通信系统综合设计实践
题目
基MATLAB低通滤波器设计
院(系)名称
信院通信系
专业名称
通信工程
学生姓名
学生学号
指导教师
2013年 5 月 25 日
目 录
摘2
1.巴特沃斯低通数字滤波器简介3
11选择巴特沃斯低通滤波器双线性变换法原4
12巴特沃斯低通滤波器基原理4
121巴特沃斯低通滤波器基原理4
122双线性变换法原理 5
13数字滤波器设计流程图 7
14数字滤波器设计步骤 7
2巴特沃斯低通数字滤波器技术指标设置8
3matlab实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真分析9
31matlab实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真9
32波形图分析 10
4Simulink实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真分析11
41 Simulink简介 11
42Simulink实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真 11
43波形图分析 11
431 Simulink波形图分析 11
432matlab波形较 14
5总结体会 15
6附录16
摘
低通滤波器规定频率信号分量通该频率信号分量抑制电容电感电阻等器件组合装置巴特沃斯滤波器电子滤波器种特点通频带频率响应曲线限度坦没起伏阻频带逐渐降零构成低通高通带通带阻四种组态目前流行类数字滤波器 离散化作数字巴特沃思滤波器较模拟滤波器具精度高稳定灵活求阻抗匹配等众优点动控制语音图通信雷达等众领域广泛应种具坦幅度响应低通滤波器文介绍中常种——巴特沃斯低通数字滤波器文侧重理分析matlab编程结果分析
(1)文先概述巴特沃斯低通数字滤波器工作原理特点
(2)设置技术指标
(3)matlab进行软件编程仿真波形理值进行较分析中异通输入波形验证设计巴特沃斯低通数字滤波器准确性
(4)实验结果理结果进行较分析异点进行总体分析
(5)Simulink进行硬件电路仿真观察仿真结果通输入波形验证仿真效果
(6)通Matlab软件仿真Simulink硬件仿真较说明两者优缺点
(7)实验结果进行总结写出感想
关键字: matlab 低通滤波器 巴特沃斯
1 巴特沃斯低通数字滤波器简介
11选择巴特沃斯低通滤波器双线性变换法原
(1)低通滤波器组成滤波器基础选低通滤波器
(2)社会数字信号应越越广泛选数字信号
(3)巴特沃斯滤波器特点通频带频率响应曲线滑应范围广选巴特沃斯型滤波器
(4)数字滤波器ω附产生频谱混叠选双线性变换法
12巴特沃思低通滤波器基原理:
121巴特沃思低通滤波器基原理:
巴特沃斯低通数字滤波器幅度方函数式表示
式中N称滤波器阶数0时时3dB截止频率附加幅度迅速降幅度特性N关系图11示幅度降速度阶数N关N愈通带愈坦渡带愈窄渡带阻带幅度降速度愈快总频响特性理想低通滤波器误差愈
图11 巴特沃斯低通数字滤波器 图12 三阶巴特沃斯滤波器极点
幅度特性N关系 分布图
s换幅度方函数写成s函数
复变量式表示幅度方函数2N极点极点式表示: (0123…)
2N极点等间隔分布半径圆(该圆称巴特沃斯圆)间隔rad例N3极点间隔3rad图12示
形成果稳定滤波器2N极点中取s面左半面N极点构成Ha(s) 右半面N极点构成Ha(s)Ha(s)表达式
设计公式图表统频率化巴特沃斯低通数字滤波器采3dB截止频率化化系统函数
令称化频率 称化复变量样巴特沃斯低通原型系统函数
122双线性变换法原理
双线性变换法数字滤波器频率响应模拟滤波器频率响应相似种变换方法克服值映射缺点采整s面频率压缩方法
整频率轴频率范围压缩πT~πT间转换Z面说第步先整S面压缩映射S1面πT~πT条横带里第二步通标准变换关系横带变换整Z面样S面Z面建立应单值关系消值变换性消频谱混叠现象映射关系图13示
设Ha(s)非线性频率压缩表示里正切变换实现频率压缩:
图13 双线性变换映射关系
式中T采样间隔πT0变化πT时∞0变化+∞实现s面整虚轴完全压缩面虚轴+πT间转换
代入
通面转换z面
式S面Z面间单值映射关系种变换两线性函数称双线性变换
双线性变换法激响应变法相优点避免频率响应混叠现象然线性方面欠缺通频率预畸加校正计算激响应变法方便实现起较容易设计选择双线性变换法设计巴特沃斯低通滤波器
13数字滤波器设计流程图
数字滤波器技术指标
指标参数变 换
相应模拟滤波器设计
模拟滤波器离散化
数字滤波器
14数字滤波器设计步骤
数字滤波器设计步骤:根数字滤波器技术指标先设计渡模拟滤波器系统函数Ha(s)然Ha(s)某种方法(实验采双线性变换法)转换成数字滤波器系统函数H(z)具体:
(1)确定巴特沃斯数字低通滤波器技术指标:通带边界频率ωp阻带截止频率ωs通带衰减аp阻带衰减аs
(2)数字滤波器技术指标转换模拟滤波器技术指标里指ωpωs变换аpаs保持变题采双线性变换法转换公式:
(3)根技术指标ΩpΩsωpωs面公式求出滤波器阶数
(4) 根N表14求出化极点化低通原型系统函数Ga(p)
表14 巴特沃斯化低通滤波器参数
分母式
阶数
B(p)B1(p)B2(p)…B[N2](p) [N2表示取等N2整数]
1
(p2+1)
2
(p2+14142p+1)
3
(p2+p+1)(p+1)
4
(p2+07654p+1)(p2+18478p+1)
5
(p2+06180p+1)(p2+16180p+1)(p+1)
6
(p2+05176p+1)(p2+14142p+1)(p2+19319p+1)
7
(p2+04450p+1)(p2+12470p+1)(p2+18019p+1)(p+1)
8
(p2+03902p+1)(p2+11111p+1)(p2+16629p+1)(p2+19619p+1)
9
(p2+03473p+1)(p2+p+1)(p2+15321p+1)(p2+18974p+1)(p+1)
(5)Ga(p)化代入Ga(p)实际滤波器系统函数:
里Ωc3dB截止频率
(6)双线性变换法模拟滤波器Ha(s)转换成数字低通滤波器系统函数H(z)转换公式:
s
2 巴特沃斯低通数字滤波器技术指标设置
数字低通技术指标
ωp30Hz αp1dB
ωs60Hz αs30dB
采样频率fs500
设计求:
输入xsin(2*π*20*t)+2*sin(2*π*100*t)+5*sin(2*π*200*t)合成信号滤波器滤30Hz分量保留sin(2*π*20*t)分量信号验证设计滤波器否达设计求
设计目:
(1)理解低通滤波器滤方法
(2)进步熟悉低通滤波器基应
(3)仿真工具matlabSimulink分设计滤波器进行软件硬件仿真
(6)仿真结果进行较检验滤波器滤波性准确性
3matlab实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真分析
31matlab实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真
Matlab程序:
fs500
t01fs1
xsin(2*pi*20*t)+2*sin(2*pi*100*t)+5*sin(2*pi*200*t)
wp2*30fs
ws2*60fs
Rp1
As30
subplot(311)
plot(tx)
title('输入信号')
[Nwc]buttord(wpwsRpAs)
[BA]butter(Nwc)
[HW]freqz(BA)
yfilter(BAx)
subplot(312)
plot(Wabs(H))
title('低通滤波器')
subplot(313)
plot(ty)
title('30Hz')
matlab滤波前信号波形变化图31示:
图31 matlab滤波前信号波形变化
32波形图分析:
技术指标:设计巴特沃斯低通数字滤波器30Hz信号通高30Hz信号通滤波器设计输入信号:xsin(2*π*20*t)+2*sin(2*π*100*t)+5*sin(2*π*200*t)通设计巴特沃斯低通数字滤波器验证设计巴特沃斯低通数字滤波器否准确
图31示输入信号xsin(2*π*20*t)+2*sin(2*π*100*t)+5*sin(2*π*200*t)图形1秒重复20次频率20Hz幅度8sin(2*π*20*t)2*sin(2*π*100*t)5*sin(2*π*200*t)三正弦波合成图中知输入信号幅度频率输入信号理波形完全相通低通滤波器信号剩1秒波形重复2025次周期12025s频率2025Hz 幅度1输入信号中sin(2*π*20*t)分量相差频率稍微失真说明设计
低通滤波器达求
4Simulink实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真分析
41Simulink简介
SimulinkMatlab重组件MATLAB中种视化仿真工具 种基MATLAB框图设计环境实现动态系统建模仿真分析软件包提供动态系统建模仿真综合分析集成环境该环境中需量书写程序需通简单直观鼠标操作构造出复杂系统Simulink具适应面广结构流程清晰仿真精细贴实际效率高灵活等优点基优点Simulink已广泛应控制理数字信号处理复杂仿真设计时量第三方软件硬件应求应Simulink
42Simulink实现巴特沃斯低通数字滤波器仿真
Simulink硬件仿真电路图41示
图41 Simulink硬件仿真原理图
43波形图分析
431 Simulink波形图分析
图中Sine Wave正弦波函数分sin(2*π*20*t)2*sin(2*π*100*t)5*sin(2*π*200*t)三加号求函数Digital Filter Design巴特沃斯低通数字滤波器设置图42示Scope三信号相加波形(图4344示)观察输入信号Scope1巴特沃斯低通数字滤波器波形(图45示)观察滤波效果
Digital Filter Design设置图三示设置巴特沃斯低通数字滤波器Scope输入信号图43幅度略五周期001s频率100Hz输入信号xsin(2*π*20*t)+2*sin(2*π*100*t)+5*sin(2*π*200*t)幅度8频率200Hz较差距说明失真较严重存信号衰减Scope1(图45示)滤波信号幅度115s55s波形重复10次周期005s频率20Hz输入信号中sin(2*π*20*t)相幅度变01说明噪声干扰基达设计求
图42 Digital Filter Design
图43 输入信号波形
图44 输入信号波形
图45 滤波信号
432MatlabSimulink仿真结果较:
输入信号较
Simulink出信号干扰较失真较严重说明存外界干扰导致信号衰减matlab出信号较干扰忽略
巴特沃斯低通数字滤波器较
图31中低通滤波器图42较知matlab设计滤波器渡带较窄Simulink设计滤波器渡带较仿真结果matlab相效果较差matlab设计滤波器理值差距较滤波效果更
输出信号较
matlab滤波信号理信号1秒14周期效果错Simulink滤波信号周期没变幅度01滤波器控制幅度幅度变化说明存外界干扰说明噪声较滤波效果达设计求
综述
图44图45知Simulink设计滤波器输入信号滤波信号均存5s延迟说明加法器处理速度较慢matlab设计滤波器存现象滤波效果matlab设计滤波器效果较存频率误差影响Simulink设计滤波器频率失真存较外界干扰认matlab设计巴特沃斯低通数字滤波器滤波效果较
设计结果理值较均存定误差侧面说明实验结果定范围误差允许理值均定误差避免中原种样实验设计合理外界素干扰信号衰减通断改进设计原理优化设计步骤等措施减误差时告诉理结果转换成实际应均进行定优化达实际应求
5总结体会
数字滤波器种数字信号进行滤波处理期响应特性离散时间系统够效数字信号进行滤滤数字信号中干扰余成分够保证通信程正常实现
次实验设计选择通信系统中常基础巴特沃斯低通数字滤波器根定数字数字滤波器技术指标先设计渡模拟滤波器系统函数Ha(s)然Ha(s)采双线性变换法转换成数字滤波器系统函数H(z)变换程中避免频率混叠现象然根数字滤波器系统函数编写程序分运matlabSimulink仿真工具设计巴特沃斯低通数字滤波器进行仿真次调试产生仿真结果分析误差允许范围低通数字滤波器设计验证实验信号合成数字信号进行编程通设计滤波器仿真结果理结果进行观察较判定设计滤波器符合求
次课程设计熟悉巴特沃斯低通数字滤波器基知识MATLABm语言相关模块Simulink应课理知识运实际中更步巩固课堂学理知识理解掌握数字信号处理中基概念基原理基分析方法学数字信号处理门课理知识通实验真正理解意义时进行matlab软件Simulink硬件仿真两种方法设计出
设计程中遇理知识忘记总体轮廓设计编程少导致熟练软件尤Simulink模块运熟练等问题思考讨翻阅相关资料终问题解决设计出符合标准滤波器通相关信号进行验证
次课程设计发现足学生活中注意改进足会更加努力学专业知识注重运实际克服足时机会学理知识运实际中克服学理枯燥乏味提高动手力思维力学积极性时锻炼团队协作力工作考研提供帮助受益匪浅
6附录
附录 参考文献
1高西全丁玉美 数字信号处理(第三版) 西安电子科技学出版社
2刘波文忠 MATLAB信号处理 电子工业出版社
3樊昌信 通信原理(第六版) 国防工业出版社
4刘学勇 详解MATLABSimulink通信系统建模仿真 电子工业出版社
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