数字信号处理 IIR数字滤波器的设计 课程设计 吉林建筑大学

1、吉林建筑大学电气与计算机学院数字信号处理课程设计报告设计题目： IIR数字滤波器的设计 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 高晓红 吕卅 设计时间： 2016.12.122016.12.16 教师评语：成绩 评阅教师 日期 目录第1章 概述21.1设计的作用、目的21.2设计任务及要求21.3设计内容2第2章 IIR数字滤波器的设计32.1设计原理31. 数字低通滤波器的设计原理32. 变换方法的原理52.2设计步骤6第3章 数字低通滤波器MATLAB编程及幅频特性曲线73.1 MATLAB语言编程83.2 幅频特性曲线9第4章 总结11参考文献13 第1章 概述1.1设计的作用、目

2、的课程设计是理论学习的延伸，是掌握所学知识的一种重要手段，对于贯彻理论联系实际、提高学习质量、塑造自身能力等于有特殊作用。本次课程设计一方面通过MATLAB仿真设计内容，使我们加深对理论知识的理解，同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。1.2设计任务及要求用脉冲响应不变法和双线性变换法设计巴特沃斯数字低通滤波器，并观察所设计数字滤波器的幅频特性曲线。通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：（1） 掌握双线性变换法及脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器以及窗函数法设计FIR数字滤波器的原理、具体方法及计算机编程。（2）观察双线性变换法、脉冲响应不变法及窗函数法

3、设计的滤波器的频域特性，了解各种方法的特点。（3） 用MATLAB画出三种方法设计数字滤波器的幅频特性曲线，记录带宽和衰减量，检查结果是否满足要求。1.3设计内容设计题目：IIR数字滤波器的设计设计内容：已知通带截止频率,通带最大衰减, 阻带截止频率，阻带最小衰减，T=1ms，按照以上技术要求，用脉冲响应不变法和双线性变换法设计巴特沃斯数字低通滤波器，并观察所设计数字滤波器的幅频特性曲线。第2章 IIR数字滤波器的设计2.1设计原理1. 数字低通滤波器的设计原理 数字滤波器可以分为两大类：一类是经典滤波器，即一般的滤波器特点是输入信号中有用的频率成分和希望滤去的频率成分各占不同的频率带，通过一

4、个合适的选频滤波器达到绿宝锝目的，这种滤波器主要有维纳滤波器尔曼滤波器，自适应滤波器等。 数字滤波器是一个离散时间系统。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍。数字滤波器的频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率（即二分之一抽样频率点）呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。 数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语声信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域（如通信、雷达、声纳、仪器仪表和地震勘

5、探等）都得到了广泛的应用。 数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。如果数字滤波器的内部参数不随时间而变化，则称为时不变的，否则为时变的。如果数字滤波器在某一给定时刻的响应与在此时刻以后的激励无关，则称为因果的，否则为非因果的。如果数字滤波器对单一或多个激励信号的响应满足线性条件，则称为线性的，否则为非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器。 数字滤波器可以按所处理信号的维数分为一维、二维或多维数字滤波器。一维数字滤波器处理的信号为单变量函数序列，例如时间函数的抽样值。二维或多维数字滤波器处理的信号为两个或多个变量函数序

6、列。例如，二维图像离散信号是平面坐标上的抽样值。 与模拟滤波器相同，数字滤波器从功能上看可分为低通、高通、带通和带阻几类。因为它们的单位脉冲响应是非因果且无限长的，所以实际上理想滤波器是不可能实现的。与模拟滤波器不同的是数字滤波器的传输函数都是以2为周期的，滤波器的低通频带处于2的整数倍处，而高频频带处于的奇数倍附近。 理想滤波器就是一个让输入信号中的某些有用频谱分量无任何变化的通过，同时又能完全抑制另外那些不需要的成分的具有某种选择性的器件、网络或以计算机硬件支持的计算机程序。根据对不同信号的处理可将滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器两种。模拟滤波器和数字滤波器的概念相同，只是信号的形式和实现

7、滤波方法不同。数字滤波器是指输入输出都是数字信号的滤波器。 滤波器的滤波原理局势根据信号与噪声占据不同的频带，将噪声的频率放在滤波器的阻带中，而由于阻带的响应为零，这样就滤去了噪声。一个理想滤波器将。是一个无法实现的非因果系统，我们只能用一个稳定的因果系统函数去逼近工程需要的确定的性能要求。 数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，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滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应。这种滤波器一般需要用递归模型来实现，因而有时也称之为递归滤波器。FIR滤波器的冲激响应只能延续一定时间，在工程实际中可以采用递归的方式实现，

8、也可以采用非递归的方式实现。数字滤波器的设计方法有多种，如双线性变换法、窗函数设计法、插值逼近法和Chebyshev逼近法等等。随着MATLAB软件尤其是MATLAB的信号处理工作箱的不断完善，不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能，而且还可以使设计达到最优化。（1）确定指标 在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出。第一种是绝对指标。它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器的设计。第二种指标是相对指标。它以分贝值的形式给出要求。

9、在工程实际中，这种指标最受欢迎。对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带中具有线性相位。 运用线性相位响应指标进行滤波器设计具有如下优点：只包含实数算法，不涉及复数运算；不存在延迟失真，只有固定数量的延迟；长度为N的滤波器(阶数为N-1)，计算量为N/2数量级。（2）逼近 确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常采用理想的数字滤波器模型。之后，利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。（3）性能分析和计算机仿真 上两步的结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者

10、利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。（4）滤波器的性能指标我们在进行滤波器设计时，需要确定其性能指标。一般来说，滤波器的性能要求往往以频率响应的幅度特性的允许误差来表征。以低通滤波器特性为例，频率响应有通带、过渡带及阻带三个范围。在通带内： 在阻带内： 其中Wc为通带截止频率，Ap为通带误差，Ast为阻带误差。与模拟滤波器类似，数字滤波器按频率特性划分为低通、高通、带通、带阻、全通等类型，由于数字滤波器的频率响应是周期性的，周期为2Pi。2. 变换方法的原理 利用模拟滤波器成熟的理论及其设计方法来设计IIR数字低通滤波器是常用的方法。2.2.1设计过程 按照数字滤波器技术指标

11、要求设计一个过度模拟低通滤波器，在按照一定的转换关系将转换成数字低通滤波器的系统函数。由此可见，设计的关键问题就是找到这种转换关系，将s平面上的转换成z平面上的。为了保证转换后的稳定且满足技术指标要求，对转换关系提出两点要求：（1）因果稳定的模拟滤波器转换成数字滤波器，仍是因果稳定的。（2）数字滤波器的频率响应模仿模拟滤波器的频响特性，s平面的虚轴映射为z平面的单位圆，响应的频率之间呈线性关系。 一个无限脉冲响应系统的传递函数具有可选择极点和可选择零点（而有线脉冲响应系统只具有可选择零点以及位于原点的固定极点）。模拟系统同样具有极点和零点，甚至经常只有极点（多项式滤波器或全几点滤波器）。由此得

12、出结论是，通过把PN图从s域映像变换到z域中，可以用一个无限脉冲（IIR）系统对模拟滤波器进行数字仿真。 目前，IIR数字滤波器设计最通用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法。模拟滤波器设计已经有了一套相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且还有较为完整的图表供查询，因此，充分利用这些已有的资源将会给数字滤波器的设计带来很大方便。将高通、带通或者带阻数字滤波器的技术指标先转化为低通滤波器的技术指标，然后按上述步骤(2)设计出模拟低通滤波器H(s)，再由冲击响应不变法或双线性变换将H(s)转换为所需的H(z)。 s - z 映射的方法有：冲激响应不变法、阶跃响应不变法、双线性变换法等。实际中有

13、三种广泛应用的滤波器原型，既巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫低通滤波器、椭圆低通滤波器。2.2.2巴特沃斯低通滤波器这种滤波器的特征是其通带和阻带都有平坦的幅度响应。N阶低通滤波器的平方幅度响应的表达式为： 通带： 使信号通过的频带 阻带：抑制噪声通过的频带 过渡带：通带到阻带间过渡的频率范围c ：截止频率2.2.3脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器利用模拟滤波器成熟的理论及其设计方法来设计IRR数字低通滤波器是通常的方法。从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤波器的单位脉冲响应模仿模拟滤波器的冲击响应，即h(n)是ha(t)的采样值。设T为采样周期，变换过程为： 利用模拟滤波器来设计数字滤波器，也就是

14、使数字滤波器能模仿模拟滤波器的特性，这种模仿可以从不同的角度出发。 脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤波器的单位脉冲响应序列h(n)模仿模拟滤波器的冲激响应ha(t)，即将ha(t)进行等间隔采样，使h(n)正好等于ha(t)的采样值，满足h(n)=ha(nT)式中,T是采样周期。如果令Ha(s)是h其中T为采样间隔。如果以Ha(s)及H(z)分别表示ha(t)的拉氏变换及h(n)的Z变换，则a(t)的拉普拉斯变换，H(z)为h(n)的Z变换，利用采样序列的Z变换与模拟信号的拉普拉斯变换的关系。2.2设计步骤求模拟滤波器的系统函数Ha（S）(1)确定阶数N： （2）查表确定极点，

15、写出Ga（P）（3）将Ga（P）进行归一化，求出Ha（S）（4）公式：脉冲响应不法 双线性变换法第3章 数字低通滤波器MATLAB编程及幅频特性曲线3.1 MATLAB语言编程1.脉冲响应不变法Fs=1000; Wp=400*pi;Ws=600*pi; As=25; Ap=1;N,Wc=buttord(Wp,Ws,Ap,As,'s'); B,A=butter(N,Wc,'s'); W=(0:pi:1000); D,C=impinvar(B,A,Fs); W=(0:0.001:pi)Hz=freqz(D,C,W);plot(W,abs(Hz)/abs(Hz(1);

16、grid;title('脉冲响应不变法');xlabel('频率');ylabel('幅值dB');2.双线性变换法wp=400*pi;ws=600*pi;Ap=1;As=25;T=0.001;fs=1/T;N,Wn=buttord(wp,ws,Ap,As,'s');b,a=butter(N,Wn,'s');numd,dend=bilinear(b,a,fs);w=linspace(0,pi,500);h=freqz(numd,dend,w);plot(w/pi,20*log10(abs(h);axis(0 1 -

17、50 0);grid;title('双线性变换法');xlabel('归一化频率');ylabel('幅度/dB');3.2 幅频特性曲线第4章 总结 通过这次数字信号处理的设计，让我感受到“温故而知新”是的重要性，我们总是以为知识学过了，就不用再花费时间去复习，其实，这是错误的。我感觉我们在学习知识的时候不但要听懂，学会，还要把它转化成自己知识宝库里的一部分，并能够举一反三。同时，我还深刻的感觉到，在我们学好本专业课程的同时，我们还要多去图书馆或者上网查阅一些相关的知识，而且我们还要自学一些软件，这样我们就在无形之中提高了自身的竞争力。 比如这

18、次使用的MATLAB 软件，我们曾在上课的时候学过，但是由于很久都没有去再接触它，我们已经有点淡忘，通过本次设计，我们不但对之前的操作进行了复习，而且通过查阅相关书籍又学到了很多，发现 MATLAB 具有相当强大的矩阵运算和操作功能，其程序编写也比其他语言要简单。 通过这次设计，使我发现了自己身上真的有好多不足，希望在以后的不断学习中能够得到提高，我们要“学以致用”，并能够熟练地通过书籍和网络查找知识，而且最重要的是我们以后要多花费一些时间在自学知识与软件的操作上。 本次课程设计可以说是获益匪浅。通过查阅了很多资料，了解了许多汇编程序的思想，扩展了自己的视野，不再仅仅局限于书本中几条简短的程序

19、，而且更重要的是明白态度：仔细谨慎，精益求精。 在实际操作过程中犯的一些错误还会有意外的收获，感觉设计很有意思。在具体操作中对这学期所学的技术的理论知识得到巩固，平时在做题目过程中，总更多的是被动的通过题目来熟悉再理解，而这次是通过实际操作,用Matlab画图，发现错误和问题，然后在理解的基础上再熟记于心。这是一种飞跃的进步。达到设计的基本目的，也发现自己的不足之出，在以后的上机中应更加注意，同时体会到科技的魅力所在。 在本次设计总利用模拟滤波器设计数字滤波器，就是将设计的模拟滤波器系统函数Ha(s)变换成数字滤波器系统函数H(z)。脉冲响应不变法，会产生频谱混叠。由于脉冲响应是冲激响应的采样

20、，要求模拟滤波器的频谱限带小于折叠频率。实际的滤波器不可能是严格限带，所以设计的数字滤波器不可避免地会产生混叠失真。该法只适合低通、带通滤波器的设计，不适合高通、带阻滤波器的设计。频率坐标变换是线性的，如果不考虑频谱混叠现象，设计的数字滤波器能很好地重现原模拟滤波器的频率特性。 数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域特性逼近好。双线性变换法,解决了脉冲响应不变法的混叠失真问题。它是一种简单的代数映射关系，设计十分方便。从S平面的到Z平面的的映射是非线性关系，带来了频率和相位失真。 需要通过频率预畸加以校正。要求模拟滤波器的幅频响应是分段常数型。不适于设计线性相位数字滤波器。 从下载安装Matlab到回忆使用它，都是不断的学习。锻炼了学习能力，达到了熟练课程的目的，培养了自