电子工程课程设计报告书-数字信号CHebyshev低通虑波器的设计.doc

武汉理工大学华夏学院电子工程课程设计报告书课 程 名 称 数字信号 课程设计总评成绩 学生姓名、学 号 曾江河10211808126 学 生 专 业 班级 电信1081 指 导 教 师 姓名 袁丽平 课程设计起止日期 2011.01.10_2011.01.14 课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和pcb图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。一、课程设计项目名称数字信号chebyshev低通虑波器的设计二、项目设计目的及技术要求要求：通带边界频率wp=0.2pi,通带最大衰减：rp=1db，阻带截至频率ws=0.25pi，阻带最小衰减：rs=80db 三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和pcb图)1设计方法1.1 冲击响应不变法原理（impulse invariance）冲击响应不变法的设计原理是使数字滤波器的单位抽样响应序列h（n），模仿模拟滤波器的冲击响应g（t）。设系统传递函数为g（s）的模拟滤波器的单位冲击响应g（t），并将冲击响应g（t）进行等间隔采样，使得数字滤波器的单位抽样响应h（t）刚好等于g（t）的采样值，即：其中ts为采样周期。因为g(s)是模拟滤波器的系统传递函数，故他是该系统冲击响应函数g（t）的拉普拉斯变换；又设h（z）是数字滤波器的系统传递函数，从而可的它是数字滤波器的单位抽样响应函数h（n）的z变换。模拟信号的拉普拉斯变换与其采样序列z变换的关系为： 上式的物理意义为首先将模拟滤波器的系统函数g（s）作周期的延拓，再经过的映射变换，从而得到数字滤波器的系统函数h（z）。假设s平面上，s在j轴上取值，z在z平面内的单位圆周上取值，可以得到数字滤波器的频率响应和模拟滤波器的频率响应间的关系为 其中假设模拟滤波器的系统函数g（s）只有单阶极点，且mn，系统传递函数可以用部分分式表示：其拉普拉斯变换脉冲响应g（t）为：g（t）= ，t00 ， t0 对g（t）进行等间隔采样，可以得到数字滤波器的单位取样响应函数h（n）为：当n0时，h(n)=；当n0时，h(n)=0 然后对h(n)进行z变换，就可以得到数字滤波器的系统传递函数h（z）： 按照冲击响应不变法的原理，通过模拟滤波器的系统传递函数g（s），可以直接球的数字滤波器的系统函数h（z），1.2 冲击响应不变法设计滤波器的转换步骤归纳（1） 利用=t（可由关系式推导出），将，转换为，而，不变；（2） 求解低通模拟滤波器的传递函数g（s）；（3）根据式1-4和1-7将模拟滤波器的传递函数g（s）转换为数字滤波器的传递函数h（z）。1.3切比雪夫滤波器的振幅平方特性如图1所示。2. chebyshev有关参数的确定 2.1 通带截止频率已预先给定 2.2 的确定与通带波纹有关的参数,通带波纹表示成 所以, , 给定通带波纹值 分贝数后，可求得 。 2.3 阶数n由阻带的边界条件确定。 、a2为事先给定的边界条件,即在阻带中的频率点处 ,要求滤波器频响衰减到1/a2以上。 （2-1）（2-2）（2-3）（2-4）滤波器阶数n对滤波特性有极大的影响，n越大，逼近特性越好，但是相应的结构也越复杂。一般情况下n等于通带内最大和最小个数的总和。n的数值可根据阻带衰减来确定。3切比雪肤低通滤波器的设计3.1 matlab函数说明1. cheb1ord.m求切比雪夫1型滤波器的阶次。2cheb1ap.m用来设计原型切比雪夫1型模拟滤波器。3cheby1.m 直接设计切比雪夫1型滤波器。此函数设计n阶切比雪夫1型滤波器，通带波动为rpdb。在长度为n+1的矢量b和a中返回滤波器系数。以上3个文件的调用格式和对应的巴特沃兹滤波器的文件类似。4impinvar.m用冲激响应不变法实现到及s到z的转换。3.2 matlab程序及运行3.2.1 matlab程序%利用模拟切比雪夫滤波器设计数字滤波器%冲击响应不变法%数字滤波器指标wp=0.2*pi;%通带截止频率ws=0.25*pi;%阻带截止频率rp=1;%通带最大衰减as=80;%阻带最大衰减t=1; %设定周期为1s%将数字滤波器指标反转换为模拟滤波器的参数%性能指标rip=10(-rp/20);atn=10(-as/20);omegap=wp*t;omegas=ws*t;%切比雪夫1型模拟滤波器的设计n,wn=cheb1ord(omegap,omegas,1,15,s); %求出满足设计指标的最小阶数n和截止频率wnb,a=cheby1(n,1,wn,low,s); %chebyshev模拟低通滤波器的生成freqs(b,a); %设计模拟的频率响应bz,az=impinvar(b,a,t); %用脉冲响应不变法映射为数字的 h,w=freqz(bz,az,512,t); %设计数字的频率响应ma=20*log10(abs(h),pha=20*log10(unwrap(angle(h),hi=impz(bz,az);ni=step(bz,az);%幅度，相位，冲击响应，阶跃相应%图形的生成subplot(2,2,1),plot(w,ma);title(幅频特性(db);xlabel(w(/pi);ylabel(db);subplot(2,2,2),plot(w,pha);title(相频特性);xlabel(w(/pi);ylabel(pha(/pi);subplot(2,2,3),plot(hi);title(单位冲击响应);xlabel(n);ylabel(h(n);subplot(2,2,4),plot(ni); title(单位阶越响应);xlabel(n);ylabel(h(n);bz,az; %加坐标网格;3.3 波形记录在matlab中运行切比雪夫滤波器的设计程序得到它的幅频特性、相频特性、单位冲激响应、单位阶越响应如图3所示四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）波形分析：切比雪夫低通滤波器的幅频特性具有等纹波特性，切比雪夫1型如图所示，器通带内为等纹波的，阻带内是单调的。冲击响应频率坐标的变换是线性的，如果模拟滤波器的频响带限于折叠频率的话，则通过变换后滤波器的频响可不失真的原响应与频率的关系。五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：文献出版社，出版年；文献内容摘要, 每篇不少于100字）1刘泉，阙大顺编 数字信号处理原理与实现，电子工业出版社，2005年6月内容摘要: 数字信号处理原理与实现（第2版）是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，同时也是“数字信号处理课程”国家精品课程教材。数字信号处理原理与实现（第2版）系统地介绍了数字信号处理的基本理论、基本分析方法和基本实现技术。全书共分为9章。第1章为绪论；第2章和第3章讲述了离散时间信号与系统的基本理论，即离散时间信号与系统的时域、频域及2域分析；第4章和第5章重点阐述了离散傅里叶变换（dft）及其快速算法（fft）；第6章至第8章深入讨论了iir和fir数字滤波器的结构、设计理论和实现方法；第9章讨论了多采样率数字信号处理的基本理论和实现。全书强调基本概念、基本理论和基本方法，并注重将计算机仿真工具matlab与教材内容紧密结合。各章中安排了丰富的例题、习题和上机练习。全书条理清楚，内容完整，重点突出。2苏金明， 王永利编 matlab7.0使用指南， 电子工业出版社，2004年11月内容摘要: 本套书基于matlab的最新版本7.0分上、下两册详细介绍该软件的使用方法，主要内容包括matlab7.0的入门知识、界面设计、编译、接口，以及新版本变化较大的图形功能和图像处理、虚拟现实、地图制作等3个工具箱。本书为上册，主要介绍matlab7.0的工人环境、数组、矩阵、数值计算、m文件、图形用户界面设计、编译、接口及二维、三维图形绘制功能，以及最新析编译器4.0、com生成器1.1和图形的交互创建及编辑功能；从图形系统开发的角度介绍二维图形定制和三维图形建模、着色、光照、材质、纹理和交互处理。此外，还介绍了一些实用的科学计算可视化工具。本书内容全面，新颖，适合大学生、研究生、科研人员和科技工作者阅读参考。3薛定宇 陈阳泉编 基于matlab/simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社 2002年内容摘要:本书首先介绍了matlab语言的程序设计的基本内容，在此基础上系统介绍了系统仿真所必要的数值计算方法及matlab实现，并以simulink为主要工具介绍了系统仿真方法与技巧，包括连续系统、离散系统、随机输入系统和复数系统的仿真，由浅入深介绍了模块封装技术、电力系统模块集、非线性系统设计模块集、s-函数编写与应用、stateflow有限状态机、虚拟现实工具箱等中高级使用方法，最后还介绍了半实物仿真技术与实时控制技术。.本书可作为一般读者学习和掌握matlabsimulink语言的教科书，也可作为高校理工科各类专业的本科生和研究生系统仿真类课程的教材和参考书，还可供科技工作者、教师作为学习和应用系统仿真分析技术解决实际问题的参考资料。. 4余成波等编，数字信号处理及matlab实现（第二版），北京：清华大学出版社，2008内容摘要: 本书就数字信号处理的基本理论、算法及matlab实现进行系统的论述。全书共7章，前两章简要介绍了离散时间信号与系统及z变换，第3、4章讨论离散傅里叶变换及快速算法，第57章介绍数字滤波器的结构和设计方法。在论述了基本理论和算法后，本书结合数字信号处理的典型例题说明用matiab进行数字信号处理的编程方法与技巧。本书每章末均编有一定数量的习题，主要用以检验学生对基本概念的理解和对分析方法的掌握；同时，本书还配备了大量matlab上机实验。本书可作为高等工科院校计算机、电子信息、通信、自动化等专业本科生的教材，也可供研究生以及从事有关工作的科技人员学习参考用书。5陈怀琛编著，数字信号处理教程matlab释义与实现，北京：电子工业出版社2004内容摘要: 本教程系统地讲解了数字信号处理的基本理论和方法，注重物理概念的阐述，尽量把matlab的多媒体功能用于图形、动画和声音等形象的演示，是一本自始至终使用matlab来阐述问题和进行计算的数字信号处理教材。本教程中的全部例题程序和演示程序都可以免费从网上下载。本教程把数字信号处理课程定位为讲述“用数字方法处理(任何)信号”的技术，因此，对模拟信号的计算机处理