实验4 FIR滤波器分析与设计.ppt

1、江苏省精品课程江苏省精品课程School of Information Engineering实验实验4FIR滤波器分析与设计滤波器分析与设计Slide 2内容内容4.1实验目的实验目的4.2实验仪器实验仪器4.3实验原理实验原理4.4实验内容实验内容4.5MATLAB仿真程序参考算法仿真程序参考算法4.6硬件实验步骤硬件实验步骤4.7思考题思考题Slide 34.1 实验目的实验目的1 1通过窗函数法和频率采样法设计实验，加深对通过窗函数法和频率采样法设计实验，加深对FIRFIR滤滤波器基本原理的理解。波器基本原理的理解。2 2学习使用窗函数法设计学习使用窗函数法设计FIRFIR滤波器，了解

2、窗函数的形滤波器，了解窗函数的形式和长度对滤波器性能的影响。式和长度对滤波器性能的影响。3 3 在频率采样法设计实验中，了解增加过渡点对在频率采样法设计实验中，了解增加过渡点对FIRFIR滤波器幅频特性的影响，了解点数对滤波器幅频特性的影响，了解点数对FIRFIR滤波器幅频特滤波器幅频特性的影响。性的影响。Slide 44.2 实验仪器实验仪器1YBLD智能综合信号源测试仪智能综合信号源测试仪1台台2双踪示波器双踪示波器1台台3MCOMTG305数字信号处理与现代通信技术实验箱数字信号处理与现代通信技术实验箱1台台4PC机（装有机（装有MATLAB、MCOMTG305配套实验软件）配套实验软件

3、）1台台Slide 54.3 实验原理实验原理与与IIR滤波器相比，滤波器相比，FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性。时，很容易做到严格的线性相位特性。设设FIR滤波器单位脉冲响应滤波器单位脉冲响应h(n)长度为长度为N，其系统函数，其系统函数H（z）为：）为：H（z）是）是z1的的N1次多项式，它在次多项式，它在z平面上有平面上有N1个零点，个零点，原点原点z=0是是N1阶重极点，因此阶重极点，因此H（z）是永远稳定的。）是永远稳定的。稳定和线性相位特性是稳定和线性相位特性是FIR滤波器突出的优点。滤波器突出的优点。F

4、IR滤波器的设计任务是选择有限长度的滤波器的设计任务是选择有限长度的h(n)。使传输函数。使传输函数H()满足技术要求。满足技术要求。FIR滤波器的设计方法有多种，如窗函数法、频率采样法及其滤波器的设计方法有多种，如窗函数法、频率采样法及其它各种优化设计方法。它各种优化设计方法。Slide 6一、窗函数法的一、窗函数法的FIR滤波器设计滤波器设计窗函数法是使用矩形窗、三角窗、巴特利特窗、汉明窗、汉宁窗和布莱克曼窗等矩形窗、三角窗、巴特利特窗、汉明窗、汉宁窗和布莱克曼窗等设计出标准响应的高通、低通、带通和带阻FIR滤波器。1、firl函数的使用函数的使用在MATLAB下设计标准响应FIR滤波器可

5、使用firl函数。firl函数以经典方法实现加窗线性相位FIR滤波器设计，它可以设计出标准的低通、带通、高通和带阻滤波器。firl函数的用法为：函数的用法为：b=firl(n,Wn,/ftype/,Window)Slide 72、窗函数的使用、窗函数的使用窗函数分别为：窗函数分别为：（1）矩形窗：）矩形窗：w=boxcar(n)，产生一个，产生一个n点的矩形窗函数。点的矩形窗函数。（2）三角窗：）三角窗：w=triang(n)，产生一个，产生一个n点的三角窗函数。点的三角窗函数。（3）巴特利特窗：）巴特利特窗：w=Bartlett(n)，产生，产生n点的巴特利特窗函数。点的巴特利特窗函数。（4

6、）汉明窗：）汉明窗：w=hamming(n)，产生一个，产生一个n点的汉明窗函数。点的汉明窗函数。（5）汉宁窗：）汉宁窗：w=hanning(n)，产生一个，产生一个n点的汉宁窗函数。点的汉宁窗函数。（6）布莱克曼窗：）布莱克曼窗：w=Blackman(n),产生产生n点的布莱克曼窗函数。点的布莱克曼窗函数。（7）凯泽窗：）凯泽窗：w=Kaiser(n,beta)，产生一个，产生一个n点的凯泽窗数。点的凯泽窗数。（8）契比雪夫窗：）契比雪夫窗：w=chebwin(n,r)，产生一个，产生一个n点的契比雪夫窗函点的契比雪夫窗函数。数。Slide 8二、频率采样法设计的二、频率采样法设计的FIR滤

7、波器设计滤波器设计频率取样法是指定不同频率处的幅度响应值，然后根据这些指定的参数设计出任意响应的FIR滤波器。使用fir2函数，它可以设计出任意响应的数字滤波器。用fir2函数设计FIR滤波器时同样可以加窗。fir2函数的用法为：h=fir2(n,f,m,window)Slide 94.4 实验内容实验内容一、窗函数法的一、窗函数法的FIRFIR滤波器设计滤波器设计1软件仿真实验：软件仿真实验：编写并调试MATLAB程序，观察不同窗，不同类型滤波器不同点数等共4种FIR滤波器的h(n)，并记录幅频特性和相频特性。2硬件实验：硬件实验：用窗函数法设计标准响应的FIR滤波器，在计算机上观察窗函数幅

8、频特性、幅频特性和相频特性，然后下载到实验箱。用示波器观察输入输出波形，测试滤波器的幅频响应特性。Slide 10二、频率采样法设计的二、频率采样法设计的FIRFIR滤波器设计滤波器设计1软件仿真实验：软件仿真实验：编写并调试MATLAB程序，选择4种不同形式的滤波器进行仿真，观察特性曲线，并记录。2硬件实验：硬件实验：用频率采样法设计任意响应的FIR滤波器，在计算机上观察冲激响应、幅频特性和相频特性，然后下载到实验箱。用示波器观察和记录输入输出波形，测试滤波器的幅频响应特性。Slide 114.5 MATLAB仿真程序参考算法仿真程序参考算法functionh=usefir1(mode,n,

9、fp,fs,window,r,sample)%*%mode:模式（1-高通；2-低通；3-带通；4-带阻）%n:阶数，加窗的点数为阶数加1%fp:高通和低通时指示截止频率，带通和带阻时指示下限频率%fs:带通和带阻时指示上限频率%window:加窗%r:代表加chebyshev窗的r值和加kaiser窗时的beta值%sample:采样率%h:返回设计好的FIR滤波器系数%*%Slide 12实例：实例：h=usefir1(3,60,2000,3000,4,2,10000)假设需设计一个假设需设计一个60阶的带通阶的带通FIR滤波器，采用汉明窗，采样频率为滤波器，采用汉明窗，采样频率为10KH

10、z，两个截止频率分别为，两个截止频率分别为2kHz和和3kHz。h=Columns1through8-0.000000.0012-0.0000-0.00280.00000.0042-0.0000Columns9through16-0.00390.0000-0.0000-0.00000.0083-0.0000-0.01860.0000Columns17through240.0254-0.0000-0.0212-0.0000-0.00000.00000.0396-0.0000Columns25through32-0.09190.00000.1451-0.0000-0.1849-0.00000.19

11、97-0.0000Columns33through40-0.1849-0.00000.14510.0000-0.0919-0.00000.03960.0000Columns41through48-0.0000-0.0000-0.0212-0.00000.02540.0000-0.0186-0.0000Columns49through560.0083-0.0000-0.00000.0000-0.0039-0.00000.00420.0000Columns57through61-0.0028-0.00000.00120-0.0000在在1800Hz和和3200Hz增加幅度为增加幅度为0.1的过渡点

12、，则只需在命令窗口下键入：的过渡点，则只需在命令窗口下键入：h=usefir2(30,0,1800,2000,3000,3200,5000,0,0.1,1,1,0.1,0,4,1,10000)Slide 134.6 硬件实验步骤硬件实验步骤一、窗函数法的FIR滤波器设计1根据实验箱采样频率根据实验箱采样频率fs为为10kHz的条件，的条件，用低频信号发生器产生一个频率合适的低频正弦信号，将其加到实验箱模拟通道1输入端，将示波器通道1探头接至模拟通道1输入端，通道2探头接至模拟通道2输出端。2在保证实验箱正确加电且串口电缆连接正常的情况下，运行数字信号处理与DSP应用实验开发软件，在“数字信号处

13、理实验”菜单下选择“FIR滤波器窗函数法”子菜单，出现提示信息。3输入滤波器类型、窗函数类型、滤波器阶数和截止频率等参数后，分别点击“窗函数幅频特性“幅频特性”和“相频特性”按钮在窗口右侧观察FIR滤波器的窗函数幅频特性、滤波器幅频特性和相频特性。此时提示信息将消失，如需查看提示信息，可点击“设计说明”按钮。Slide 144点击“下载实现”按钮，FIR滤波器开始工作，此时窗口右侧将显示FIR滤波器的幅频特性。5输入滤波器类型，更改低频信号源的频率，观察示波器上输入输出波形幅度的变化情况，测量FIR滤波器的幅频响应特性，看其是否与设计的幅频特性一致。6更改滤波器类型、窗函数类型、滤波器阶数和截

14、止频率等参数，共4种，重复步骤3至步骤5。所选择的例子参数最好和仿真程序的例子一样。7用低频信号产生器产生一个500Hz的方波信号，分别设计3种滤波器，完成如下表要求的功能，并且记录参数和波形。所选择的例子参数最好与实验3的例子一致，便于比较。Slide 15功功能能滤波器类型滤波器类型参参数数输出波形输出波形？通过3次及以下次数的谐波另外记录图形，并标图号滤除5次及以下次数的谐波通过3次到5次的谐波Slide 16二、频率采样法设计的二、频率采样法设计的FIR滤波器设计滤波器设计1 1用低频信号发生器产生一个低频正弦信号，将其加到实验箱模拟通道用低频信号发生器产生一个低频正弦信号，将其加到实

15、验箱模拟通道1 1输入端，将示波器通道输入端，将示波器通道1 1探头接至模拟通道探头接至模拟通道1 1输入端，通道输入端，通道2 2探头接至模拟探头接至模拟通道通道2 2输出端。输出端。2 2在保证实验箱正确加电且串口电缆连接正常的情况下，运行数字信号在保证实验箱正确加电且串口电缆连接正常的情况下，运行数字信号处理与处理与DSPDSP应用实验开发软件，在应用实验开发软件，在“数字信号处理实验数字信号处理实验”菜单下选择菜单下选择“FIRFIR滤波器滤波器频率采样法频率采样法”子菜单。出现提示信息。子菜单。出现提示信息。3 3分别点击分别点击“冲激响应冲激响应”、“幅频特性幅频特性”和和“相频特

16、性相频特性”按钮在窗口右按钮在窗口右侧观察和记录侧观察和记录FIRFIR滤波器的冲激响应、幅频特性和相频特性。此时提示信滤波器的冲激响应、幅频特性和相频特性。此时提示信息将消失，如需查看提示信息，可点击息将消失，如需查看提示信息，可点击“设计说明设计说明”按钮。按钮。4 4点击点击“下载实现下载实现”按钮，按钮，FIRFIR滤波器开始工作，此时窗口右侧将显示滤波器开始工作，此时窗口右侧将显示FIRFIR滤波器的幅频特性。滤波器的幅频特性。5 5更改低频信号源的频率，观察和记录示波器上输入输出波形幅度的变更改低频信号源的频率，观察和记录示波器上输入输出波形幅度的变化情况，或者直接使用扫频仪测量化

17、情况，或者直接使用扫频仪测量FIRFIR滤波器的幅频响应特性，看其是否滤波器的幅频响应特性，看其是否与设计的幅频特性一致。与设计的幅频特性一致。6 6更改滤波器类型、滤波器阶数和截止频率等参数，选择更改滤波器类型、滤波器阶数和截止频率等参数，选择4 4种不同形式的种不同形式的FIRFIR滤波器滤波器,重复步骤重复步骤3 3至步骤至步骤5 5。Slide 177用低频信号产生器产生一个用低频信号产生器产生一个500Hz的方波信号，分别的方波信号，分别设计设计3种滤波器，完成如下表要求的功能，并且记录参数种滤波器，完成如下表要求的功能，并且记录参数和波形。和波形。功功能能滤波器类型滤波器类型参参数数输出波形输出波形？通过通过3次及以下次数次及以下次数的谐波的谐波另外记录另外记录图形，并图形，并标图号标图号滤除滤除5次及以下次数次及以下次数的谐波的谐波通过通过3次到次到5次的谐次的谐波波Slide 184.7 思考题思考题1在窗函数设计法硬件实验内容7中输出信号各个谐波分量，与原来方波信号同样谐波分量相比，有没有发生失真？为什么？2在窗函数设计法本实验硬件实验内容7和实验3的实验内容7相比，有什么相同点和不同点，为什么？3在频率采样法设计中，增加采样点数对FIR滤波器的幅频特性有何影响？4在频率采样法设计中，增加过渡点对FIR滤波器的幅频特性有何影响？