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数字信号处理实验6离散时间滤波器设计
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信号处理实验
实验六:离散时间滤波器设计
3.6.1
实验名称:IIR数字滤波器的设计
二、实验目的: 1、掌握利用脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器的原理及具体方法。
加深理解数字滤波器与连续时间滤波器之间的技术转化。
掌握脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器的优缺点及使用范围。
掌握利用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理及具体方法。
深入理解利用双线性变换法设计IIR数字滤波器的优缺点及使用范围。
三、实验原理:1、脉冲响应不变法变换原理
脉冲响应不变法将模拟滤波器的s平面变换成数字滤波器的z平面,从而将模拟滤波器映射成数字滤波器。
IIR滤波器的系数函数为(或z)的有理分式,即
一般满足。
= 1 \* GB2 \* MERGEFORMAT ⑴转换思路:
若模拟滤波器的系统函数H(s)只有单阶极点,且假定分母的阶次大于分子的阶次,表达式:
= 2 \* GB2 \* MERGEFORMAT ⑵s平面与z平面之间的映射关系。
IIR数字滤波器设计的重要环节式模拟低通滤波器的设计,典型的模拟低通滤波器有巴特沃兹和切比雪夫等滤波器。由模拟低通滤波器经过相应的复频率转换为H(s),由H(s)经过脉冲响应不变法就得到所需要的IIR数字滤波器H(z)。
Matlab信号处理工具箱中提供了IIR滤波器设计的函数,常用的函数:
IIR滤波器阶数选择
Buttord--巴特沃兹滤波器阶数选择。
Cheb1ord--切比雪夫 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I型滤波器阶数选择。
Cheb2ord--切比雪夫 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II型滤波器阶数选择。
IIR滤波器设计
Butter--巴特沃兹滤波器设计。
Cheby1--切比雪夫 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I型滤波器设计。
Cheby2--切比雪夫 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II型滤波器设计。
Maxflat--通过的巴特沃兹低通滤波器设计。
巴特沃兹滤波器设计
巴特沃兹滤波器式通带、阻带都单调衰减的滤波器。
= 1 \* GB2 \* MERGEFORMAT ⑴调用buttord函数确定巴特沃兹滤波器的阶数,格式
[N,Wc]=buttord(Wp,Ws,Ap,As)
其中:Wp,Ws为归一化通带和阻带截止频率;
Ap,As为通带最大和最小衰减,单位为dB;
N为滤波器阶数,Wc为3dB截止频率,对于带通和带阻滤波器,Wc=[W1,W2]为矩阵,W1和W2分别为带通的上下截止频率。
= 2 \* GB2 \* MERGEFORMAT ⑵调用butter函数设计巴特沃兹滤波器,格式
[b,a]=butter(N,Wc,options)
其中:options=‘low’,‘high’,‘bandpass’,‘stop’,默认情况下,为低通和带通。
b,a为设计出的IIR数字滤波器的分子多项式和分母多项式的系数。
注意,利用以上两个函数也可以设计出模拟滤波器,格式为
[N,Wc]=buttord(Wp,Ws,Ap,As,s)
[b,a]=butter(N,Wc,options,s)
其中:Wp、Ws和Wc均为模拟频率。
切比雪夫 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I型滤波器设计
切比雪夫 = 1 \* ROMAN \* MERGEFORMAT I型滤波器为通带波纹控制器:在通带呈现纹波特性,在阻带单调衰减。
[N,Wc]=cheblord(Wp,Ws,Ap,As)
[b,a]=cheby1(N,Wc,options)
其中参数含义和巴特沃兹的相同。
切比雪夫 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II型滤波器设计
切比雪夫 = 2 \* ROMAN \* MERGEFORMAT II型滤波器为阻带波纹控制器:在阻带呈现纹波特性,在通带单调衰减。
[N,Wc]=cheb2ord(Wp,Ws,Ap,As)
[b,a]=cheby2(N,Wc,options)
其中参数含义和巴特沃兹的相同。
已知模拟滤波器,可以利用脉冲响应不变法转换函数impinvar将其变换为数字滤波器,调用格式为
[bz,az]=impinvar(b,a,Fs)
其中b,a分别为模拟滤波器系统函数分子、分母多项式系数;Fs为采样频率;bz、az为数字滤波器系统函数的分子、分母多项式系数。设计时要注意模拟原型低通频率预计,否则衰减不能满足设计要求。
双线性变换法变换原理
为克服脉冲响应不变法产生频率响应的混叠失真,可以采用非线性频率压缩方法,使s平面
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