《工程信号分析与处理技术》第7章数字滤波器.ppt

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工程应用中获得的信号中通常会混有噪声成分,为了将有 用信号从中提取出来,需要进行滤波处理。 滤波:抑制不需要的噪声或干扰,提取出有用信号的过程。 这种能够实现滤波功能的系统称为滤波器。 通带内和阻带内允许的衰减一般用dB数表示, 通带内允许的最大衰减用αp表示, 阻带内允许的最小衰减用αs 表示, αp 和αs 分别定义为: 通带内和阻带内允许的衰减一般用dB数表示,通带内允许的最大衰减用αp表示,阻带内允许的最小衰减用αs 表示,αp 和αs 分别定义为: 模拟滤波器的理论和设计方法已发展得相当成熟,且有若干典型的模拟滤波器供我们选择,如巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chebyshev)滤波器、椭圆(Cauer)滤波器、贝塞尔(Bessel)滤波器等,这些滤波器都有严格的设计公式、现成的曲线和图表供设计人员使用。 1.巴特沃思(Butterworth)滤波器的设计 函数butter( )不仅可以设计数字滤波器,而且还可以设计模拟滤波器。 [B,A]=butter(N,Wn) 设计一个N阶的低通Butterworth滤波器,带通的滤波器,通带为[W1,W2]。 [B,A]=butter(N, Wn, ‘high’) 设计一个高通滤波器。 [B,A]=butter(N, Wn, ‘stop’) 设计一个带阻滤波器。其中Wn必须是一个两元素的向量,阻带的宽度为[W1,W2] 。 当N=0时,C0(x)=1; 当N=1时,C1(x)=x; 当N=2时,C2(x)=2x 2 ? 1; 当N=3时,C3(x)=4x 3 ? 3x。 图示出了阶数N=0,4,5时的切比雪夫多项式特性。 由图可见: (1)切比雪夫多项式的过零点在|x|≤1的范围内; (2)当|x|1时,|CN(x)|≤1,在|x|1范围内具有等波纹性; (3)当|x|1时,CN(x)是双曲线函数,随x单调上升。 / 7.2.1 IIR滤波器 7.2 数字滤波器的设计 3. 用频率变换法设计其他类型的数字滤波器 (2)低通滤波器到带通滤波器的变换 由于 当ωp=ωc时,ωp=1, 得到带通到低通的频率变换公式为 可以将带阻边界频率转换成低通的边界频率。 带阻 7.2.2 FIR滤波器 系统函数H(z) 根据给定的频率特性直接进行设计的,其特征是脉冲响应只能延续有限长的实现。 7.2 数字滤波器的设计 频率响应为 其中:h(n)为脉冲响应序列 , 持续时间为-∞?∞,物理上无法实现。 7.2.2 FIR滤波器 截断理想脉冲响应序列,得到一个有限长的脉冲响应序列: 7.2 数字滤波器的设计 其中hd(n) :脉冲函数h(n)与有限长矩形窗函数w(n)的乘积,即: 则由频域卷积定理可知 7.2.2 FIR滤波器 7.2 数字滤波器的设计 矩形窗函数:对序列进行截断会导致频谱泄露,其时域特性并不是最佳的。 为了减少泄露的影响,目前在数字信号处理中最为有效的办法是进行窗处理:常见的窗函数有矩形窗、汉宁窗、汉明窗等。 窗函数频率特性:主瓣宽度应该尽可能窄,从而将能量集中在主瓣内;旁瓣应该能够尽快衰减,从而减少旁瓣波动的影响。 7.2.2 FIR滤波器 7.2 数字滤波器的设计 FIR数字滤波器与IIR数字滤波器比较: FIR数字滤波器 :更稳定 。但是FIR滤波器的阶数要比IIR滤波器高,其时间延迟也要相应大一些。 7.2 数字滤波器的设计 巴特沃兹滤波器 MATLAB下巴特沃兹滤波器的调用方法 [n,fc]=buttord(fp,fs,wp,ws); [b,a]=butter(n,fc); wp=3;%通带最大衰减 ws=30;%阻带最小衰减 [n,fc]=buttord(fp,fs,wp,ws); %计算阶数和截止频率ωc [b,a]=butter(n,fc); %计算N阶巴特沃斯数字滤波器 系统函数分子、分母多项式的系数向量b、a。 freqz(b,a); %滤波器频率响应 z=filter(b,a,y); %将生成的信号通过巴特沃兹低通滤波器 %绘制原信号 subplot(2,2,1) plot(t,y) title(输入信号波形) xlabel(时间) ylabel(幅值) 7.2 数字滤波器的设计 巴特沃兹滤波器 %求原信号的频谱 x1=fft(y,N); %对原信号进行快速Fourier变换 mag1=abs(x1); %求得Fourier变换后的振幅 f=Nu*Fs/

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