实验五：FIR数字滤波器设计与软件实现 一、实验指导 1．实验目的 （1）掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （2）掌握用等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （3）掌握FIR滤波器的快速卷积实现原理。 （4）学会调用MATLAB函数设计与实现FIR滤波器。 2．实验容及步骤 （1）认真复习第七章中用窗函数法和等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理； （2）调用信号产生函数xtg产生具有加性噪声的信号xt，并自动显示xt及其频谱，如图1所示； 图1 具有加性噪声的信号x(t)及其频谱如图 （3）请设计低通滤波器，从高频噪声中提取xt中的单频调幅信号，要求信号幅频失真小于0.1dB，将噪声频谱衰减60dB。先观察xt的频谱，确定滤波器指标参数。 （4）根据滤波器指标选择合适的窗函数，计算窗函数的长度N，调用MATLAB函数fir1设计一个FIR低通滤波器。并编写程序，调用MATLAB快速卷积函数fftfilt实现对xt的滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形图。 （4）重复（3），滤波器指标不变，但改用等波纹最佳逼近法，调用MATLAB函数remezord 和remez设计FIR数字滤波器。并比较两种设计方法设计的滤波器阶数。 提示：○1MATLAB函数fir1的功能及其调用格式请查阅教材； ○2采样频率Fs=1000Hz，采样周期T=1/Fs； ○3根据图1(b)和实验要求，可选择滤波器指标参数：通带截止频率fp=120Hz，阻带截
至频率fs=150Hz ，换算成数字频率，通带截止频率p 20.24p f ωπ=T =π，通带最大衰为0.1dB ，阻带截至频率s 20.3s f ωπ=T =π，阻带最小衰为60dB 。 ○ 4实验程序框图如图2所示，供读者参考。 图2 实验程序框图 4.思考题 (1)如果给定通带截止频率和阻带截止频率以及阻带最小衰减,如何用窗函数法设计线性相位低通滤波器?请写出设计步骤. (2)如果要求用窗函数法设计带通滤波器,且给定通带上、下截止频率为pl ω和pu ω，阻带上、下截止频率为sl ω和su ω，试求理想带通滤波器的截止频率cl cu ωω和。 （3）解释为什么对同样的技术指标，用等波纹最佳逼近法设计的滤波器阶数低？ 5．信号产生函数xtg 程序清单（见教材） 二、 滤波器参数及实验程序清单 1、滤波器参数选取 根据实验指导的提示③选择滤波器指标参数： 通带截止频率fp=120Hz ，阻带截至频率fs=150Hz 。代入采样频率Fs=1000Hz ，换算成数字频率，通带截止频率p 20.24p f ωπ=T =π，通带最大衰为0.1dB ，阻带截至频率
输出滤波器的计算 一、滤波器选择的部分指标 （1）逆变电源的空载损耗是逆变电源的重要指标之一。空载损耗与空载时滤波器的输入电流有关，电流越大，损耗越大，原因有以下两个方面：一方面，滤波器的输入电流越大，逆变开关器件上的电流越大，逆变器的损耗就越大；另一方面，空载时滤波器的输入电流也流过电抗器及电容器，电流增大也会使电抗器及电容器的损耗增大。所以从限制空载电流的角度来讲，空载时滤波器的输入电流不能太大。一般的，空载时滤波器的输入基波电流不能超过逆变电源的额定输出电流的30%。 设I m 表示空载时输入滤波器的输入基波电流的有效值，U 0表示输出电压基波的有效值，Wo 为基波角 频率， 则由图1可得： 00Im CU ω= （1） 有上式可知，空载时滤波器输入基波电流的大小与C 成正比。所以从限制逆变电源空载损耗的角度来讲，LC 滤波器的电容之不能太大。 （2）逆变电源对非线性负载的适应性指标 逆变电源对非线性负载的适应性是衡量逆变电源性能优劣的重要指标。非线性负载之所以会引起逆变电源输出电压波形的畸变，是因为非线性负载时一种谐波电流源，它产生的谐波电流在逆变电源输出阻抗上产生谐波压降，从而引起输出电压波形畸变。可见逆变电源的输出阻抗直接关系着逆变电源对非线性负载的适应性，输出阻抗越小，逆变电源的输出阻抗直接关系着逆变电源对非线性负载的适应性，输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载适应性越好。 开环时逆变电源的输出阻抗就是LC 滤波器的输出阻抗，根据公式LC L Z 201ωω?= （2）
在L 、C 乘积恒定时，L 越小，则输出阻抗值越小。 当逆变电源采用电容电流及电压瞬时值反馈控制方案时，可以得到和开环时相同的结论。 综上说述可以得到以下两点结论： 1）在L 、C 之积恒定时，L 越小，逆变电源的输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载的适应性越好； 2）L 越小，越不容易出现过调制，逆变电源对非线性负载的适应性越好。、 （3）在采用同步调制控制方式的逆变电源中，频率为（2ωs -ω0）的谐波是逆变器输出PWM 波中复制最高的谐波，它对输出电压的波形影响最大。输出电压中，只要频率为（2ωs -ω0）的谐波符合要求，则其他高次谐波含量均能符合要求。所以在这种情况下设计LC 滤波器是，只需考虑滤波器对（2ωs -ω0）频率谐波的衰减。 二、输出LC 滤波器的计算 2.1综述 一般说来，空载与负载相比，空载时电压中的频率（2ωs -ω0）的谐波含量是最大的，根据公式： )(*)1(1*2)2(1222200απββπωωJ N Q N b HF s ++=? （3） 式中C L R Q L //=；00/)2(ωωω?=s N ；LC 20ωβ=；E U b /20=；2 2)1(/ββα?+=Q b ；)(1απJ 为1阶的Besset 函数，计算比较繁琐。 空载时，)2(00ωω?s HF 可表示为： )(*11*2)2(1 200απβπωωJ N b HF s ?=? （4） 式中：00/)2(ωωω?=s N ；LC 20ωβ=；E U b /20=；βα?=1b 。 对式（4）进行分析，可得空载时)2(00ωω?s HF 的特性如下： a ，当逆变电源输入电压增大时，输出电压中的频率为 )2(0ωω?s 的谐波的谐波含量将增大。
数字信号处理实验 第十次实验 实验名称：模拟原型滤波器的设计 学生班级：电信 学生姓名： 学生学号： 指导教师： zgx
一、实验目的 （1）加深对模拟滤波器基本类型、特点和主要设计指标的了解（2）掌握模拟低通滤波器原型的设计方法 （3）学习MATLAB语言有关模拟原型滤波器设计的子函数的使用方法 二、实验原理 输入信号和输出信号均为连续时间信号，冲击响应也是连续的滤波器，成为模拟滤波器。 模拟滤波器从功能上可以分为低通、高通、带通、带阻以及全通滤波器。 实际使用中理想滤波器是不可能实现的，必须设计一个因果可实现的滤波器去逼近。通常通带和阻带都允许存在一定误差容限，即通带不一定完全水平，阻带也不一定绝对衰减到零。在通带和阻带之间允许存在一定宽度的过渡带。 三、实验任务 设计一个模拟原型低通滤波器，通带截止频率fp=6kHz，通带最大衰减Rp≦1dB，阻带截止频率fs=15kHz，阻带最小衰减As≧30dB。 要求：分别实现符合以上指标的巴特沃斯滤波器、切比雪夫一型滤波器、切比雪夫二型滤波器、椭圆滤波器，绘制幅频特性和相频特性曲线、零极点分布图，并列写传递函数表达式。
四、实验过程和结果 1.巴特沃斯滤波器： 程序清单： 得到输出：
所以 1 s 2361.3s 2361.5s 2361.5s 2361.3s 1 )s (H 02 0304050+++++= 且所求曲线：
2.切比雪夫一型滤波器：程序清单：
得到数据： 所以传递函数表达式为： 27563 .0s 74262.0s 4539.1s 95281.0s 1 )s (H 02 03040++++= 所求曲线图形：
实验6无限冲激响应数字滤波器设计 实验目的： 掌握双线性变换法及脉冲相应不变法设计IIR数字滤波器的具体设计方法及其原理，熟悉用双线性变换法及脉冲响应不变法设计低通、高通和带通IIR数字滤波器的计算机编程。 实验原理： 在MATLAB中，可以用下列函数辅助设计IIR数字滤波器：1)利用buttord 和cheblord可以确定低通原型巴特沃斯和切比雪夫滤波器的阶数和截止频率； 2)[num,den]=butter（N,Wn）(巴特沃斯)和[num,den]=cheby1（N,Wn）,[num,den]=cheby2（N,Wn）(切比雪夫1型和2型)可以进行滤波器的设计；3）lp2hp，lp2bp，lp2bs可以完成低通滤波器到高通、带通、带阻滤波器的转换；4)使用bilinear可以对模拟滤波器进行双线性变换，求得数字滤波器的传输函数系数；5)利用impinvar可以完成脉冲响应不变法的模拟滤波器到数字滤波器的转换。 例3-1 设采样周期T=250μs（采样频率fs =4kHz），用脉冲响应不变法和双线性变换法设计一个三阶巴特沃兹滤波器，其3dB边界频率为fc =1kHz。 [B,A]=butter(3,2*pi*1000,'s'); [num1,den1]=impinvar(B,A,4000); [h1,w]=freqz(num1,den1); [B,A]=butter(3,2/0.00025,'s');
[num2,den2]=bilinear(B,A,4000); [h2,w]=freqz(num2,den2); f=w/pi*2000; plot(f,abs(h1),'-.',f,abs(h2),'-'); grid; xlabel('频率/Hz ') ylabel('幅值/dB') 程序中第一个butter的边界频率2π×1000，为脉冲响应不变法原型低通滤波器的边界频率；第二个butter的边界频率2/T=2/0.00025，为双线性变换法原型低通滤波器的边界频率.图1给出了这两种设计方法所得到的频响，虚线为脉冲响应不变法的结果；实线为双线性变换法的结果。脉冲响应不变法由于混叠效应，使得过渡带和阻带的衰减特性变差，并且不存在传输零点。同时，也看到双线性变换法，在z=-1即Ω=π或f=2000Hz处有一个三阶传输零点，这个三阶零点正是模拟滤波器在ω=∞处的三阶传输零点通过映射形成的。 例2 设计一数字高通滤波器，它的通带为400～500Hz，通带内容许有0.5dB的波动，阻带内衰减在小于317Hz的频带内至少为19dB，采样频率为1,000Hz。 wc=2*1000*tan(2*pi*400/(2*1000)); wt=2*1000*tan(2*pi*317/(2*1000)); [N,wn]=cheb1ord(wc,wt,0.5,19,'s'); [B,A]=cheby1(N,0.5,wn,'high','s'); [num,den]=bilinear(B,A,1000); [h,w]=freqz(num,den); f=w/pi*500; plot(f,20*log10(abs(h))); axis([0,500,-80,10]); grid; xlabel('') ylabel('幅度/dB')
IIR数字滤波器的设计 一、实验目的： 掌握冲激相应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理和方法； 观察冲激相应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的频率特性； 了解冲激相应不变法和双线性变换法的特点和区别。 二、实验原理： 无限长单位冲激响应（IIR）数字滤波器的设计思想： a)设计一个合适的模拟滤波器 b)利用一定的变换方法将模拟滤波器转换成满足预定指 标的数字滤波器 切贝雪夫I型：通带中是等波纹的，阻带是单调的
切贝雪夫II型：通带中是单调的，阻带是等波纹的 1．用冲击响应不变法设计一个低通切贝雪夫I型数字滤波器通带上限截止频率为400Hz 阻带截止频率为600Hz 通带最大衰减为0.3分贝 阻带最小衰减为60分贝 抽样频率1000Hz 2．用双线性变换法设计切贝雪夫II型高通滤波器 通带截止频率2000Hz 阻带截止频率1500Hz 通带最大衰减0.3分贝 阻带最小衰减50分贝 抽样频率20000Hz 四、实验程序：
1） Wp=2*pi*400; Ws=2*pi*600; Rp=0.3; Rs=60; Fs=1000; [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs,'s'); [Z,P,K]=cheb1ap(N,Rp); [A,B,C,D]=zp2ss(Z,P,K); [At,Bt,Ct,Dt]=lp2lp(A,B,C,D,Wn); [num1,den1]=ss2tf(At,Bt,Ct,Dt); [num2,den2]=impinvar(num1,den1,Fs); [H,W1]=freqs(num1,den1); figure(1) subplot(2,1,1); semilogx(W1/pi/2,20*log10(abs(H)));grid; xlabel(' 频率/ Hz'); ylabel(' 模拟滤波器幅值(db)'); [H,W2]=freqz(num2,den2,512,'whole',Fs); subplot(2,1,2); plot(W2,20*log10(abs(H)));grid; xlabel(' 频率/ Hz');
数字信号处理 实验报告 实验四 IIR数字滤波器的设计学生姓名张志翔 班级电子信息工程1203班 学号 指导教师 实验四 IIR数字滤波器的设计 一、实验目的： 1. 掌握双线性变换法及脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器的具体设 计方法及其原理，熟悉用双线性变换法及脉冲响应不变法设计低通、高通和带通IIR数字滤波器的MATLAB编程。 2. 观察双线性变换及脉冲响应不变法设计的滤波器的频域特性，了解双线性变换法及脉冲响应不变法的特点。 3.熟悉Butterworth滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器的频率特性。 二、实验原理: 1．脉冲响应不变法 用数字滤波器的单位脉冲响应序列模仿模拟滤波器的冲激响应 ,让正好等于的采样值，即，其中为采样间隔，如果以及分别表示的拉式变换及的Z变换，则 2．双线性变换法 S平面与z平面之间满足以下映射关系：
s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到z平面的单位圆内。 双线性变换不存在混叠问题。 双线性变换是一种非线性变换，这种非线性引起的幅频特性畸变可通过预畸而得到校正。 三、实验内容及步骤： 实验中有关变量的定义: fc 通带边界频率； fr阻带边界频率；δ通带波动；At 最小阻带衰减； fs采样频率； T采样周期 （1） =0.3KHz, δ=0.8Db, =0.2KHz, At =20Db,T=1ms; 设计一个切比雪夫高通滤波器，观察其通带损耗和阻带衰减是否满足要求。 MATLAB源程序： wp=2*1000*tan(2*pi*300/(2*1000)); ws=2*1000*tan(2*pi*200/(2*1000)); [N,wn]=cheb1ord(wp,ws,0.8,20,'s'); %给定通带（wp）和阻带(ws)边界角频率，通带波动波动0.8，阻带最小衰减20dB，求出最低阶数和通带滤波器的通带边界频率Wn [B,A]=cheby1(N,0.5,wn,'high','s');%给定通带（wp）和阻带(ws)边界角频率，通带波动 [num,den]=bilinear(B,A,1000); [h,w]=freqz(num,den); f=w/(2*pi)*1000; plot(f,20*log10(abs(h)));
第31卷第12期中国电机工程学报V ol.31 No.12 Apr.25, 2011 34 2011年4月25日Proceedings of the CSEE ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2011) 12-0034-06 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470?40 带LCL输出滤波器的并网逆变器控制策略研究 王要强，吴凤江，孙力，段建东 (哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省哈尔滨市 150001) Control Strategy for Grid-connected Inverter With an LCL Output Filter WANG Yaoqiang, WU Fengjiang, SUN Li, DUAN Jiandong (Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China) ABSTRACT: The grid-connected inverter with LCL output filter is a third-order and multi-variable system, claiming a higher demands to the control system design. Aiming at this, a grid-connected inverter control strategy based on inverter-side current closed-loop and capacitor current feed-forward was proposed, controling the grid-side current indirectly through the inverter-side current. With the proposed control strategy, system stability and unity power factor are ensured, at the same time, no additional sensors are needed, making equipment costs reduced and reliability enhanced. Effectiveness and feasibility of the proposed strategy are validated by both the simulation and experiment results. KEY WORDS: grid-connected inverter; LCL filter; system stability; power factor; current estimation 摘要：并网逆变器用LCL输出滤波器是一个三阶多变量系统，给控制系统设计提出了更高的要求。针对该问题，提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，通过逆变器侧电流间接控制并网电流。该控制策略能够保证系统稳定和单位功率因数运行，并且整个控制过程无需增加额外的传感器，降低了系统成本，增强了系统可靠性。仿真和实验结果验证了提出控制策略的有效性与可行性。 关键词：并网逆变器；LCL滤波器；系统稳定性；功率因数；电流估计 0 引言 随着能源和环境问题的日益严峻，风力发电、光伏发电等新能源并网发电技术越来越受到人们的重视，已经成为能源可持续发展战略的重要组成部分[1-3]。并网逆变器作为发电系统与电网连接的核心装置，直接影响到整个并网发电系统的性能，近年来逐渐成为国内外研究的热点[4-6]。 基金项目：国家自然科学基金项目(50477009)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477009). 并网逆变器传统上采用L滤波器来抑制并网电流中由功率器件通断引入的高次谐波[7-11]，然而，随着逆变器功率等级的提高，特别是在中高功率应用场合，为降低功率器件的应力和损耗，一般选取较低的开关频率，致使网侧电流中的谐波含量增加。要使并网电流满足同样的谐波标准将需要一个较大的电感值。电感值的增加不仅会使网侧电流变化率下降，系统动态性能降低，还会带来体积过大、成本过高等一系列问题。针对上述问题，用LCL 滤波器代替L滤波器成为近年来相当有吸引力的解决方案[12-16]。LCL滤波器的阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高，阻抗越小，因此对电流高次谐波有更强的抑制能力。为此，在相同的谐波标准下LCL滤波器的应用可以降低总的电感取值，在大中功率应用场合，其优势尤为明显。但是，LCL滤波器是一个三阶多变量系统，给控制系统设计提出了更高的要求。如果直接采用典型的并网电流闭环的控制策略，系统是不稳定，的且不利于功率开关的保护[17]。文献[13]忽略滤波电容支路的影响，认为网侧电流和逆变器侧电流近似相等，采取逆变器侧电流闭环的控制策略，该策略易于系统稳定，且可以更为有效地保护功率开关，但电容支路的分流作用会使得系统功率因数降低。文献[16]提出采用逆变器侧电流和网侧电流加权平均值闭环的控制策略，系统稳定且在一定程度上提高了系统功率因数，然而加权平均电流和并网电流之间仍有相角差，并未彻底解决功率因数降低的问题。 本文提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，利用逆变器侧电流间接控制并网电流。电容电流通过估算获得，减少了电流传感器的数量，节约了系统成本，增强了系统可靠性。最后，通过仿真和实验对提出的控制
1、模拟滤波器设计流程 模拟滤波器设计流程——（一）基本概念 预备知识 基本的电子电路常识，信号与系统中的频域，零极点，传递函数，拉普拉施变换等概念。 一．模拟滤波器分类 由于知识所限，这里我们只谈谈模拟滤波器。从频域上可以划分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器和全通滤波器等。 这种划分方式便于做系统模型分析。而按照应用来划分不外乎就是滤波，均衡，延时等。按照应用来划分的方式不是很容易说清楚，因 此我们还是应当将应用指标要求对应到不同的滤波器类型上面。 二．设计模拟滤波器 怎样设计？需要指标要求，而指标的获得应该是从系统划分开始。对于滤波器的性能指标要求，系统往往会给出一个底线。 系统仿真在这一步尤为关键，系统仿真不仅可以给出滤波器的指标，也可以验证不同类型滤波器对性能的影响。如果能够使用matlab 作为仿真工具，这一步就会变得很简单，simulink提供了不同类型滤波器的model，直接调用就可以了。当然，如果你对各种类型滤 波器的优缺点非常了解，那就很容易确定适合的滤波器类型了，后面的事就是具体的电路实现，这里不再详述。不过能够做一下系统仿 真要更保险一点，毕竟在后期电路实现的时候还会出现很多非理想因素，如果前期能购通过系统仿真为各个模块指标留出足够的裕量， 这是是很明智的。 三．模拟滤波器类型 上面说的是如何选择滤波器的方法，那么各种类型的滤波器在指标和性能上又有什么区别呢？第一步，我们首先要了解滤波器的关键指 标有哪些.。 性能指标包括两方面的内容：频域上我们关心的是截止频率fc，3dB带宽BW，中心频率f0，带外抑制度（阻带衰减），通频带纹波等； 时域上有冲激响应，阶越响应，群时延等等。不同类型的滤波器性能优缺点就表现为其中的几项。应用的需求可以直接反映为对截止频率，阻带频率，抑制度，以及时延等特性的要求。 预告：后面准备用一个贴对各种类型的滤波器特性做简单的总结和介绍，和滤波器选择方法；再用一个贴介绍我做过的一个滤波器设计 流程。敬请关注! 模拟滤波器设计流程——（二）分类 滤波器设计（on chip）可能算是我这几年工作接触最多的一个方向了。然而到现在我还是觉得很难去给出一个模拟滤波器的基本概括，因为感觉其中涉及的东西太多，自己了解的东西还是太肤浅。 最开始做滤波器的时候比较盲目，领导分配了指标却不知道从何处入手，只能找些参考资料来看看。关于模拟滤波器的分类这一话题，不同的资料有不同的说法，不知道该信谁的，也不知道究竟应该怎样去理解书中的知识，简单概括一下就是“抓瞎”。滤波器的类型，阶次，拓扑结构等等概念经常是混淆不清。当时很多电路感觉都是硬着头皮在做的，好在都还没出什么问题。做多了几次，有些觉悟了，问题还是很多，但对于滤波器也有了点自己的理解方式。 从我的观点来看，理解滤波器的分类首先具备基本的系统设计与信号处理知识。这两个背景知识对于理解滤波器相关概念和设计方法也是非常重要的 书本上经常提到的那些滤波器不外乎有源，无源，低通，高通，带通，带阻等等。有源与无源之分，无非就是看滤波器有无电源供电；而低通，高通等等分类方法，则是根据有用信号所占据的频段来划分的，信号的频段决定了你所选择的滤波器究竟是低通还是高通海市别的什么。 我们常常看到诸如butterworth型，chebychev型等滤波器，关于这种分类方式，以我的理解来看，指的是滤波器的零极点位置；不同的零极点位置决定了滤波器在带外抑制度，（带内/带外）纹波，幅频/相频特性，以及群时延等性能指标。当然掌握这些滤波器的基本特点有利于我们设计电路的时候选择合适的类型。对于不同类型的滤波器，其极点个数
实验六 用窗函数法设计 FIR 滤波器 一、实验目的 (1) 掌握用窗函数法设计FIR 数字滤波器的原理和方法。 (2) 熟悉线性相位FIR 数字滤波器特性。 (3) 了解各种窗函数对滤波特性的影响。 二、实验原理 滤波器的理想频率响应函数为H d (e j ω )，则其对应的单位脉冲响应为： h d (n) = ?-π π ωωωπ d e e H n j j d )(21 窗函数设计法的基本原理是用有限长单位脉冲响应序列h(n)逼h d (n)。由于h d (n)往往是无 限长序列，且是非因果的，所以用窗函数。w(n)将h d (n)截断，并进行加权处理： h(n) = h d (n) w(n) h(n)就作为实际设计的FIR 数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数H(e j ω )为： H(e j ω ) = ∑-=-1 )(N n n j e n h ω 如果要求线性相位特性，则h (n )还必须满足： )1()(n N h n h --±= 可根据具体情况选择h(n)的长度及对称性。 用窗函数法设计的滤波器性能取决于窗函数w(n)的类型及窗口长度N 的取值。设计过程中，要根据对阻带最小衰减和过渡带宽度的要求选择合适的窗函数类型和窗口长度N 。 三、实验步骤 1. 写出理想低通滤波器的传输函数和单位脉冲响应。 2. 写出用四种窗函数设计的滤波器的单位脉冲响应。 3. 用窗函数法设计一个线性相位FIR 低通滤波器，用理想低通滤波器作为逼近滤波器，截止频率ωc =π/4 rad ，选择窗函数的长度N ＝15，33两种情况。要求在两种窗口长度下，分别求出h(n)，打印出相应的幅频特性和相频特性曲线，观察3dB 带宽和阻带衰减； 4 用其它窗函数(汉宁窗(升余弦窗)、哈明窗(改进的升余弦窗)、布莱克曼窗) 设计该滤波器，要求同1；比较四种窗函数对滤波器特性的影响。 四、实验用MATLAB 函数 可以调用MATLAB 工具箱函数fir1实现本实验所要求的线性相位FIR-DF 的设计，调用一维快速傅立叶变换函数fft 来计算滤波器的频率响应函数。
实验六 FIR 数字滤波器的设计 一、实验目的 1．熟悉FIR 滤波器的设计基本方法 2．掌握用窗函数设计FIR 数字滤波器的原理与方法。 二、实验内容 1．FIR 数字滤波器的设计方法 FIR 滤波器的设计问题在于寻求一系统函数)(z H ，使其频率响应)(ωj e H 逼近滤波器要求的理想频率响应)(ωj d e H ，其对应的单位脉冲响应为)(n h d 。 （1）用窗函数设计FIR 滤波器的基本原理 设计思想：从时域从发，设计)(n h 逼近理想)(n h d 。设理想滤波器)(ωj d e H 的单位脉 冲响应为)(n h d 。以低通线性相位FIR 数字滤波器为例。 ?∑--∞-∞=== ππωωωωω πd e e H n h e n h e H jn j d d jn n d j d )(21)()()( (6-1) )(n h d 一般是无限长的，且是非因果的，不能直接作为FIR 滤波器的单位脉冲响应。要想得到一个因果的有限长的滤波器h(n)，最直接的方法是截断)()()(n w n h n h d =，即截取为有限长因果序列，并用合适的窗函数进行加权作为FIR 滤波器的单位脉冲响应。按照线性相位滤波器的要求，h(n)必须是偶对称的。对称中心必须等于滤波器的延时常数，即 ???-==2 /)1()()()(N a n w n h n h d (6-2) 用矩形窗设计的FIR 低通滤波器，所设计滤波器的幅度函数在通带和阻带都呈现出振荡现象，且最大波纹大约为幅度的9%，这个现象称为吉布斯（Gibbs ）效应。为了消除吉布斯效应，一般采用其他类型的窗函数。 （2） 典型的窗函数 ① 矩形窗(Rectangle Window) )()(n R n w N = （6-3）
信息科学与工程学院综合性实验报告 姓名：学号 班级： 实验项目名称： IIR模拟低通滤波器设计 实验项目性质：设计性实验 实验所属课程：数字信号处理 实验室(中心)： 指导教师： 实验完成时间：年月日
一、实验目的 1、加深对无限冲激响应IIR 滤波器的常用指标和设计过程的理解。 2、学会用冲激响应不变法把模拟滤波器设计成数字滤波器。 3、进一步掌握matlab 在数字信号处理中的应用，以便以后的学习。 二、实验内容及要求 实验内容：要求按照设计指标设计无限冲激响应IIR 巴特沃什模拟低通 滤波器。 实验要求：必须掌握IIR 巴特沃什模拟低通滤波器的各个指标代表的含义，搞清 楚次实验的原理，有可能的话，用冲激响应不变法把模拟滤波器设计成数字滤波器。 三、实验原理 1、低通滤波器的技术要求用图形表示如下： 1
如上图表示了一个频域设计、一维低通滤波器的技术要求图。 和 分别称为通带截止频率和阻带截止频率。通带频率范围为 ，阻带频率范围为 。从 到 称为过渡带，用 表示，在过渡带里，幅频特性单调下降。在通带和阻带内的衰减一般用数 dB 表示。 通带内允许最大衰减是 ，阻带内允许最小衰减是 ，定义分别为： 2、 M atlab 信号处理工具箱中提供了设计巴特沃思模拟滤波器的函数buttord 、 buttap 和butter ，格式如下： [,](,,,,C P S P S N W buttord W W R R s ='') 用于计算巴特沃思模拟低通滤波器的阶N 和3dB 截止频率Wc (即本书中的符号c Ω)。其中，Wp 和Ws 分别是滤波器的通带截止频率p Ω和阻止截止频率s Ω，单位为rad/s ；Rp 和Rs 分别是通带最大衰减系数p α和阻带最小衰减系数s α，单位为dB 。 [,,]()z p G buttap N = 用于计算N 阶巴特沃思归一化（c Ω=1）模拟低通滤波器系统函数的零、极点和增益因子，返回长度为N 的向量z 和p 分别给出N 个零点和极点，G 是滤波器增益。得 到的滤波器系统函数形式如下： 1212()()() () ()()()() () a N a a N Q s s z s z s z H s G P s s p s p s p ---= =--- 其中，k z 和k p 分别是向量z 和p 的第k 个元素。如果要从零、极点得到系统函数的分子和分母多项式系数向量B 和A ，可以调用结构转换函数。（实验中没有用到） [,]2(,,)B A zp tf z p G =，结构转换后系统函数的形式为 111111()()()M M M a N N N b s b s b B s H s A s a s a s a ----+ ++== + ++ 其中，M 是向量B 的长度，N 是向量A 的长度，k k b a 和分别是向量B 和A 的第k 个元素。 （3）[,](,,,)C B A butter N W ftype s ='''' p ωs ωp 0ωω≤≤s πωω≤≤p ωs ωω?p αs α p j0 p j (e )20lg (e ) H H ωα=s j0 s j (e )20lg (e ) H H ωα=
实验五 IIR 数字滤波器设计与滤波 1.实验目的 （1）加深对信号采样的理解， （2）掌握滤波器设计的方法； （3）复习低通滤波器的设计。 2．实验原理 目前，设计IIR 数字滤波器的通用方法是先设计相应的低通滤波器，然后再通过双线性变换法和频率变换得到所需要的数字滤波器。模拟滤波器从功能上分有低通、高通、带通及带阻四种，从类型上分有巴特沃兹（Butterworth ）滤波器、切比雪夫（Chebyshev ）I 型滤波器、切比雪夫II 型滤波器、椭圆（Elliptic ）滤波器以及贝塞尔（Bessel ）滤波器等。 典型的模拟低通滤波器的指标如下：,P S ΩΩ分别为通带频率和阻带频率，,P S δδ分别为通带和阻带容限（峰波纹值）。在通带内要求1()1P a H J δ-≤Ω≤,有时指标由通带最大衰减p α和阻带最小衰减s α给出，定义如下：20lg(1)p p αδ=-- 和20lg()s s αδ=- 第二种常用指标是用参数ε和A 表示通带和阻带要求，如图所示： 二者之间的关系为：21/2[(1)1]p εδ-=--和1/s A δ=，根据这几个参数可导出另外两个参数d ，k ，分别称为判别因子和选择性因子。 21d A = - /p s k =ΩΩ
BUTTERWORTH 低通滤波器：幅度平方函数定义为221()1(/)a N c H J Ω=+ΩΩ，N 为滤波器阶数，c Ω为截止频率。当c Ω=Ω 时，有()1/a H J Ω=3DB 带宽。 BUTTERWORTH 低通滤波器系统函数有以下形式： 11111()...() N c a N N N N N k H s s a s a s a k s s --=Ω==++++∏- 由模拟滤波器设计IIR 数字滤波器，必须建立好s 平面和z 平面的映射关系。使模拟系统函数()a H s 变换成数字滤波器的系统函数()H z ，通常采用冲激相应不变法和双线性变换法。冲激相应不变法存在频谱混叠现象，双线性变换法消除了这一线象，在IIR 数字滤波器的设计中得到了更广泛的应用。 s 平面和Z 平面的映射关系为1 121()1s Z s f Z T Z ---==+,将s j =Ω和jw z e =待入数字频率和等效的模拟频率之间的映射关系：tan()2 w Ω=，由于二者不是线性关系，所以称为预畸变。 3.实验内容及其步骤 实验的步骤： （1）给定数字滤波器的幅度相应参数。 （2）用预畸变公式将数字滤波器参数变换为相应的等效模拟滤波器参数。 （3）采用模拟滤波器设计方法设计等效模拟滤波器()a H s （4）采用双线性变换公式把等效模拟滤波器映射为所期望的数字滤波器。 其中第三步中模拟滤波器设计步骤为： 首先，根据滤波器指标求选择因子k 和判别因子d 其次，确定满足技术所需的滤波器阶数N, log log d N k ≥ 再次，设3db 截止频率c Ω
班级： 姓名： 学号： FIR 数字滤波器设计实验报告 一、实验目的 1．掌握FIR 数字滤波器的设计方法； 2．熟悉MATLAB 信号处理工具箱的使用； 3．熟悉利用MATLAB 软件进行FIR 数字滤波器设计，以及对所设计的滤波器 进行分析； 4．了解FIR 滤波器可实现严格线性相位的条件和特点； 5．熟悉FIR 数字滤波器窗函数设计法的MATLAB 设计，并了解利用窗函数法 设计FIR 滤波器的优缺点； 6．熟悉FIR 数字滤波器频率采样设计法的MATLAB 设计，并了解利用频率采 样法设计FIR 滤波器的优缺点； 7．熟悉FIR 数字滤波器切比雪夫逼近设计法的MATLAB 设计，并了解利用切 比雪夫逼近法设计FIR 滤波器的优缺点。 二、实验设备及环境 1．硬件：PC 机一台； 2．软件：MATLAB （6.0版以上）软件环境。 三、实验内容及要求 1．实验内容：基于窗函数设计法、频率采样设计法和切比雪夫逼近设计法，利用MATLAB 软件设计满足各自设计要求的FIR 数字低通滤波器，并对采用不同设计法设计的低滤波器进行比较。 2．实验要求： （1）要求利用窗函数设计法和频率采样法分别设计FIR 数字低通滤波 器，滤波器参数要求均为：0.3c w π=。其中，窗函数设计法要求分别利用矩形窗、汉宁窗和布莱克曼窗来设计数字低通滤波器，且 21N ≥,同时要求给出滤波器的幅频特性和对数幅频特性； 频率
采样法要求分别利用采样点数21N =和63N =设计数字低通滤波器，同时要求给出滤波器采样前后的幅频特性，以及脉冲响应及对数幅频特性。 （2）要求利用窗函数设计法和切比雪夫逼近法分别设计FIR 数字低通 滤波器，滤波器参数要求均为： 0.2π, 0.25dB, 0.3π, 50dB p p s s ωαωα==== 其中，窗函数设计法要求利用汉明窗来设计数字低通滤波器，且 66N ≥，同时要求给出滤波器理想脉冲响应和实际脉冲响应，汉 名窗和对数幅频特性； 切比雪夫逼近法要求采用切比雪夫Ⅰ型，同时要求给出滤波器的脉冲响应、幅频特性和误差特性。 （3）将要求（1）和（2）中设计的具有相同参数要求，但采用不同设 计方法的滤波器进行比较，并以图的形式直观显示不同设计设计方法得到的数字低通滤波器的幅频特性的区别。 四、实验步骤 1．熟悉MATLAB 运行环境，命令窗口、工作变量窗口、命令历史记录窗口，FIR 常用基本函数； 2．熟悉MATLAB 文件格式，m 文件建立、编辑、调试； 3．根据要求（1）的内容，设计FIR 数字低通滤波器，建立M 文件，编写、调试、运行程序； 4．根据要求（2）的内容，设计FIR 数字低通滤波器，建立M 文件，编写、调试、运行程序； 5．将要求（1）和（2）中设计的具有相同参数要求，但采用不同设计方法的滤波器进行比较分析； 6．记录实验结果； 7．分析实验结果； 8．书写实验报告。 五、实验预习思考题 1．FIR 滤波器有几种常用设计方法？这些方法各有什么特点？
数字信号课程设计 课程名称数字信号处理课程设计 实验项目模拟滤波器设计演示的软件实现实验仪器计算机 学院/系别通信工程 班级/学号 学生姓名 实验日期 成绩 指导教师
题目四模拟滤波器设计演示的软件实现 一．设计目的 ①熟悉和巩固模拟滤波器的设计方法和原理； ②熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用； ③熟练掌握模拟滤波器的设计及由ALPF到各型模拟滤波器的幅频特性对比。二．设计内容 ①动态演示由ALPF到模拟各型滤波器幅度特性曲线； ②分析并说明由冲击响应不变法设计BSF和HPF加保护滤波器的必要性。 三、设计要求 ①理论分析B型ALPF的设计及由ALPF到模拟各型滤波器的设计过程； ②动态演示由ALPF到模拟各型滤波器幅度特性曲线； ③通带、过渡带和阻带分别用不同的颜色； ④分析并说明由冲击响应不变法设计BSF和HPF加保护滤波器的必要性。 四、实验仪器 计算机1台，安装MATLAB软件 五、实验步骤 ①设计过程详见教材相关内容； ②使用巴特沃斯滤波器，其阶数N应该根据实际参数计算（计算公式和方法如教材所述），为方便作图，这里指定阶数为N=5，并假定通带截止频率ωp=1rad，阻带截止频ωs=2 rad，； ③分别用不同颜色曲线绘制通带、过渡带和阻带。要求根据变换关系动态 演示低通滤波器和目标滤波器的幅度特性。 ④简要说明采用冲击响应不变法对AHPF和ABSF数字化时保护滤波器的作用。
摘要 MATLAB是“矩阵实验室”（MATrix LABoratoy）的缩写，是一种科学计算软件，主要适用于矩阵运算及控制和信息处理领域的分析设计，它使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富。 本课题在设计模拟滤波器的过程中，首先对设计的原理及方法做了非常详细的分析，特别是在设计高通滤波器的过程中，利用现有低通滤波器的系统函数，在经过简单的转化之后，可以直接设计出这种滤波器，但在实际手工计算中特别麻烦，所以本实验全是利用MATLAB的中设计滤波器专用工具箱，在对低通的技术指标确定之后，通过调用buttord、butter等函数，实现了对巴特沃斯模拟低通滤波器的设计，通过调用lp2hp、lp2bp、lp2bs等函数实现了从模拟低通到高通的转化，并对图形做了对比分析 关键词：MATLAB；滤波器；巴特沃斯；系统函数
实验二IIR数字滤波器的设计 实验内容及步骤: 数字滤波器的性能指标：通带临界频率fp、阻带临界频率fr；通带内的最大衰减Ap；阻带内的最小衰减Ar；采样周期T； (1)、fp=0.3KHz,Ap=0.8dB, fr=0.2KHz,Ar=20dB,T=1ms；设计一Chebyshev高通滤波器；观察其通带损耗和阻带衰减是否满足要求。 程序如下： fp=300; fr=200; Ap=0.8; Ar=20; T=0.001;fs=1/T; wp=2*pi*fp*T; wr=2*pi*fr*T; Wp=2/T*tan(wp/2); Wr=2/T*tan(wr/2); [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Wr,Ap,Ar,'s'); [B,A] = cheby1(N,Ap,Wn,'high','s'); [num,den]=bilinear(B,A,1/T); [h,w]=freqz(num,den); plot(w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h))); %衰减及频率都用归一化的1为单位显示axis([0,500,-30,0]); title('Chebyshev高通滤波器'); xlabel('频率'); ylabel('衰减'); grid on; 根据下图知道通带损耗与阻带衰减满足要求
(2)、fp=0.2KHz,Ap=1dB, fr=0.3KHz,Ar=25dB,T=1ms；分别用脉冲响应不变法及双线性变换法设计一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。 程序如下： fp=200; fr=300; Ap=1;Ar=25; T=0.001;fs=1/T; wp=2*pi*fp*T; wr=2*pi*fr*T; Wp=2/T*tan(wp/2); Wr=2/T*tan(wr/2); [N,Wn]=buttord(Wp,Wr,Ap,Ar,'s'); [B,A] = butter(N,Wn,'s'); [num1,den1]=impinvar(B,A,1/T); %脉冲响应不变法得出设计的传递函数 [num2,den2]=bilinear(B,A,1/T); %双线性变换法得出设计的传递函数[h1,w]=freqz(num1,den1); plot(w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h2)),w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h1)), 'r.');grid on; %衰减及频率都用归一化的1为单位显示 axis([0,500,-30,0]); title('Butterworth低通滤波器（红线—脉冲响应不变法蓝线—双线性变换法）'); xlabel('?μ?ê');