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数字信号处理--实验五
实验五 FIR数字滤波器的设计 王晨
一、实验目的
(1) 掌握用窗函数法、频率采样法及优化设计法设计FIR滤波器的原理及方法,熟悉相应的MATLAB编程。
(2) 熟悉线性相位FIR滤波器的幅频特性和相频特性。
(3) 了解各种不同窗函数对滤波器性能的影响。
实验原理
线性相位实系数FIR滤波器按其N值奇偶和h(n)的奇偶对称性分为四种:
1、h(n)为偶对称,N为奇数;H(ejω)的幅值关于ω=0,π,2π成偶对称。
2、h(n)为偶对称,N为偶数;H(ejω)的幅值关于ω=π成奇对称,不适合作高通。?
3、h(n)为奇对称,N为奇数;H(ejω)的幅值关于ω=0,π,2π成奇对称,不适合作高通和低通。
4、h(n)为奇对称,N为偶数;H(ejω)?ω=0、2π=0,不适合作低通。
?窗口法?
窗函数法设计线性相位FIR滤波器步骤:
确定数字滤波器的性能要求:临界频率,滤波器单位脉冲响应长度N;?
根据性能要求,合理选择单位脉冲响应的奇偶对称性,从而确定理想频率响应 的幅频特性和相频特性;
求理想单位脉冲响应,在实际计算中,可对按M(M远大于N)点等距离采样,并对其求IDFT得,用代替;
选择适当的窗函数,根据求所需设计的FIR滤波器单位脉冲响应;
求,分析其幅频特性,若不满足要求,可适当改变窗函数形式或长度N,重复上述设计过程,以得到满意的结果。
窗函数的傅式变换的主瓣决定了过渡带宽。的旁瓣大小和多少决定了在通带和阻带范围内波动幅度,常用的几种窗函数有:?
矩形窗(Rectangle?Window) ?
??????????????????????????????????????????????????????????????
汉宁(Hanning)窗,又称升余弦窗
汉明(Hamming)窗,又称改进的升余弦窗
布莱克曼(Blankman)窗,又称二阶升余弦窗?
凯塞(Kaiser)窗??????????
????????????
其中:β是一个可选参数,用来选择主瓣宽度和旁瓣衰减之间的交换关系,一般说来,β越大,过渡带越宽,阻带越小衰减也越大。第一类修正零阶贝塞尔函数。??
频率采样法??
?频率采样法是从频域出发,将给定的理想频率响应??)加以等间隔采样,然后以此作为实际?FIR?数字滤波器的频率特性的采样值?,由?通过?IDFT?可得有限长序列,?然后进行?DTFT?或?Z?变换即可得?。??
FIR滤波器的优化设计?
?FIR滤波器的优化设计是按照最大误差最小化准则,使所设计的频响与理想频响之间的最大误差,在通带和阻带范围均为最小,而且是等波动逼近的。??
为了简化起见,在优化设计中一般将线性相位FIR滤波器的单位脉冲响应)(nh的对称中心置于n=0处,此时,线性相位因子α=0。令N=2M+1,则?
如希望逼近一个低通滤波器,这里固定为某个值。在这种情况下有
定义一逼近误差函数:
根据数学上多项式逼近连续函数的理论,用三角多项式逼近连续函数,在一定条件下存在最佳逼近的三角多项式,而且可以证明这个多项式是唯一的。这一最佳逼近定理通常称作交替定理。这一算法通常称作雷米兹(Remez)交替算法。
三、实验内容
(1) N=45,计算并画出矩形窗、汉明窗、布莱克曼的归一化的幅度谱,并比较各自的主要特点。
程序代码:
clear?all;?
N=45;
w1=boxcar(N);w2=hamming(N);w3=blackman(N);
[h,w]=freqz(w1,N);?
figure(1);
plot(w/pi,20*log10(abs(h)));
axis([0,1,-80,10]);
grid?on;?
xlabel(归一化频率/π);
ylabel(幅度/dB);
?title(矩形窗);
figure(2);
[h,w]=freqz(w2,N);
?plot(w/pi,20*log10(abs(h)));?
axis([0,1,-80,10]);
grid?on;
xlabel(归一化频率/π);
ylabel(幅度/dB);
title(汉明窗);
?figure(3);
[h,w]=freqz(w3,N);?
plot(w/pi,20*log10(abs(h)));
axis([0,1,-150,10]);
grid?on;
?xlabel(归一化频率/π);
ylabel(幅度/dB);
title(布莱克曼窗);?
运行结果:
Figure 1-1
Figure 1-2
F
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