数字信号处理第七章2窗函数设计法

《数字信号处理》课程教学大纲课程编码：课程名称：数字信号处理英文名称： Digital signal processing适用专业：物联网工程先修课程：复变函数、线性代数、信号与系统学分：2总学时：48实验（上机）学时：0授课学时：48网络学时：16一、课程简介《数字信号处理》是物联网工程专业基础必修课。

主要研究如何分析和处理离散时间信号的基本理论和方法，主要培养学生在面对复杂工程问题时的分析、综合与优化能力，是一门既有系统理论又有较强实践性的专业基础课。

课程的目的在于使学生能正确理解和掌握本课程所涉及的信号处理的基本概念、基本理论和基本分析方法，来解决物联网系统中的信号分析问题。

培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。

助力学生树立正确的价值观，培养思辨能力、工程思维和科学精神。

培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

它既是学习相关专业课程设计及毕业设计必不可少的基础，同时也是毕业后做技术工作的基础。

二、课程目标和任务1.课程目标课程目标1（CT1）:运用时间离散系统的基本原理、离散时间傅里叶变换、Z变换、离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换(FFT)、时域采样定理和频域采样定理等工程基础知识，分析物联网领域的复杂工程问题。

培养探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感[课程思政点1]。

助力学生树立正确的价值观，培养思辨能力、工程思维和科学精神[课程思政点2]。

课程目标2 （CT2）:说明利用DFT对模拟信号进行谱分析的过程和误差分析、区分各类网络的结构特点；借助文献研究运用窗函数法设计具有线性相位的FIR数字滤波器，分析物联网领域复杂工程问题解决过程中的影响因素，从而获得有效结论的能力。

培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[课程思政点3]。

2.课程目标与毕业要求的对应关系三、课程教学内容第一章时域离散信号与系统（1）时域离散信号表示；（2）时域离散系统；（3）时域离散系统的输入输出描述法；*（4）模拟信号数字处理方法；教学重点：数字信号处理中的基本运算方法，时域离散系统的线性、时不变性及系统的因果性和稳定性。

《数字信号处理》课程教学大纲（Digital Signal Processing）编写单位：计算机与通信工程学院计算机科学与系（教研室）编写时间：2021 年 7 月《数字信号处理》课程教学大纲一、基本信息课程名称：数字信号处理英文名称：Digital Signal Processing课程类别：专业教育课程课程性质：选修课课程编码：08100J0257学分：2总学时：32学时。

其中，讲授学时20学时，实验学时12，上机学时0适用专业：计算机科学与技术、计算机科学与技术专业卓越工程师先修课程与知识储备：人工智能基础、信号与系统、MATLAB建模与仿真技术二、课程简介：该课程系统介绍了数字信号z域分析技术z变换，数字信号连续w域分析技术DTFT，数字信号离散w域分析技术DFT，以及数字IIR滤波和FIR滤波器的设计方法及实现结构。

通过本课程学习，学生能够掌握数字信号处理的基本原理和技术，为学习后续专业课程和从事数字信号处理算法研究及其工程实现技术打好基础。

三、教学目标1、课程思政教学目标：通过数字信号处理技术在国家民众生产生活中的影响，培养学生的爱国意识和对新技术的研究探索精神。

2、课程教学总目标：使学生掌握数字信号处理的基本分析方法和分析工具，为从事通信、信息或信号处理等方面的研究工作打下基础。

3、课程目标与学生能力和素质培养的关系：课程思政目标将科学研究精神与爱国主义有机融合，有利于培养德才兼备的通信专业人才；课程教学目标使学生掌握数字信号处理的分析和研究方法，培养学生独立分析问题与解决问题的能力，提高科学素质。

四、课程内容及学时分配本课程内容、建议学时以及知识单元如表1所示。

表1 课程内容及学时分配五、教学方法及要求1、教学方法要求要求任课教师具有通信工程专业背景；严格按照教学大纲执行教学计划，教材选择贴合教学大纲，体现教学目标；采用线上+线下混合式教学，课堂教学结合图形动画视频等多媒体资源，调动学生多种学习感官；课后利用微信、QQ、网络教学平台等多种线上资源，扩大学生的学习空间和形式；并通过一定的上机操作提高学生的动手实践能力，进一步加深理论知识；在讲授过程中，淡化公式推导，注重物理意义，去繁求简，抓住主线，由点到线，由线到面。

数字信号处理课程设计课题：基于窗函数设计法线性相位型FIR数字低通滤波器设计学院：专业：学生姓名：指导老师：起止时间：目录内容概述……………………………………….. 题目要求细则………………………………………设计原理…………………………………………设计过程………………………………………实验结果及分析………………………………………实验心得…………………………………………参考文献………………………………………源代码………………………………………【内容概述】FIR 数字滤波器设计最简单的方法是窗函数法，通常也称之为傅里叶级数法。

它是在属于进行的，因而必须由理想滤波器的频率响应)(ωj d e H 推导出其单位冲击响应)(n h d ，再设计一个FIR 数字滤波器的单位冲击响应)(n h 去逼近)(n h d 。

窗函数设计法的基本原理是用一定宽度窗函数截取无限脉冲响应序列获得有限长的脉冲响应序列,先通过傅里叶逆变换获得理想滤波器的单位脉冲响应hd(n)。

再由性能指标确定窗函数W(n)和窗口长度N 。

最后求得实际滤波器的单位脉冲响应h(n)。

窗函数在设计FIR 数字滤波器中有很重要的作用，正确的选择窗函数可以提高所涉及的数字滤波器的性能，或者在满足设计要求的情况下，减小FIR 数字滤波器的阶数。

【题目要求细则】基于窗函数设计法线性相位型FIR数字低通滤波器设计目的：①熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；②熟练掌握窗函数法设计线性相位型FIR滤波器的方法。

要求：①根据给定ALPF幅频特性指标，生成与之相对应的模拟滤波器h(t)；②根据h(t)取得与之相对应的数字滤波器冲击响应函数h(n)；③选择适当的窗函数，构建线性相位型FIR的冲击响应函数hd(n)；④设计与之相对应的DLPF，对比分析DLPF幅频特性是否符合要求；⑤产生一个有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果。

窗函数法设计FIR滤波器实验报告实验一窗函数法设计FIR滤波器数字滤波是数字信号处理的一种重要算法，广泛用于对信号的过滤、检测与参数的估计等信号处理中。

数字滤波器是使用最为广泛的装置，在工业、农业和其他行业均有应用数字滤波器按其单位脉冲响应的长度可分为有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器两类。

FIR 滤波器的线性与稳定性使其应用更为广泛。

1.FIR滤波器数字滤波器是一个能够完成特定任务的离散时间系统,它可以利用有限精度算法来实现。

当采用一个因果稳定的离散线性移不变系统的系统函数去逼近滤波器所要求的性能指标时,由于系统函数有无限长单位冲激响应(IIR)系统函数和有限长单位冲激响应(FIR)系统函数两种,相应地数字滤波器也就有无限长单位冲激响应(IIR)滤波器和有限长单位冲激响应(FIR)滤波器两种。

FIR 滤波器的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数的问题,设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。

FIR 滤波器的基本结构可以理解为一个分节的延时线,把每一节的输出加权累加,可得到滤波器的输出。

FIR 滤波器的冲激响应h(n)是有限长的,数学上M阶FIR 滤波器可以表示为:y（n) = ∑h(i)x(n-i) （1）其系统函数为：H (z) =Y(Z)/X(Z)=∑b(n)z-n （2）2.窗函数法窗函数是一种用一定宽度窗函数截取无限长脉冲响应序列获取有限长脉冲响应序列的设计方法。

而其设计FIR 滤波器的基本思想: 根据给定的滤波器技术指标选取滤波器长度N和窗函数wd(n), 使其具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣。

其核心是从给定的频率特性, 通过加窗确定有限长单位脉冲响应序列h(n)即实际滤波器的系数向量, 其是由理想滤波器脉冲响应hd(n)与窗函数函数hd(n)相乘得到。

工程上常用的窗函数有5种：矩形窗（Rectangular Window),三角窗（Triangular Window),汉宁窗（Hanning),汉明窗（Hanming)和凯泽窗（Kaiaser-Bassel Window)。

成绩：《数字信号处理》作业与上机实验（第二章）班级：学号：姓名：任课老师：完成时间：信息与通信工程学院2014—2015学年第1 学期第7章有限脉冲响应数字滤波器设计1、教材p238：19.设信号x(t) = s(t) + v(t),其中v(t)是干扰，s(t)与v(t)的频谱不混叠，其幅度谱如题19图所示。

要求设计数字滤波器,将干扰滤除，指标是允许|s(f)|在0≤f≤15 kHz频率范围中幅度失真为±2%（δ1 = 0.02）;f > 20 kHz,衰减大于40 dB（δ2=0.01）;希望分别设计性价比最高的FIR和IIR两种滤波器进行滤除干扰。

请选择合适的滤波器类型和设计方法进行设计，最后比较两种滤波器的幅频特性、相频特性和阶数。

题19图(1)matlab代码：%基于双线性变换法直接设计IIR数字滤波器Fs=80000;fp=15000;fs=20000;rs=40;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;Rp=-20*log10(1-0.02);As=40;[N1,wp1]=ellipord(wp/pi,ws/pi,Rp,As);[B,A]=ellip(N1,Rp,As,wp1);[Hk,wk1]=freqz(B,A,1000);mag=abs(Hk);pah=angle(Hk);%窗函数法设计FIR 数字滤波器 Bt=ws-wp;alph=0.5842*(rs-21)^0.4+0.07886*(rs-21); N=ceil((rs-8)/2.285/Bt); wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N,wc,kaiser(N+1,alph)); M=1024;Hk=fft(hn,M); k=0:M/2-1;wk=(2*pi/M)*k;%画出各种比较结果图 figure(2);plot(wk/pi,20*log10(abs(Hk(k+1))),':','linewidth',2.5); hold onplot(wk1/pi,20*log10(mag),'linewidth',2); hold offlegend('FIR 滤波器','IIR 滤波器');axis([0,1,-80,5]);xlabel('w/\pi');ylabel('幅度/dB'); title('损耗函数'); figure(3)plot(wk/pi,angle(Hk(k+1))/pi,':','linewidth',2.5); hold onplot(wk1/pi,pah/pi,'linewidth',2); hold offlegend('FIR 滤波器','IIR 滤波器');xlabel('w/\pi');ylabel('相位/\pi'); title('相频特性曲线');(2)两种数字滤波器的损耗函数和相频特性的比较分别如图1、2所示：图1 损耗函数比较图 图2 相频特性比较图0.10.20.30.40.50.60.70.80.91-80-70-60-50-40-30-20-100w/π幅度/d B损耗函数FIR 滤波器IIR 滤波器0.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81w/π相位/π相频特性曲线FIR 滤波器IIR 滤波器(3)IIR数字滤波器阶数：N=5FIR数字滤波器阶数：N=36(4)运行结果分析：由图2及阶数可见，IIR阶数低得多，但相位特性存在非线性失真，FIR具有线性相位特性。

实验四 用窗函数设计FIR 滤波器一、 实验目的1、熟悉FIR 滤波器设计的基本方法。

2、掌握用窗函数设计FIR 数字滤波器的原理及方法，熟悉相应的计算机高级语言编程。

3、熟悉线性相位FIR 滤波器的幅频特性和相位特性。

4、了解各种不同窗函数对滤波器性能的响应。

二、 实验原理和方法窗函数法设计的任务在于寻找一个可实现有限长单位脉冲响应的传递函数H(e jw )=∑-=10N n h(n)e -jwn 去逼近h d (n)=1/2π⎰π20H d (e jw )e jwn dw即h(n)=h d (n)w （n ） (一)几种常用的窗函数1、矩形窗 w(n)=R N (n)2、Hanning 窗 w(n)=0.5[1-cos(2πn ／N-1)]R N (n)3、Hamming 窗 w(n)=[0.54-0.46cos(2πn ／N-1)]R N (n)4、Blackman 窗 w(n)=[0.42-0.5 cos(2πn ／N-1)+0.08 cos(4πn ／N-1)] R N (n)5、Kaiser 窗 w(n)=I 0(β（1-[(2n ／(N-1))-1]2）½)／I 0(β）（二）窗函数法设计线性相位FIR 滤波器的步骤1、确定数字滤波器的性能要求。

确定各临界频率{w k }和滤波器单位脉冲响应长度N 。

2、根据性能要求和N 值，合理地选择单位脉冲响应h(n)有奇偶对称性，从而确定理想频率响应h d (e jw )的幅频特性和相位特性。

3、用傅里叶反变换公式求得理想单位脉冲响应h d (n)。

4、选择适当的窗函数W （n ），求得所设计的FIR 滤波器单位脉冲响应。

5、用傅里叶变换求得其频率响应H (e jw )，分析它的幅频特性，若不满足要求，可适当改变窗函数形式或长度N ，重复上述过程，直至得到满意的结果。

三、实验内容和步骤1、分别用矩形窗、Hanning 窗、Hamming 窗、Blackman 窗、Kaiser 窗（β=8.5）设计一个长度N=8的线性相位FIR 滤波器。

XXXX大学课程设计报告学生姓名：xxx 学号：xxx专业班级：电子信息工程课程名称：数字信号处理课程设计学年学期20XX——20XX 学年第X学期指导教师：xxx2014年6月课程设计成绩评定表目录1. 窗函数设计低通滤波器1.1设计目的 (1)1.2设计原理推导与计算 (1)1.3设计内容与要求 (2)1.4设计源程序与运行结果 (3)1.5思考题 (10)2. 用哈明窗设计FIR带通数字滤波器2.1设计要求 (14)2.2设计原理和分析 (14)2.3详细设计 (15)2.4调试分析及运行结果 (15)2.5心得体会 (17)参考文献 (17)1.窗函数设计低通滤波器1.1设计目的1. 熟悉设计线性相位数字滤波器的一般步骤。

2. 掌握用窗函数法设计FIR 数字滤波器的原理和方法。

3. 熟悉各种窗函数的作用以及各种窗函数对滤波器特性的影响。

4. 学会根据指标要求选择合适的窗函数。

1.2设计原理推导与计算如果所希望的滤波器的理想的频率响应函数为()ωj d e H ，则其对应的单位脉冲响应为()()ωπωωππd e e H n h j j d d ⎰-=21（4.1） 窗函数设计法的基本原理是设计设计低通FIR 数字滤波器时，一般以理想低通滤波特性为逼近函数()ωj e H ，即()⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤=-πωωωωωαωc c j jd ，，ee H 0,其中21-=N α()()()[]()a n a n d e e d e eH n h c j j j j d d cc--===⎰⎰---πωωπωπωαωωωαωππωsin 2121用有限长单位脉冲响应序列()n h 逼近()n h d 。

由于()n h d 往往是无限长序列，而且是非因果的，所以用窗函数()n ω将()n h d 截断，并进行加权处理，得到： ()()()n n h n h d ω= （4.2）()n h 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()ωj e H 为()()nj N n j en h eH ωω∑-==1（4.3）式中，N 为所选窗函数()n ω的长度。

第７章 滤波器的设计方法教学目的1．掌握由连续时间滤波器设计离散时间IIR 滤波器的方法，包括冲激响应不变法，双线性变换法等；2．了解常用的窗函数，掌握低通IIR 滤波器的频率变换法、用窗函数法设计FIR 滤波器的方法；3．掌握FIR 滤波器的逼近原理与设计方法。

教学重点与难点重点：本章是本课程的重中之重，滤波器的设计是核心内容之一。

1．连续时间滤波器设计离散时间IIR 滤波器的方法，包括冲激响应不变法，双线性变换法等；2．常用的窗函数，掌握低通IIR 滤波器的频率变换法、用窗函数法设计FIR 滤波器的方法；3．掌握FIR 滤波器的逼近原理与设计方法。

难点：1. 冲激响应不变法，双线性变换法2. 用窗函数法设计FIR 滤波器 FIR 滤波器的逼近原理与设计方法 7.0 基本概念选频滤波器的分类数字滤波器是数字信号处理的重要基础。

在对信号的过滤、检测与参数的估计等处理中, 数字滤波器是使用最广泛的线性系统。

数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统。

它将输入的数字序列通过特定运算转变为输出的数字序列。

因此， 数字滤波器本质上是一台完成特定运算的数字计算机。

我们已经知道，一个输入序列x (n )，通过一个单位脉冲响应为h (n )的线性时不变系统后，其输出响应y (n )为将上式两边经过傅里叶变换，可得式中，Y (e j ω)、X (e j ω)分别为输出序列和输入序列的频谱函数， H (ej ω)是系统的频率响应函数。

可以看出，输入序列的频谱X (e j ω)经过滤波后，变为X (e j ω)H (e j ω)。

如果|H (e j ω)|的值在某些频率上是比较小的，则输入信号中的这些频率分量在输出信号中将被抑制掉。

因此，只要按照输入信号频谱的特点和∑∞-∞=-=*=n m n x m h n h n x n y )()()()()()()()(ωωωj j j e H e X e Y =处理信号的目的，适当选择H (ej ω)，使得滤波后的X (e j ω)H (e j ω)符合人们的要求，这就是数字滤波器的滤波原理。

利用窗函数法设计FIR 滤波器一．要求用窗函数法设计线性相位FIR 低通滤波器，通带截止频率0.5 ，阻带频率0.9 ，通带允许的最大衰减5dB ，阻带衰减不小于40dB 。

二． 设计原理1．线性相位FIR 数字滤波器对于长度为N 的h(n)，频率响应函数为()()1N jwjw nn H e h n e--==∑ ()()()gj w jwH eH eθω=式中，()gH ω称为相位特性；()w θ为相位特性注意，这里()gH ω不用于|()jw H e |，()gH ω为w 的实函数，可能取负值，而|()jwH e| 总是正值。

线性相位FIR 滤波器是指()w θ是w 的线性函数，即()w θτω=- τ为常数 ① 如果 满足下式：()0w θθτω=- 0θ是起始相位 ②严格地说，此时 不具有线性相位特性，但以上两情况都满足群延时是一个常数，即()d d θωτω-=也称这种情况为线性相位。

一般称满足①式是第一类线性相位；满足②式为第二类线性相位。

是第二类线性相位特性常用的情况。

2．窗函数设计原理设数字滤波器的传输函数为()j H e ω,()dh n 是与其对应的单位脉冲响应,()H z为系统函数。

()()1N jwjw nn H eh n e--==∑ ①()()12d jwjw nh n H eed ππωπ-=⎰ ②()()1N nn H z h n z ---=∑ ③一般说来,()d h n 是无限长的,需要求对()j H e ω的一个逼近。

采用窗函数设计法时,可通过对理想滤波器的单位采样响应加窗设计滤波器()()()d H n n h n ω=④其中, ()n ω是一个长度有限的窗,在区间0 ≤ n ≤ N 外值为0 ,且关于中间点对称()()1n N n ωω=--⑤频率响应根据式3-5 ,由卷积定理得出()()()12d j j i H eH ee ωωωωπ=∙ ⑥理想的频率响应被窗函数的离散时间傅立叶变换()i e ωω “平滑”了。

数字信号处理Digital Signal Processing主讲人：陈后金电子信息工程学院窗函数法设计线性相位FIR滤波器◆设计原理◆设计方法◆窗口选择◆设计举例1．由H d (e j W )确定FIR DF 的类型和幅度函数A d (W )2．根据类型确定线性相位FIR 滤波器的相位ϕd (W )ϕd (W )= -0.5M W +b (b = 0或p/2)3．根据A d (W )和ϕd (W )通过IDTFT 求解h d [k ]d πj ()j d d π1[]()e e d 2πk h k A ϕW WW W -=⎰4．加窗截短h d [k ]，得到有限长因果序列h [k ]h [k ]=h d [k ]w N [k ]窗函数法设计线性相位FIR 滤波器举例解：(1) 确定线性相位FIR 滤波器类型，选用I 型(2) 根据类型确定理想滤波器的相位ϕd (W )c1c2d 1 π()0 A W W W W ⎧≤≤≤=⎨⎩其他ϕd (W )= -0.5M WW(e j W )BPH1-pp-W c2-W c1W c1W c2确定理想滤波器的幅度函数A d (W )M 为偶数线性相位FIR 滤波器。

W c1=0.4p rad ，W c2=0.6p rad , 矩形窗实现解：d πj ()j d d π1[]()e e d 2πk h k A ϕW WW W -=⎰(3) 计算IDTFT 得h d [k ]W W W W W W W W d e π21d e π21)5.0(j )5.0(j c21c 1c 2c M k M k ----⎰⎰+=(4) 加窗截短h d [k ]得d []][][N h k w h k k =长度为N 的窗函数线性相位FIR 滤波器。

W c1=0.4p rad ，W c2=0.6p rad , 矩形窗实现c2c1c2c1Sa[(0.5)]Sa[(0.5)]ππk M k M =---W W W W解：W(e j W)BPH1-p p-0.6p -0.4p 0.4p 0.6p ϕd (W )= -15WM =30线性相位FIR 滤波器。