，通带衰减小于0.5dB，阻带4.5kHz≤f<∞，阻带衰减大于50dB，设采样频率Fs=20kHz。 （1）设计巴特沃斯模拟低通滤波器，求出Ha(s)的分子、分母多项式系数B和A，并画出幅频响应损耗函数曲线； （2）分别用脉冲响应不变法和双线性变换法设计IIR低通数字滤波器，求出Ha(z) 的分子、分母多项式系数Bz和Az，并画出幅频响应损耗函数曲线；

（3）采用窗函数法（分别用汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗函数）设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线； （4）用频率采样法设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线；

（5）用等波纹最佳逼近法设计满足要求的FIR低通滤波器，并画出滤波器h(n)的波形及其幅频响应损耗函数曲线；

2. 巴特沃斯模拟低通滤波器 2.1. MATLAB程序

wp=2*pi*4000; ws=2*pi*4500; Rp=0.5; As=50;

[N,wc]=but

FIR数字滤波器设计

摘要 数字滤波器的输入输出均为数字信号，信号通过数字滤波器后，可以改变

频率成分的相对比例或滤除某些频率成分。数字滤波器可以分为IIR数字滤波器

和FIR数字滤波器。文中只介绍FIR数字滤波器的设计，可以根据所给定的频率

特性直接设计FIR数字滤波器。FIR数字滤波器在保证幅度特性满足要求的同时，

能够做到严格的线性特性。本文采用了窗函数法、频率采样法以及基于firls函

数和remez函数的最优化方法设计FIR滤波器。在文中对FIR滤波器进行了详细

的理论分析，并且对应于每种方法都给出了设计实例。通过编写MATLAB语言程序，

运行程序，得到幅频和相频特性图。对于窗函数和firls函数设计的滤波器，还

通过建立Simulink系统模块进行仿真，观察滤波器滤波情况。

关键词 窗函数法；频率采样法；最优化方法；仿真

I

Design of FIR Digital Filter

Abstract Firstly, the paper gives a brief description of digital filter and MATLAB

language.The digital filter can be divided i

IIR数字滤波器设计原理

利用双线性变换设计IIR滤波器（只介绍巴特沃斯数字低通滤波器的设计），首先要设计出满足指标要求的模拟滤波器的传递函数Ha(s)，然后由Ha(s)通过双线性变换可得所要设计的IIR滤波器的系统函数H(z)。

如果给定的指标为数字滤波器的指标，则首先要转换成模拟滤波器的技术指标，这里主要是边界频率

??wp和ws的转换，对

?p和?s指标不作变化。边界频率的

转换关系为

21tan(w)T2。接着，按照模拟低通滤波器的技术指标根据相应

设计公式求出滤波器的阶数N和3dB截止频率?c；根据阶数N查巴特沃斯归一化低通滤波器参数表，得到归一化传输函数Ha(p)；最后，将

p?s?c代入Ha(p)去归一，得到实际的模拟滤波器传输函数Ha(s)。之后，通过双线性变换法转换

21?z?1s?T1?z?1，得到所要设计的IIR滤波器的系统函数H(z)。 公式

步骤及内容

1) 用双线性变换法设计一个巴特沃斯IIR低通数字滤波器。设计指标参数为：

在通带内频率低于0.2?时，最大衰减小于1dB；在阻带内?0.3?,??频率区间上，最小衰减大于15dB。

2) 以0.02?为采样间隔，绘制出数字滤波器在频率区间?0,?/2?上的幅频响应特

性曲线。 3) 程

数字滤波器总结

设计数字滤波器时，应充分利用成熟的软件工具，避免复杂的人工计算。Matlab便是这样的一个软件，它集成了FDAtool（filter design & analysis tool）工具，这是Matlab信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具。FDAtool可以设计几乎所有的常规滤波器，包括FIR和IIR。它操作简单，方便灵活。

一、那么，打开FDAtool的方法有两种，第一种是在Matlab中键入“fdatool”（大小写均可），即可打开FDAtool的界面；另一种是在Matlab工作环境的左下角依次点开Start—Toolboxes—Filter Design—Filter Design & Analysis Tool(fdatool)。此外，还可以在simulink中将FDAtool模块放入仿真模型中，其位置在Signal Processing Blockset—Filtering—Filter Implementations—Digital Filter Design。下面用两个实例来说明如何在Simulink中设计滤波器。 （一）、低通滤波器的设计

模型如下所示：

其中，Sine Wave是幅值为10，频率为10Hz

无限冲击响应数字滤波器设计(白底)

第六章

IIR DF

无限脉冲响应数字滤波器的设计

无限冲击响应数字滤波器设计(白底)

§6-1

数字滤波器的基本概念

数字滤波器：输入、输出： 数字滤波器：输入、输出：数字信号 运算关系改变输入信号频率成分的比例，滤出某些频率成分。 运算关系改变输入信号频率成分的比例，滤出某些频率成分。 一、数字滤波器的分类 1. 经典滤波器 处理信号和噪声的频谱不交叠情况 经典滤波器(处理信号和噪声的频谱不交叠情况 处理信号和噪声的频谱不交叠情况) 按频带分：低通、高通、带通、带阻和全通。( 。(注意数 按频带分：低通、高通、带通、带阻和全通。(注意数 字频率) 字频率) 按单位脉冲响应分类： 、 按单位脉冲响应分类：IIR、FIR

H(z) =

b z r ∑r 1+∑ k z k ak= 1 r=0 N

M

;

H(z) = ∑ (n)z n hn=0

1 N

2. 现代滤波器 维纳滤波器、卡尔曼滤波器、 维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等 从混有随机噪声的记录中估计出所关心的信号。 从混有随机噪声的记录中估计出所关心的信号。

无限冲击响应数字滤波器设计(白底)

滤波器设计的步骤 数字滤波器的设计是确定其系统函数并实现的过程。

数字信号处理实验指导书（修订版1）

数字信号处理（本科）实验指导书

（修订版1）

戴 虹 编

2010年6月

1

数字信号处理实验指导书（修订版1）

目 录

实验一 信号、 系统及系统响应 实验二 FFT频谱分析 实验三 IIR数字滤波器设计 实验四 FIR数字滤波器设计

实验五 离散系统的时域及复频域分析

综合实验 双音多频（DTMF）通信设计的MATLAB仿真 附录 实验报告格式

2

数字信号处理实验指导书（修订版1）

实验一 信号、 系统及系统响应

一、 实验目的

1. 掌握典型序列的产生方法。

2. 掌握DFT的实现方法，利用DFT对信号进行频域分析。

3. 熟悉连续信号经采样前后频谱的变化，加深对时域采样定理的理解。

4. 分别利用卷积和DFT分析信号及系统的时域和频域特性，验证时域卷积定理。 二、实验环境

1． Windows2000操作系统 2． MATLAB6.0 三、实验原理 1. 信号采样

对连续信号xa(t)=Aesin(Ω0t)u(t)进行采样，采样周期为T,采样点0≤n<50，得采样序列xa(n)= 。 2. 离散傅里叶变换(DFT) 设序列为x(n),长度为N,则

X(e

2πMjωk

N?1-at

)=DFT[x(n)]=?n?0x(n) e-jωk

n

,

jωk

其中ωk=k(k=0,1,2,…