matlab仿真一阶低通滤波器幅频特性和相频特性
matlabfir滤波器设计
matlabfir滤波器设计MATLAB是一个高级编程语言和交互式环境,被广泛应用于各种科学和工程问题的数值分析、数据可视化和编程开发等领域。
FIR滤波器是数字信号处理中经常使用的一种滤波器,它是基于有限长冲激响应的滤波器。
在MATLAB平台上,我们可以使用fir1函数来设计FIR滤波器。
一、FIR滤波器设计基础1.1 什么是FIR滤波器FIR滤波器是有限长冲激响应滤波器,由于其具有线性相位特性和可控阶数等优点,在数字信号处理中得到了广泛的应用。
一般来说,FIR滤波器的频率响应特性由滤波器的系数函数确定。
FIR滤波器的设计一般采用窗函数法、最小二乘法、频率抽取法等方法。
窗函数法是最常见的一种方法,大部分情况下选择的是矩形窗、汉宁窗、布莱克曼窗等。
1.3 fir1函数介绍fir1函数是MATLAB中用于FIR滤波器设计的函数,用法为:h = fir1(N, Wn, type)N为滤波器的阶数,Wn是用于指定滤波器截止频率的参数,type指定滤波器类型,可以是低通、高通、带通、带阻等。
二、使用fir1函数设计FIR滤波器2.1 设计要求采样率为300Hz;滤波器阶数为50;截止频率为50Hz。
2.2 实现步骤(1)计算规范化截止频率规范化截止频率是指在数字滤波器设计中使用的无单位量,通常范围为0到1。
在本例中,我们需要将50Hz的截止频率转化为规范化截止频率。
Wn = 2*50/300 = 1/3根据计算出的规范化截止频率和滤波器阶数,我们可以使用fir1函数来进行滤波器设计。
此处滤波器的阶数为50,规范化截止频率为1/3,类型为低通。
(3)绘制滤波器的幅频响应图为了验证设计的低通FIR滤波器是否符合要求,我们需要绘制其幅频响应图。
freqz(h,1,1024,300)经过上述步骤后,我们就得到了一张低通FIR滤波器的幅频响应图,如下图所示:图1.低通FIR滤波器的幅频响应图三、总结通过上述例子,我们可以看出在MATLAB中与fir1函数可以非常方便的进行FIR滤波器的设计。
使用MATLAB设计FIR滤波器
使⽤MATLAB设计FIR滤波器1. 采⽤fir1函数设计,fir1函数可以设计低通、带通、⾼通、带阻等多种类型的具有严格线性相位特性的FIR滤波器。
语法形式:b = fir1(n, wn)b = fir1(n, wn, ‘ftype’)b = fir1(n, wn, ‘ftype’, window)b = fir1(n, wn, ‘ftype’, window, ‘noscale’)参数的意义及作⽤:b:返回的FIR滤波器单位脉冲响应,脉冲响应为偶对称,长度为n+1;n:滤波器的介数;wn:滤波器的截⽌频率,取值范围为0<wn<1,1对应信号采样频率⼀半。
如果wn是单个数值,且ftype参数为low,则表⽰设计截⽌频率为wn的低通滤波器,如果ftype参数为high,则表⽰设计截⽌频率为wn的⾼通滤波器;如果wn是有两个数组成的向量[wn1wn2],ftype为stop,则表⽰设计带阻滤波器,ftype为bandpass,则表⽰设计带通滤波器;如果wn是由多个数组成的向量,则根据ftype的值设计多个通带或阻带范围的滤波器,ftype为DC-1,表⽰设计的第⼀个频带为通带,ftype为DC-0,表⽰设计的第⼀个频带为阻带;window:指定使⽤的窗函数,默认为海明窗;noscale:指定是否归⼀化滤波器的幅度。
⽰例:N=41; %滤波器长度fs=2000; %采样频率%各种滤波器的特征频率fc_lpf=200;fc_hpf=200;fp_bandpass=[200 400];fc_stop=[200 400];%以采样频率的⼀半,对频率进⾏归⼀化处理wn_lpf=fc_lpf*2/fs;wn_hpf=fc_hpf*2/fs;wn_bandpass=fp_bandpass*2/fs;wn_stop=fc_stop*2/fs;%采⽤fir1函数设计FIR滤波器b_lpf=fir1(N-1,wn_lpf);b_hpf=fir1(N-1,wn_hpf,'high');b_bandpass=fir1(N-1,wn_bandpass,'bandpass');b_stop=fir1(N-1,wn_stop,'stop');%求滤波器的幅频响应m_lpf=20*log(abs(fft(b_lpf)))/log(10);m_hpf=20*log(abs(fft(b_hpf)))/log(10);m_bandpass=20*log(abs(fft(b_bandpass)))/log(10);m_stop=20*log(abs(fft(b_stop)))/log(10);%设置幅频响应的横坐标单位为Hzx_f=0:(fs/length(m_lpf)):fs/2;%绘制单位脉冲响应%绘制单位脉冲响应subplot(421);stem(b_lpf);xlabel('n');ylabel('h(n)');subplot(423);stem(b_hpf);xlabel('n');ylabel('h(n)');subplot(425);stem(b_bandpass);xlabel('n');ylabel('h(n)');subplot(427);stem(b_stop);xlabel('n');ylabel('h(n)');%绘制幅频响应曲线subplot(422);plot(x_f,m_lpf(1:length(x_f)));xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);subplot(424);plot(x_f,m_hpf(1:length(x_f)));xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);subplot(426);plot(x_f,m_bandpass(1:length(x_f)));xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);subplot(428);plot(x_f,m_stop(1:length(x_f)));xlabel('频率(Hz)','fontsize',8);ylabel('幅度(dB)','fontsize',8);2. 采⽤fir2函数设计,函数算法是:⾸先根据要求的幅频响应向量形式进⾏插值,然后进⾏傅⾥叶变换得到理想滤波器的单位脉冲响应,最后利⽤窗函数对理想滤波器的单位脉冲响应激进型截断处理,由此得到FIR滤波器系数。
基于matlab模拟滤波器的设计与仿真
本科生毕业论文(设计)题目:基于matlab模拟滤波器的设计与仿真系部电子信息工程学院学科门类工科专业电子信息工程学号xxxxxxxxxxxxxxxxxx姓名XXX指导教师XXX2012年 5 月18 日基于matlab的模拟滤波器设计与仿真摘要几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号处理问题,而滤波器信号处理的重要组成部分。
本论文首先介绍了滤波器的滤波原理以及模拟滤波器的设计方法,然后系统地介绍了模拟滤波器(包括巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器)的设计原理和方法,并在此基础上论述了低通、高通、带通、带阻模拟滤波器的设计。
最后,采用MATLAB对所述滤波器进行建模仿真。
仿真结果表明用matlab设计的滤波器符合技术要求,且直观简便,有利于设计的优化。
关键字:模拟滤波器频率转换MATLAB装订线ABSTRACTIn almost all areas of engineering and technology, signal processing will be involved andsignal processing is an important component of filter signal processing. This paper will firstintroduce the principle of filter and the design method of analog filters. Then the paper willpresent the design principles and methods of analog filters (including the Butterworth filter andChebyshev filter) and on this basis, the analog filters (including low-pass, high-pass, band-pass,and band-stop) design will be discussed. Last is the use of virtual realization of analog filtersMATLAB. It can be seen that based on the simulation result, the filter designed by MATLAB iscoincident in technical requirements and handy in anchauung. What’s more, it is easy to adjustthe performance of filters.Key words:Filtering Analog filters MATLAB装订线第1章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状及趋势 (1)1.3本文的主要工作安排 (2)第2章基本理论知识 (3)2.1滤波器的工作原理 (3)2.1.1模拟滤波器的工作原理 (3)2.1.2数字滤波器的工作原理 (4)2.2滤波器的基本特性 (5)2.2.1模拟滤波器与数字滤波器的基本特性 (5)2.2.2无限冲激响应IIR和有限冲激响应FIR滤波器 (7)2.3滤波器的主要性能指标 (8)第3章模拟滤波器的设计 (9)3.1模拟滤波器的分类 (9)3.2 模拟滤波器的设计方法 (9)3.3模拟原型滤波器及最小阶数选择 (11)3.3.1巴特沃斯滤波器及最小阶数选择 (11)3.3.2切比雪夫滤波器及最小阶数选择 (14)3.3.3椭圆滤波器及最小阶数的选择 (20)3.3.4贝塞尔滤波器 (21)第4章 MATLAB仿真 (22)4.1MATLAB简介 (22)4.2对低通模拟滤波器的仿真 (23)4.3 模拟高通滤波器的仿真 (25)4.4 模拟带通滤波器的仿真 (26)4.5 对带阻模拟滤波器的仿真 (28)第5章频率转换 (30)5.1低通至高通的转换 (30)5.2低通至带通的变换 (31)5.3低通至带阻的变换 (34)第6章总结与展望 (36)参考文献 (37)第1章绪论1.1课题研究背景及意义凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
基于Matlab的FIR滤波器设计与实现
二、实验平台Matlab7.1三、实验原理以低通滤波器为例,其常用的设计指标有:1.通带边缘频率f p(数字频率为Ωp)2.阻带边缘频率f st (数字频率为Ωst)3.通带内最大纹波衰减δp=-20log10(1-αp),单位为dB4.阻带最小衰减αs=-20log10(αs),单位为dB5.阻带起伏αs6.通带峰值起伏αp其中,以1、2、3、4条最为常用。
5、6条在程序中估算滤波器阶数等参数时会用到。
数字频率= 模拟频率/采样频率四、实例分析例1 用凯塞窗设计一FIR低通滤波器,通带边界频率Ωp=0.3pi,阻带边界频率Ωs=0.5pi,阻带衰减δs不小于50dB。
方法一:手动计算滤波器阶数N和β值,之后在通过程序设计出滤波器。
第一步:通过过渡带宽度和阻带衰减,计算滤波器的阶数B和β值。
第二步:通过程序设计滤波器。
程序如下:b = fir1(29,0.4,kaiser(30,4.55));[h1,w1]=freqz(b,1);figure (1)plot(w1/pi, abs(h1));grid;xlabel('归一化频率/p') ;ylabel('幅度/dB') ;figure (2)plot(w1/pi,angle(h1));grid;xlabel('归一化频率/p') ;ylabel('相位') ;波形如下:例2 利用雷米兹交替算法设计等波纹滤波器,设计一个线性相位低通FIR数字滤波器,其指标为:通带边界频率fc=800Hz,阻带边界fr=1000Hz,通带波动阻带最小衰减At=40dB,采样频率fs=4000Hz。
一般调用MATLAB信号处理工具箱函数remezord来计算等波纹滤波器阶数N和加权函数W (ω),调用函数remez可进行等波纹滤波器的设计,直接求出滤波器系数。
函数remezord中的数组fedge为通带和阻带边界频率,数组mval是两个边界处的幅值,而数组dev是通带和阻带的波动,fs是采样频率单位为Hz。
基于MATLAB的IIR数字滤波器设计与仿真
基于MATLAB的IIR数字滤波器设计与仿真一、概述在现代数字信号处理领域中,数字滤波器扮演着至关重要的角色。
其通过对输入信号的特定频率成分进行增强或抑制,实现对信号的有效处理。
无限脉冲响应(IIR)数字滤波器因其设计灵活、实现简单且性能优良等特点,得到了广泛的应用。
本文旨在基于MATLAB平台,对IIR数字滤波器的设计与仿真进行深入研究,以期为相关领域的研究与应用提供有益的参考。
IIR数字滤波器具有无限长的单位脉冲响应,这使得其在处理信号时能够展现出优秀的性能。
与有限脉冲响应(FIR)滤波器相比,IIR滤波器在实现相同性能时所需的阶数更低,从而减少了计算复杂度和存储空间。
在需要对信号进行高效处理的场合,IIR滤波器具有显著的优势。
MATLAB作为一款功能强大的数学软件,提供了丰富的函数和工具箱,使得数字滤波器的设计与仿真变得简单而高效。
通过MATLAB,我们可以方便地实现IIR滤波器的设计、分析和优化,从而满足不同应用场景的需求。
本文将首先介绍IIR数字滤波器的基本原理和特性,然后详细阐述基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计方法和步骤。
接着,我们将通过仿真实验验证所设计滤波器的性能,并对其结果进行分析和讨论。
本文将总结IIR数字滤波器设计与仿真的关键技术和注意事项,为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。
1. IIR数字滤波器概述IIR(Infinite Impulse Response)数字滤波器是数字信号处理中常用的一类滤波器,它基于差分方程实现信号的滤波处理。
与FIR (Finite Impulse Response)滤波器不同,IIR滤波器具有无限长的单位脉冲响应,这意味着其输出不仅与当前和过去的输入信号有关,还与过去的输出信号有关。
这种特性使得IIR滤波器在实现相同的滤波效果时,通常具有更低的计算复杂度,从而提高了处理效率。
IIR滤波器的设计灵活多样,可以根据不同的需求实现低通、高通、带通和带阻等多种滤波功能。
用Matlab设计FIR滤波器的三种方法
用MATLAB信号处理工具箱进行FIR滤波器设计的三种方法摘要介绍了利用MATLAB信号处理工具箱进行FIR滤波器设计的三种方法:程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法,给出了详细的设计步骤,并将设计的滤波器应用到一个混和正弦波信号,以验证滤波器的性能。
关键词 MATLAB,数字滤波器,有限冲激响应,窗函数,仿真1 前言数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统,通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。
根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器。
与IIR滤波器相比,FIR的实现是非递归的,总是稳定的;更重要的是,FIR滤波器在满足幅频响应要求的同时,可以获得严格的线性相位特性。
因此,它在高保真的信号处理,如数字音频、图像处理、数据传输、生物医学等领域得到广泛应用。
2 FIR滤波器的窗函数设计法 FIR滤波器的设计方法有许多种,如窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计法等。
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,主要设计步骤为:(1) 通过傅里叶逆变换获得理想滤波器的单位脉冲响应hd(n)。
(2) 由性能指标确定窗函数W(n)和窗口长度N。
(3) 求得实际滤波器的单位脉冲响应h(n), h(n)即为所设计FIR滤波器系数向量b(n)。
(4) 检验滤波器性能。
本文将针对一个含有5Hz、15Hz和30Hz的混和正弦波信号,设计一个FIR带通滤波器,给出利用MATLAB实现的三种方法:程序设计法、 FDATool设计法和SPTool设计法。
参数要求:采样频率fs=100Hz,通带下限截止频率fc1=10 Hz,通带上限截止频率fc2=20 Hz,过渡带宽6 Hz,通阻带波动0.01,采用凯塞窗设计。
2 程序设计法MATLAB信号处理工具箱提供了各种窗函数、滤波器设计函数和滤波器实现函数。
基于MATLAB的低通滤波器的仿真设计
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基于 MATLAB 的低通滤波器的仿真设计 摘 要
II
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目
录
引言 .................................................................................................................................................. 1 第 1 章 绪论 ................................................................................................................................... 2 1.1 论文研究背景和意义 ...................................................................................................... 2 1.2 数字滤波器的发展动态 .................................................................................................. 2 1.3 数字滤波器的实现方法 .................................................................................................. 3 1.4 本论文研究的主要内容 .................................................................................................. 3 第 2 章 数字低通滤波器的设计方法 ......................................................................................... 5 2.1 数字滤波器的递归与非递归的实现 ............................................................................. 5 2.2 数字滤波器的技术要求及指标 ..................................................................................... 6 2.3 无限冲激响应数字滤波器介绍 ..................................................................................... 8 2.4 无限脉冲滤波器的设计 .................................................................................................. 9 2.4.1 由模拟滤波器到数字滤波器 .................................................................................. 9 2.4.2 对给定技术指标的逼近方法概述 ........................................................................ 10 2.4.3 巴特沃斯模拟低通滤波器设计方法 .................................................................... 12 2.4.4 脉冲不变法设计 IIR DF ....................................................................................... 19 2.4.5 双线性 z 变换法设计 IIR DF ................................................................................ 23 第 3 章 MATLAB 下的低通数字滤波器的设计 .................................................................... 26 3.1 MATLAB 语言概述 ........................................................................................................ 26 3.1.1 MATLAB 语言的发展 ............................................................................................ 26 3.1.2 MATLAB 语言的特点 ............................................................................................ 26 3.2 滤波器设计函数用法简介 ............................................................................................ 27 3.3 在 MATLAB 环境下 IIR 数字低通滤波器的设计 ................................................... 28 3.3.1 数字低通滤波器的程序设计 ................................................................................ 28 3.3.2 基于 Simulink 低通数字滤波器仿真 ................................................................... 37 结论与展望 ................................................................................................................................... 41 致谢 ................................................................................................................................................ 42 参考文献 ....................................................................................................................................... 43 附录 A:外文文献及译文 .......................................................................................................... 44 附录 B:主要参考文献的题录及摘要...................................................................................... 48
基于MATLAB的数字滤波器的设计
基于MATLAB 的数字滤波器的设计1 引言数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的,用有限精度算法实现的离散线性非时变系统,其输入是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量,其输出是经过变换或说处理的另一组数字量。
数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出优点。
这里所说的数字滤波器是指理想带通,低通等的频率选择数字滤波器。
数字滤波器设计的一个重要步骤是确定一个可实现的传输函数H(z),这个确定传输函数H(z)的过程称为数字滤波器设计。
数字滤波器的一般设计过程为:(1)按照实际需要,确定滤波器的性能要求(通常在频域内给定数字滤波的性能要求)。
(2)寻找一满足预定性能要求的离散时间线性系统。
(3)用有限精度的运算实现所设计的系统。
(4)通过模拟,验证所设计的系统是否符合给定性能要求。
2 数字滤波器的设计滤波器分为两种,分别为模拟滤波器和数字滤波器。
数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法,将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列,并在转化的过程中,使信号按预定的形式变化。
数字滤波器有多种分类,从数字滤波器功能上分可分为低通、高通、带阻、带通滤波器,根据数字滤波器冲激响应的时域特征,可将数字滤波器分为两种,即无限长冲激响应滤波器(IIR )和有限长冲激响应滤波器(FIR )。
数字滤波器指标:一般来说,滤波器的幅频特性是分段常数的,以低通为例,在通带内逼近于1,阻带内逼近与0,实际设计的滤波器并非是锐截止的通带和阻带两个范围,两者之间总有一个过渡带。
在设计滤波器时事先给定幅频特性允许误差,在通带范围内幅度响应以误差逼近于1,在阻带内幅1σ度响应以误差逼近于0。
2σ (1)πσσ≤≤≤≤≤≤-w w e H w w e H r jwc jw ,2|)(|,1|)(|11式中wc 和wr 分别为通带边界频率和阻带边界频率,wr-wc 为过渡带。
在具体的技术指标中往往用通带波动来表示,用最小阻带衰减At 来表示,其具体的对应公式这里就不详述了。
( 毕业设计 )基于MATLAB的通信系统滤波器的仿真与设计要点
基于MATLAB的数字滤波器设计与仿真摘要数字滤波器是一个离散系统。
该系统能对输入的离散信号进行处理,从而获得所需的有用信息。
现代数字滤波器的设计大体可以分为IIR和FIR两大类,可以用软件和硬件两种方法来实现,而选用MATAB信号处理工具箱为设计通用滤波器带来了极大的方便。
本文按设计指标要求设计了滤波器,其中IIR采用巴特沃什,FIR采用布莱克曼窗进行设计,得出了与之对应的幅度响应曲线和相位响应曲线,最后对IIR 和FIR的实现形式和性能等方面进行比较。
MATLAB-based Digital Filter Design and SimulationAbstract: The digital filter is a discrete system. The system can be able to handle discrete signals. So it can achieve required important information. There are two major kinds of design principle of digital filter, which are finite impulse response (FIR) and infinite impulse response (IIR). The modern digital filter can be received by two kinds of method of software and hardware. But using MATLAB signal disposing tool case to design the digital filter is more convenient and universally applied. The main body of the paper is demanded to design adigital filter according to the designing index. IIR adopts Butterworth and FIR adopts the Blackman window to design the digital filter. Finally, carry out comparison on IIR and the FIR realization and function aspect.Key words: MATLAB; IIR digital filter; FIR digital filter第一章引言1.1课题研究背景如今随着数字信息时代的到来,数字信号处理已成为一门重要的学科和技术领域。
Matlab滤波器设计--IIR滤波器的设计与仿真
matlab滤波器设计-IIR滤波器的设计与仿真1 引言在现代通信系统中,由于信号中经常混有各种复杂成分,所以很多信号的处理和分析都是基于滤波器而进行的。
但是,传统的数字滤波器的设计使用繁琐的公式计算,改变参数后需要重新计算,从而在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。
利用MATLAB信号处理箱(Signal Processing Toolbox)可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。
2 数字滤波器及传统设计方法数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法,将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列,并在转化过程中,使信号按预定的形式变化。
数字滤波器有多种分类,根据数字滤波器冲激响应的时域特征,可将数字滤波器分为两种,即无限长冲激响应(IIR)滤波器和有限长冲激响应(FIR)滤波器。
IIR数字滤波器具有无限宽的冲激响应,与模拟滤波器相匹配,所以IIR滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。
其设计方法主要有经典设计法、直接设计法和最大平滑滤波器设计法。
FIR数字滤波器的单位脉冲响应是有限长序列。
它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。
在对滤波器实际设计时,整个过程的运算量是很大的。
设计阶数较高的IIR滤波器时,计算量更大,设计过程中改变参数或滤波器类型时都要重新计算。
设计完成后对已设计的滤波器的频率响应要进行校核。
要得到幅频、相频响应特性,运算量也是很大的。
平时所要设计的数字滤波器,阶数和类型并不一定是完全给定的,很多时候要根据设计要求和滤波效果不断地调整,以达到设计的最优化。
在这种情况下,滤波器设计就要进行大量复杂的运算,单纯的靠公式计算和编制简单的程序很难在短时间内完成。
利用MATLAB强大的计算功能进行计算机辅助设计,可以快速有效地设计数字滤波器,大大地简化了计算量。
基于MATLAB环境的数字滤波器的设计与仿真
基于MATLAB环境的数字滤波器的设计与仿真摘要:数字滤波器是数字信号处理中最重要的工具之一。
在许多科学技术领域中广泛采用数字滤波器进行信号处理。
数字滤波器分为两类,即有限脉冲响应滤波器(FIR)和无限脉冲响应滤波器(IIR)。
数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。
其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理,以达到改变信号频谱的目的。
由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展,数字滤波器已可用计算机软件实现,也可用大规模集成数字硬件实时实现。
本文针对在实际设计中要大量应用数字滤波器这一现实,对数字滤波器的基本理论、性能特点、设计方法进行了全面的分析,特别是对有限冲击响应数字滤波器(FIR)的设计进行了深入的探讨。
文章运用了MA TLAB仿真手段对数字滤波器的设计理论和设计方法方法进行了研究。
论文主要包括数字滤波器以及MATLAB在信号处理方面的概述,FIR数字滤波器设计方法的介绍,MATLAB语言仿真,以及最终结论。
本论文所采用的研究方法是仿真比较,介绍了常用滤波器的设计方法,通过MATLAB软件对各种方法分别实现仿真,然后对仿真结果进行比较。
通过对数字滤波器的理论研究为今后的实践奠定理论基础。
关键词:数字滤波器;FIR滤波器;MATLAB;仿真Design and Simulation of Digital FilterBased On MATLABAbstract: Digital filter is one of the most important parts of digital signal processing. In many fields of science and technology, it is widely used for digital signal processing. Digital filter includes finite impulse response filter(FIR) and infinite impulse response filter(IIR).Digital wave filter is a kind of installation that forms by digital multiplier, adder and the unit of delay time. Its function is to carry out operational handling for inputting the digital code of dispersed signal in order to reach the purpose that changes signal frequency spectra. Because of the development of the computer technical circuit of large scale integration digital wave filter can already realize with computer software, can also realize with the digital hardware real time of large scale integration. Digital wave filter is a dispersed time system. As digital filters, in particular FIR filters, are widely used in modern designs, this dissertation comprehensively anglicized fir’s basic theory, characters and design methodologies.In this paper, MATLAB simulation is employed to study the design theory and methods of digital filter. The summary of digital filter and MATLAB language are introduced. Method of FIR filter design, results of MATLAB simulation are described in detail as well. The common design methods of digital filter are simulated with MATLAB to find the result that I need before. It is hope that it can provide a reference for future appliance.Key Words: digital filter;FIR filter;MATLAB;simulation第一章绪论1.1 数字滤波器的现状及发展数字滤波器按单位脉冲响应的性质可分为无限长单位脉冲响应滤波器IIR和有限长单位脉冲响应滤波器FIR两种。
matlab设计低通滤波器
重庆邮电大学本科毕业设计(论文)摘要在当今的数字信息的世界里,数字信号处理已经演变成一门越来越重要的学科,并在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。
其中数字滤波是数字信号处理的重要内容。
数字滤波器可分为IIR和FIR两大类,对于IIR滤波器的设计来说主要有脉冲响应不变法和双线性变换法,而对于FIR数字滤波器的设计来说主要有窗函数法和频率采样设计法。
本文应用MATLBA对数字低通滤波器进行仿真,并给出一定频率的信号通过所设计的滤波器来验证滤波器的性能,主要的研究工作主要包括以下几方面的内容:(1)介绍IIR滤波器和FIR滤波器的结构特点并比较两者之间的差别。
(2)在MATLAB中应用双线性变换法和脉冲响应不变法设计IIR滤波器,给出了滤波器的频率特性图和相位特性图。
(3)通过编写MATLAB程序用窗函数设计法和频率采样法来完成FIR低通滤波器的设计,并给出几个不同频率的信号通过所设定的滤波器来验证滤波器的性能。
(4)在MATLAB中应用Simulink模块来仿真FIR低通滤波器,并在示波器上同时显示输入信号的频率和输出信号的频率,最后对结果进行分析。
【关键字】FIR滤波器IIR滤波器, 双线性变换法脉冲响应不变法窗函数法频率采样法MATLABABSTRACTIn nowadays world of digital information, digital signal processing has become an increasingly important subject, and has been widely applied in all fields, such as medicine, communications, and other areas, digital filters are important elements of digital signal processing. Digital filters can be divided into two kinds of IIR and FIR, IIR filter design for pulse response method and bilinear transformation method, for FIR digital filter design, the main Windows function method and frequency of sampling design.In this paper simulation using MATLAB for digital low-pass filter, and to give a signal of a certain frequency through the filters designed to verify the performance of filter, the main research work mainly includes the following content:(1) Describes the structure of FIR and IIR filters filter characteristics and comparison of the differences between the two.(2) In MATLAB using bilinear transformation method and impulse response method design of IIR filters, to out of the filters of frequency response and phase characteristics.(3) Design method by writing MATLAB programs use the windows function and frequency sampling method to accomplish the design of FIR low-pass filters, and gives several different frequency signals passes through a set of filters to verify that the filter's performance.(4) In the MATLAB Simulink simulation FIR low-pass filter module to the application, and also on the scope displays the frequency of the input signal and the output signal frequency, final analysis of the results.【Key words】FIR digital IIR digital filter Bilinear transformation methodImpulse response method Windows functionFrequency sampling method MATLAB目录前言 (1)第一章数字滤波器 (2)第一节数字滤波器的简介 (2)第二节数字滤波器的应用 (3)第三节数字滤波器的实现方法分析及优点 (4)第四节MATLAB和Simulink简介 (5)第五节本章小结 (7)第二章数字滤波器的结构和设计原理 (8)第一节数字滤波器的基本结构 (8)一、IIR滤波器的基本结构 (8)二、FIR滤波器的基本结构 (10)第二节数字滤波器的设计原理 (12)一、滤波器的设计步奏 (12)二、滤波器的性能指标 (13)第三节IIR滤波器与FIR滤波器的分析比较 (13)第四节本章小结 (15)第三章IIR滤波器的设计 (16)第一节脉冲响应不变法的基本原理 (16)一、变化原理 (16)二、混叠失真 (16)三、主要特点 (17)四、MATLAB(脉冲响应不变法)设计滤波器 (18)第二节双线性不变法的基本原理 (19)一、变换原理 (19)二、主要优缺点 (19)三、MATLAB(双线性变化法)设计数字低通滤波器 (19)第三节本章小结 (21)第四章FIR滤波器的设计 (22)第一节线性相位FIR滤波器的特点 (22)第二节利用窗函数设计FIR低通滤波器 (24)一、窗函数的基本思想 (24)二、几种常用的窗函数 (24)第二节频率采样法设计FIR低通滤波器 (32)一、频率采样设计法的基本原理 (32)二、线性相位的约束 (32)三、逼近误差及其改进措施 (32)第三节FIR数字滤波器的优化设计 (35)第四节本章小结 (36)第五章仿真结果及分析 (37)第一节MATLAB(窗函数法)设计FIR数字低通滤波器 (37)第二节MATLAB(频率采样法)设计FIR数字低通滤波器 (39)第三节Simulink仿真FIR滤波器 (42)第四节本章小结 (44)结论 (45)致谢 (46)参考文献 (46)附录 (47)一、英文原文 (48)二、英文翻译 (55)三、仿真脚本 (62)重庆邮电大学本科毕业设计(论文)前言模拟滤波器与数字滤波器的设计对工程,应用数学及计算机科学都是非常重要的。
matlab课程设计参考题目
课题一:连续时间信号和系统时域分析及MATLAB实现课题要求:深入研究连续时间信号和系统时域分析的理论知识。
利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能以及数值计算功能,实现连续时间信号和系统时域分析的仿真波形。
课题内容:一、用MATLAB实现常用连续时间信号的时域波形(通过改变参数,分析其时域特性)。
1、单位阶跃信号,2、单位冲激信号,3、正弦信号,4、实指数信号,5、虚指数信号,6、复指数信号。
二、用MATLAB实现信号的时域运算1、相加,2、相乘,3、数乘,4、微分,5、积分三、用MATLAB实现信号的时域变换(参数变化,分析波形变化)1、反转,2、使移(超时,延时),3、展缩,4、倒相,5、综合变化四、用MATLAB实现信号简单的时域分解1、信号的交直流分解,2、信号的奇偶分解五、用MATLAB实现连续时间系统的卷积积分的仿真波形给出几个典型例子,对每个例子,要求画出对应波形。
六、用MATLAB实现连续时间系统的冲激响应、阶跃响应的仿真波形。
给出几个典型例子,四种调用格式。
七、利用MATLAB实现连续时间系统对正弦信号、实指数信号的零状态响应的仿真波形。
给出几个典型例子,要求可以改变激励的参数,分析波形的变化。
课题二:离散时间信号和系统时域分析及MATLAB实现。
课题要求:深入研究离散时间信号和系统时域分析的理论知识。
利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能以及数值计算功能,实现离散时间信号和系统时域分析的仿真波形。
课题内容:一、用MATLAB绘制常用信号的时域波形(通过改变参数分析其时域特性)1、单位序列,2、单位阶跃序列,3、正弦序列,4、离散时间实指数序列,5、离散时间虚指数序列,6、离散时间复指数序列。
二、用MATLAB实现信号的时域运算1、相加,2、相乘,3、数乘。
三、用MATLAB实现信号的时域变换(参数变化,分析波形的变化)1、反转,2、时移(超时,延时),3、展缩,4、倒相。
基于matlab的数字滤波器设计及仿真
滤波器的指标
■ 滤波器的指标常在频域给出 ■ 数字滤波器的频率响应特性曲线:
H(ejw)= |H(ejw)|ej (w) |H(ejw)|为幅频特性函数,表示信号通过该 滤波器后各频率的衰减情况。
(w)为相频特性函数,表示信号通过滤波器 后在时间上的延时情况。
二、MATLAB环境下IIR数字滤波器的设计
四、两个有趣的实验
1、利用MATLAB进行声音滤波: 利用MATLAB读取wav格式的声音文件,对
信号进行离散傅里叶变换,得到其频谱图,给 信号加杂音,然后设计一个数字滤波器将杂音 滤除,得到原音,最后比较滤波器的滤波效果。
语音读取和加噪
■ clear;close all; ■ [Y,Fs,NBITS]=WAVREAD("WindowsXP.wav"); ■ n=length(Y); ■ f=0:Fs/n:Fs*(n-1)/n; ■ K=0:1/(n-1):1; ■ subplot(2,3,1);plot(K,Y);title("语音信号的时域波形"); ■ Y1=fft(Y,n); ■ subplot(2,3,3);plot(f,abs(Y1));title("语音信号的频谱"); ■ noise=0.02*sin(2*pi*4000*K); ■ subplot(2,3,2);plot(K(1:50),noise(1:50));title("噪声的时域波形"); ■ s=length(noise); ■ noise1=fft(noise,s); ■ subplot(2,3,5);plot(f,abs(noise1));title("噪声的频谱"); ■ A=Y"+noise; ■ subplot(2,3,4);plot(K,A);title("含噪语音的时域波形"); ■ A1=fft(A,s); ■ subplot(2,3,6);plot(f,abs(A1));title("含噪语音的频谱");
matlab振荡环节的频率特性,自动控制原理
matlab振荡环节的频率特性,⾃动控制原理⾃动控制系统通常由若⼲环节构成,根据它们的基本特性,可划分成⼏种典型环节。
典型环节的基本特性在第⼆章已经介绍,本节将介绍典型环节频率特性的绘制⽅法。
系统或环节频率特性的绘制有多种⽅式,本节主要介绍应⽤较为⼴泛的极坐标图(Nyquist)和伯德图(Bode)。
⼀、典型环节的幅相特性曲线(极坐标图)以⾓频率ω为参变量,根据系统的幅频特性和相频特性在复平⾯[GH] 上绘制出的频率特性叫做幅相特性曲线或频率特性的极坐标图。
它是当⾓频率ω从0到⽆穷变化时,⽮量的⽮端在平⾯上描绘出的曲线。
曲线是关于实轴对称的。
(⼀) 放⼤环节(⽐例环节)其幅频特性和相频特性分别为频率特性如图4-2所⽰。
由图4-2可看出放⼤环节 的幅频特性为常数K,相频特性等于零度,它们都与频率⽆关。
理想的放⼤环节能够⽆失真和⽆滞后地复现输⼊信号。
(⼆) 积分环节积分环节的传递函数为其对应的频率特性是幅频特性和相频特性分别为频率特性如图4-3所⽰。
由图可看出,积分环节的相频特性等于-90度 ,与⾓频率ω⽆关,表明积分环节对正弦输⼊信号有90o的滞后作⽤;其幅频特性等于,是ω的函数, 当ω由零变到⽆穷⼤时,输出幅值则由⽆穷⼤衰减⾄零。
在 平⾯上,积分环节的频率特性与负虚轴重合。
(三) 惯性环节惯性环节的传递函数为其对应的频率特性是幅频特性和相频特性分别是当ω由零⾄⽆穷⼤变化时,惯性环节的频率特性在 平⾯上是正实轴下⽅的半个圆周,证明如下:则有这是⼀个标准圆⽅程,其圆⼼坐标是(1/2,0) ,半径为1/2 。
且当ω由0→∞ 时,由,说明惯性环节的频率特性在平⾯上是实轴下⽅半个圆周,如图4-4所⽰。
惯性环节是⼀个低通滤波环节和相位滞后环节。
在低频范围内,对输⼊信号的幅值衰减较⼩,滞后相移也⼩,在⾼频范围内,幅值衰减较⼤,滞后相⾓也⼤,最⼤滞后相⾓为90度。
推⼴:当惯性环节传递函数的分⼦是常数K时,即时,其频率特性是圆⼼为,半径为K/2 的实轴下⽅半个圆周。
matlab仿真一阶低通滤波器幅频特性和相频特性
freqs模拟滤波器的频率响应语法:h = freqs(b,a,w)[h,w] = freqs(b,a)[h,w] = freqs(b,a,f)freqs(b,a)描述:freqs 返回一个模拟滤波器的H(jw)的复频域响应(拉普拉斯格式)请给出分子b和分母ah = freqs(b, a, w) 根据系数向量计算返回模拟滤波器的复频域响应。
freqs 计算在复平面虚轴上的频率响应h,角频率w确定了输入的实向量,因此必须包含至少一个频率点。
[h, w] = freqs(b, a) 自动挑选200个频率点来计算频率响应h[h, w] = freqs(b, a, f) 挑选f个频率点来计算频率响应h例子:找到并画出下面传递函数的频率响应Matlab代码:a = [1 0.4 1];b = [0.2 0.3 1];w = logspace(-1, 1);logspace 功能:生成从10的a次方到10的b次方之间按对数等分的n个元素的行向量。
n 如果省略,则默认值为50。
freqs(b, a, w);You can also create the plot with:h = freqs(b,a,w);mag = abs(h);phase = angle(h);subplot(2,1,1), loglog(w,mag)subplot(2,1,2), semilogx(w,phase)To convert to hertz, decibels, and degrees, use:f = w/(2*pi);mag = 20*log10(mag);phase = phase*180/pi;算法:freqs evaluates the polynomials at each frequency point, then divides the numerator response by the denominator response:s = i*w;h = polyval(b,s)./polyval(a,s)一阶低通滤波器频响计算:%**************************************************************************%一阶低通滤波器% 取fH = 1/(2Π*R*C)% s=jw=j*2Π*f% 1 1%RC电路的电压增益 AVH = ——————— = —————————(传递函数)% 1 + sRC 1 + j(f/fH)% 1 1%电压增益的幅值(模)|AVH| = ————————— = ———————— (幅频响应) % /——————/————————% \ / 1 + (wCR)^2 \ / 1 + (f/fH)^2% V V%%电压增益的相位角ΦH = - arctg(wRC) = - arctg(f/fH) (相频响应)%**************************************************************************R=10000; %电阻的值C=0.0000001; %电容的值fZ=1; %H(e^jw)表达式分子的系数向量fM=[R*C,1]; %H(e^jw)分母的系数向量%logspace 功能:生成从10的a次方到10的b次方之间按对数等分的n个元素的行向量。
matlab绘制滤波器频谱图
题目:滤波器设计和频谱分析一.实验要求利用现有电路知识,设计低通、带通、高通、带阻滤波器,写出滤波器的频率响应函数,在matlab 中,绘制滤波器的频谱图,指出滤波器主要参数,说明对所设计的滤波器要提高这些参数该如何改进。
写出改进后滤波器的频率响应函数,绘制改进后的滤波器频谱图。
在matlab 的simulink 中,若只给出信号发生器和示波器,要求绘制所设计的一种滤波器的频谱图,并阐明试验原理。
二.设计思路和推导过程RLC 构成的无源滤波器是常见的滤波器种类,本实验即从RLC 无源滤波器出发设计低通,高通,带通,带阻滤波器,写出他们的转移函数,用matlab 画出频谱图,并且探究四种滤波器的改进方法。
1. 低通滤波器电路图:低通滤波器转移函数1C jwR 1H=,令21=H 得特征频率C R 1wc=matlab 程序w=0:10:10^7; R1=10; C1=1*10^(-3); wc1=1/(R1*C1);H1=abs(1./(1i.*w./wc1+1)); plot(log10(w./wc),20*log10(H1)); xlabel('lg(w/wc)');ylabel('|H1|/dB'); title('一阶低通'); axis([-3,5,-120,0]);频谱图:问题:通频带外下降斜率-20dB/十倍频,对带外信号的抑制效果不是很好; 改进方法:采用高阶低通滤波器,这里采用二阶低通滤波器,电路图如下转移函数H2=1/(1-w^2*R2^2*C2^2+3j*w*R2*C2),令21=H 得特征频率为wc=0.3472/(R*C). Matlab 程序如下 w=0:10:10^7; R2=10;C2=1*10^(-3);wc2=0.3472./(R2*C2);H2=abs(1./(1-w.^2.*R2.^2.*C2.^2+3i.*w.*R2.*C2)); subplot(1,2,2);plot(log10(w./wc2),20*log10(H2));axis([-3,5,-120,0]);xlabel('lg(w/wc)');ylabel('|H2|/dB');title('二阶低通');频谱图:可以看出,特征频率减小,带外斜率-40dB/十倍频,对带外信号的抑制效果增强。
控制系统MATLAB仿真3-频率特性仿真
例2:系统的开环传递函数为
Gk ( s)
( s 2)( s 2 2s 1)
绘制系统的Bode图。
num=5; den=conv([1 2],[1 2 1]); w=logspace(-2,3,100); %指定频率范围 [mag,phase,w]=bode(num,den,w); %返回波特图数据 magdB=20*log10(mag); %进行幅值的单位转换 subplot(2,1,1); semilogx(w,magdB); %绘制对数幅频特性图 grid;
运行结果:
系统幅频特性曲线 50
0
-50 -1 10 -50
10
0
10
1
10
2
系统相频特性曲线
-100
-150
-200 -1 10
10
0
10
1
10
2
图8 例5由Nichols曲线参数绘制对数坐标图
运行结果
系统幅频特性曲线 50 0
-50 -1 10 -50
10
0
10
1
10
2
系统相频特性曲线
-100
运行结果:
系统(20s +20s+10)/[(s +s)(s+10)]Nyquist图(>0)
5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -2
)
2
2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
图6 例4系统Nyquist曲线( 0 )
二、
MATLAB频域分析实例
100 Gk ( s ) s ( s 8)
一阶低通滤波器
⼀阶低通滤波器摘要基于《电路原理》及相关知识,对由RC组合⽽成的⼀阶低通滤波器进⾏系统的理论分析,并针对其原理应⽤MATLAB软件进⾏编程,实现其幅频响应特性和相频响应特性图像的绘制。
MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,⽤于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的⾼级技术计算语⾔和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两⼤部分,与Mathematica、Maple并称为三⼤数学软件。
MATLAB软件具有强⼤的数值计算功能,可以进⾏矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建⽤户界⾯、连接其他编程语⾔的程序等,主要应⽤于⼯程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、⾦融建模设计与分析等领域。
MATLAB 软件可以实现⼀阶低通滤波器设计及分析的全部要求并给出反馈结果。
⼀阶低通滤波器在电⼯电⼦设计技术领域以及⼤型机械⽣产⽅⾯都有着⼴泛的基础应⽤,结合MATLAB对⼀阶低通滤波器进⾏分析,加深对其原理的掌握显得尤为重要。
关键词:⼀阶低通滤波器 MATLAB 数值计算图像处理⼀阶低通滤波器1.设计⽬的通过这次基础强化训练的设计,系统掌握⼀阶低通滤波器的原理及其⼯作特点,加深对电路原理知识的理解,并熟练操作MATLAB软件,掌握MATLAB的数值计算:创建矩阵、矩阵运算、多项式运算、线性⽅程组、数值统计,能进⾏简单的电路,信号与系统相关的MATLAB编程。
2.设计原理2.1⼀阶低通滤波器原理⼀阶低通滤波器滤波器是由⼀个RC元件组合⽽成的简单电路(如图1所⽰),所谓低通滤波器是允许低频讯号通过,⽽不允许⾼频讯号通过的滤波器。
电路存在截⽌频率,⾼于此频率的信号都不能通过滤波器,从⽽达到了滤波的⽬的。
可以利⽤R、L、C所组成的滤波电路称作⽆源滤波器,它有很多的缺点。
其中的电感L本⾝具有电阻与电容,使得输出结果会偏离理想值,⽽且会消耗电能。
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freqs
模拟滤波器的频率响应
语法:
h = freqs(b,a,w)
[h,w] = freqs(b,a)
[h,w] = freqs(b,a,f)
freqs(b,a)
描述:
freqs 返回一个模拟滤波器的H(jw)的复频域响应(拉普拉斯格式)
请给出分子b和分母a
h = freqs(b, a, w) 根据系数向量计算返回模拟滤波器的复频域响应。
freqs 计算在复平面虚轴上的频率响应h,角频率w确定了输入的实向量,因此必须包含至少一个频率点。
[h, w] = freqs(b, a) 自动挑选200个频率点来计算频率响应h
[h, w] = freqs(b, a, f) 挑选f个频率点来计算频率响应h
例子:
找到并画出下面传递函数的频率响应
Matlab代码:
a = [1 0.4 1];
b = [0.2 0.3 1];
w = logspace(-1, 1);
logspace 功能:生成从10的a次方到10的b次方之间按对数等分的n个元素的行向量。
n如果省略,则默认值为50。
freqs(b, a, w);
You can also create the plot with:
h = freqs(b,a,w);
mag = abs(h);
phase = angle(h);
subplot(2,1,1), loglog(w,mag)
subplot(2,1,2), semilogx(w,phase)
To convert to hertz, decibels, and degrees, use:
f = w/(2*pi);
mag = 20*log10(mag);
phase = phase*180/pi;
算法:
freqs evaluates the polynomials at each frequency point, then divides the numerator response by the denominator response:
s = i*w;
h = polyval(b,s)./polyval(a,s)
一阶低通滤波器频响计算:
%**************************************************************************
%一阶低通滤波器
% 取fH = 1/(2Π*R*C)
% s=jw=j*2Π*f
% 1 1
%RC电路的电压增益AVH = ———————= —————————(传递函数)% 1 + sRC 1 + j(f/fH)
% 1 1
%电压增益的幅值(模)|AVH| = —————————= ————————(幅频响应) % /—————— /————————
% \ / 1 + (wCR)^2 \ / 1 + (f/fH)^2
% V V
%
%电压增益的相位角ΦH = - arctg(wRC) = - arctg(f/fH) (相频响应)
%**************************************************************************
R=10000; %电阻的值
C=0.0000001; %电容的值
fZ=1; %H(e^jw)表达式分子的系数向量
fM=[R*C,1]; %H(e^jw)分母的系数向量
%logspace 功能:生成从10的a次方到10的b次方之间按对数等分的n个元素的行向量。
n如果省略,则默认值为50。
w=logspace(-1,5); %设定频率的变化范围
%freqs 根据系数向量计算返回一个模拟滤波器的H(e^jw)的复频域响应(拉普拉斯格式)
g=freqs(fZ,fM,w); %求其频率响应
%angle()返回复数元素的相角,单位为弧度
x=angle(g); %求相频响应
%abs()对复数返回其幅值
y=abs(g); %求幅频响应
subplot(2,1,1),
%loglog()绘制双对数坐标,semilogx()/semilogy()绘制单对数坐标
semilogx(w,x*180/pi) %画相频响应的曲线
hw=line([0.1,1000],[-45,-45]);
set(hw,'LineWidth',1);
set(hw,'color','r');
xlabel('角频率/ (rad/s)');
ylabel('角度/ °');
grid on;
subplot(2,1,2), %画幅频响应的曲线
semilogx(w,20*log10(y))
h=line([0.1,10000],[-20,-20]);
set(h,'LineWidth',1);
set(h,'color','r');
xlabel('角频率/ (rad/s)'); ylabel('幅值/ dB');
grid on;。