實(shí)驗(yàn)六IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及應(yīng)用.doc

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本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告 學(xué)號 ********************** 姓名 **************** 學(xué)院 物電學(xué)院 專業(yè)、班級 *************** 實(shí)驗(yàn)課程名稱 數(shù)字信號分析與處理 教師及職稱 *************** 開課學(xué)期 2015 至 2016學(xué)年 上 學(xué)期 填報時間 2016 年 5 月 12 日 云南師范大學(xué)教務(wù)處編印 一、驗(yàn)設(shè)計方案 實(shí)驗(yàn)序號 實(shí)驗(yàn)六 實(shí)驗(yàn)名稱 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)時間 2016/5/12 實(shí)驗(yàn)室 同析樓三棟313實(shí)驗(yàn)室 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 加深理解IIR數(shù)字濾波器的特性，掌握IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計原理與設(shè)計方法，以及IIR數(shù)字濾波器的應(yīng)用。 2． 實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)流程或裝置示意圖 【例2.3.1】 設(shè)計一個數(shù)字濾波器，要求在0~0.2（rad）內(nèi)衰耗不大于3dB，在0.6~ （rad）內(nèi)衰耗不小于60dB。 [解] 若模擬低通濾波器原型采用巴特沃思濾波器： [N,Wc]=buttord(0.2,0.6,3,60); [b,a]=butter(N,Wc); reqz(b,a);axis([0,1,-120,0]); 設(shè)計結(jié)果如圖2.3.1所示。可見IIR是數(shù)字濾波器相位為非線性。 圖2.3.1 Buttertworth低通濾波器 【例2.3.2】 設(shè)計一個數(shù)字帶通濾波器，要求在100~200Hz通帶內(nèi)紋波不大于3dB，通帶兩邊各50Hz外是阻帶，衰耗不小于40dB。抽樣頻率為1000Hz。 [解] Wp=[100 200]/500;Ws=[100-50 200+50]/500; Rp=3;Rs=40; [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs); [b,a]=cheby1(N,Rp,Wn); freqz(b,a,512,1000); title(chebyshev Type I Bandpass Filter); axis([0,500,-80,0]); 設(shè)計結(jié)果如圖2.3.2所示。 圖2.3.2 Chebyshey I型濾波器 3．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料 計算機(jī)，MATLAB軟件 4．實(shí)驗(yàn)方法步驟及注意事項(xiàng) 注意事項(xiàng)： （1） 在使用MATLAB時應(yīng)注意中英輸入法的切換，在中文輸入法輸入程序時得到的程序是錯誤的； （2） MATLAB中兩個信號相乘表示為x.*u,中間有個‘.’，同樣兩個信號相除也是如此； （3） 使用MATLAB編寫程序時，應(yīng)新建一個m文件，而不是直接在Comandante窗口下編寫程序； （4） 在使用ＭＡＴＬＡＢ編程時，應(yīng)該養(yǎng)成良好的編寫習(xí)慣。 5．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法 圖像法 、比較法 6．參考文獻(xiàn) 《信號分析與處理》 《MATLAB數(shù)值計算與方法》 二、報告 1．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 第一題（1） 實(shí)驗(yàn)程序代碼 k=0:100; x=cos(pi*k/4)+cos(2*pi*k/3)+1; [n,wc]=buttord(1/4,2/3,0.7,20); [b,a]=butter(n,wc,low); freqz(b,a); 濾波器階數(shù) n=3,wc=0.4316； 系統(tǒng)函數(shù) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果圖如6.1所示 圖6.1 第一題（1）濾波器的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng) 第一題（2） 實(shí)驗(yàn)程序代碼 k=0:100; x=cos(pi*k/4)+cos(2*pi*k/3)+1; [n,wc]=buttord(2/3,1/4,0.7,20) [b,a]=butter(n,wc,high) freqz(b,a); 濾波器階數(shù) n=3,wc=0.4633； 系統(tǒng)函數(shù) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果圖如6.2所示 圖6.2 第一題（2）濾波器的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng) 第一題（3） 實(shí)驗(yàn)程序代碼 k=0:100; x=cos(pi*k/4)+cos(2*pi*k/3)+1; [n,wc]=buttord([0.2 0.3],[0.1 0.4],0.7,20) [b,a]=butter(n,wc,bandpass) freqz(b,a); 濾波器階數(shù) n=4;wc=0.1797 0.3302; 系統(tǒng)函數(shù) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果圖如6.3所示 圖6.3 第一題（3）濾波器的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng) 第一題（4） 實(shí)驗(yàn)程序代碼 k=0:100; x=cos(pi*k/4)+cos(2*pi*k/3)+1; [n,wc]=buttord([0.1 0.4],[0.2 0.3],0.7,20) [b,a]=butter(n,wc,stop) freqz(b,a); 濾波器階數(shù)n=4;wc= 0.1707 0.3453; 系統(tǒng)函數(shù) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果圖如6.4所示 圖6.4 第一題（4）濾波器的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng) 第二題（1） 脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計巴特沃斯型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=buttord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=butter(N,Wc,bandpass); [d,f]=impinvar(b,a,Fs); title(Butterworth Bandpass Filter); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.5所示 圖6.5 第二題（1）脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計巴特沃斯型濾波器 第二題（1） 脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計切比雪夫I型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=cheb1ord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=cheby1(N,Ap,Wc,bandpass); [d,f]=impinvar(b,a,Fs); title(chebychev Type I Bandpass Filter); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.6所示 圖6.6 第二題（1）脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計切比雪夫I型濾波器程序 第二題（1） 脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計切比雪夫Ⅱ型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=cheb2ord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=cheby2(N,Ap,Wc,bandpass); [d,f]=impinvar(b,a,Fs); title(chebychev Type II Bandpass Filter); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.7所示 圖6.7 第二題（1）脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計切比雪夫II型濾波器程序 第二題（1） 脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=ellipord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=ellip(N,Ap,As,Wc,bandpass); [d,f]=impinvar(b,a,Fs); title(); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.8所示 圖6.8 第二題（1）脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計橢圓型濾波器程序 第二題（2） 雙線性變換法設(shè)計巴特沃斯型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=buttord(wp,ws,Ap,As); [num,den]=butter(N,Wc,bandpass); [numd,dend]=bilinear(num,den,Fs); title(Butterworth Bandpass Filter); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.9所示 圖6.9 第二題（2）雙線性變換法設(shè)計巴特沃斯型濾波器 第二題（2） 雙線性變換法設(shè)計切比雪夫I型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=cheb1ord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=cheby1(N,Ap,Wc,bandpass); [d,f]=bilinear(b,a,Fs); title(chebychev Type I Bandpass Filter); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.10所示 圖6.10 第二題（2）雙線性變換法設(shè)計切比雪夫I型濾波器 第二題（2） 雙線性變換法設(shè)計切比雪II型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=cheb2ord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=cheby2(N,Ap,Wc,bandpass); [d,f]=bilinear(b,a,Fs); title(chebychev Type II Bandpass Filter); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.11所示 圖6.11 第二題（2）雙線性變換法設(shè)計切比雪夫II型濾波器 第二題（2） 雙線性變換法設(shè)計橢圓型濾波器程序 Wp=[0.3 0.6];Ws=[0.2 0.72];Ap=1;As=42; Fs=1; wp=Wp*Fs;ws=Ws*Fs; [N,Wc]=ellipord(wp,ws,Ap,As); [b,a]=ellip(N,Ap,As,Wc,bandpass); [d,f]=bilinear(b,a,Fs); title(); freqz(b,a); axis([0,1,-120,0]); 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6.12所示 圖6.12 第二題（2）雙線性變換法設(shè)計橢圓型濾波器 3． 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 實(shí)驗(yàn)思考題目 1. 哪些因素直接影響IIR數(shù)字濾波器的階數(shù)，從工程概念進(jìn)行定性解釋。從階數(shù)N的計算公式 可知，影響IIR數(shù)字濾波器的階數(shù)的因素主要有通帶最大衰減Ap，阻帶最小衰減As，通帶截頻Wp,阻帶截頻Ws,階數(shù)越高，實(shí)現(xiàn)越困難，所需要的材料和工藝就越要求嚴(yán)格，因此代價成本越高，當(dāng)然性能越好。 教師評語及評分： 簽名： 年 月 日