用MATLAB设计FIR数字滤波器教学教材.doc

用MATLAB设计FIR数字滤波器

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实验八 用MATLAB设计FIR数字滤波器（二）

一、实验目的：
1、加深对窗函数法设计FIR数字滤波器的基本原理的理解。
2、学习用MATLAB语言的窗函数法编写设计FIR数字滤波器的程序。
3、了解MATLAB语言有关窗函数法设计FIR数字滤波器的常用函数用法。
二、实验原理：
1、用窗函数法设计FIR数字滤波器
FIR数字滤波器的系统函数为

这个公式也可以看成是离散LSI系统的系统函数

分母a0为1，其余ak全都为0时的一个特例。由于极点全部集中在零点，稳定和线性相位特性是FIR滤波器的突出优点，因此在实际中广泛使用。
FIR滤波器的设计任务是选择有限长度的h(n)，使传输函数H(ejω)满足技术要求。主要设计方法有窗函数法、频率采样法和切比雪夫等波纹逼近法等。本实验主要介绍窗函数法。
用窗函数法设计FIR数字滤波器的基本步骤如下：
（1）根据过渡带和阻带衰减指标选择窗函数的类型，估算滤波器的阶数N。
（2）由数字滤波器的理想频率响应H(ejω)求出其单位脉冲响应hd(n)。
可用自定义函数ideal_lp实现理想数字低通滤波器单位脉冲响应的求解。
程序清单如下：
function hd=ideal_lp(wc,N) %点0到N-1之间的理想脉冲响应
%wc=截止频率（弧度）
%N=理想滤波器的长度
tao=(N-1)/2;
n=[0:(N-1)];
m=n-tao+eps; %加一个小数以避免0作除数
hd=sin(wc*m)./(pi*m);
其它选频滤波器可以由低通频响特性合成。如一个通带在ωc1～ωc2之间的带通滤波器在给定N值的条件下，可以用下列程序实现：
Hd=ideal_lp(wc2,N)-ideal_lp(wc1,N)
（3）计算数字滤波器的单位冲激响应h(n)=w(n)hd(n)。
（4）检查设计的滤波器是否满足技术指标。
如果设计的滤波器不满足技术指标，则需要重新选择或调整窗函数的类型，估算滤波器的阶数N。再重复前面的四个步骤，直到满足指标。
常用的窗函数有矩形窗、三角形窗、汉宁窗、哈明窗、切比雪夫窗、布莱克曼窗、凯塞窗等，MATLAB均有相应的函数可以调用。另外，MATLAB信号处理工具箱还提供了fir1函数，可以用于窗函数法设计FIR滤波器。
由于第一类线性相位滤波器（类型Ⅰ）能进行低通、高通、带通、带阻滤波器的设计，因此，本实验所有滤波器均采用第一类线性相位滤波器。
三、实验内容：
1、阅读并输入实验原理中介绍的例题程序，观察输出的数据和图形，结合基本原理理解每一条语句的含义。
2、选择合适的窗函数设计FIR数字低通滤波器，要求：ωp=0.2，Rp=0.05dB；ωs=0.3，As=40dB。描绘该滤波器的脉冲响应、窗函数及滤波器的幅频响应曲线和相频响应曲线。
解：程序清单如下：
wp=0.2*pi;ws=0.3*pi;deltaw=ws-wp;N0=ceil(6.6*pi/deltaw);
N=N0+mod(N0+1,2) %为实现FIR类型1偶对称滤波器，应确保N为奇数
windows=(hamming(N))';wc=(ws+wp)/2;%截止频率
hd=ideal_lp(wc,N);b=hd.*windows;
[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(b,1);%db
n=0:N-1;dw=2*pi/1000;
Rp=-(min(db(1:wp/dw+1))) %检验通带波动
As=-round(max(db(ws/dw+1:501))) %检验最小阻带衰减
subplot(2,2,1);stem(n,b);axis([0,N,1.1*min(b),1.1*max(b)]);title('实际脉冲响应');
xlabel('n');ylabel('h(n)');subplot(2,2,2);stem(n,windows);
axis([0,N,0,1.1]);title('窗函数特性');xlabel('n');ylabel('wd(n)');
subplot(2,2,3);plot(w/pi,db);axis([0,1,-80,10]);title('幅度频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('H(e^{j\omega})');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,wp/pi,ws/pi,1]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-50,-20,-3,0]);grid
subplot(2,2,4);plot(w/pi,pha);axis([0,1,-4,4]);title('相位频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('\phi(\omega)');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,wp/pi,ws/pi,1]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-3.1416,0,3.1416,4]);grid
程序运行结果： N =67
Rp =0.0394
As =52
波形如下：

3、 用凯塞窗设计一个FIR数字高通滤波器，要求：ωp=0.3，Rp=0.1dB；ωs=0.2，As=50dB。描绘该滤波器的脉冲响应、窗函数及滤波器的幅频响应曲线和相频响应曲线。
解：程序清单如下：
wp=0.3*pi;ws=0.2*pi;
deltaw=wp-ws;
N0=ceil(6.1*pi/deltaw);
N=N0+mod(N0+1,2) %为实现FIR类型1偶对称滤波器，应确保N为奇数
windows=(kaiser(N))';
wc=(ws+wp)/2;
hd=ideal_lp(pi,N)-ideal_lp(wc,N);
b=hd.*windows;
[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(b,1);
n=0:N-1;dw=2*pi/1000;
Rp=-(min(db(wp/dw+1:501))) %检验通带波动
As=-round(max(db(1:ws/dw+1))) %检验最小阻带衰减
subplot(2,2,1);stem(n,b);
axis([0,N,1.1*min(b),1.1*max(b)]);title('实际脉冲响应');
xlabel('n');ylabel('h(n)');
subplot(2,2,2);stem(n,windows);
axis([0,N,0,1.1]);title('窗函数特性');
xlabel('n');ylabel('wd(n)');
subplot(2,2,3);plot(w/pi,db);
axis([0,1,-40,2]);title('幅度频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('H(e^{j\omega})');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,ws/pi,wp/pi,1]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-20,-3,0]);grid
subplot(2,2,4);plot(w/pi,pha);
axis([0,1,-4,4]);title('相位频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('\phi(\omega)');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,ws/pi,wp/pi,1]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-pi,0,pi]);grid
运行结果： N =61
Rp = 1.1756
As =29

波形如下：

4、 选择合适的窗函数设计一个FIR数字带通滤波器，要求：fp1=3.5kHz，fp2=6.5kHz，Rp=0.05dB；fs1=2.5kHz，fs2=7.5kHz，As=60dB。滤波器采样频率Fs=20kHz。描绘该滤波器的脉冲响应、窗函数及滤波器的幅频响应曲线和相频响应曲线。
解：程序清单如下：
fp1=3500;fp2=6500;
fs1=2500;fs2=7500;
Fs=20000;
ws1=fs1/(Fs/2)*pi;
ws2=fs2/(Fs/2)*pi;
wp1=fp1/(Fs/2)*pi;
wp2=fp2/(Fs/2)*pi;
deltaw=wp1-ws1;
N0=ceil(11*pi/deltaw);
N=N0+mod(N0+1,2)%为实现FIR类型1偶对称滤波器，应确保N为奇数
windows=blackman(N);
wc1=(ws1+wp1)/2/pi;
wc2=(ws2+wp2)/2/pi;
b=fir1(N-1,[wc1,wc2],windows);
[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(b,1);
n=0:N-1;dw=2*pi/1000;
Rp=-(min(db(wp1/dw+1:wp2/dw+1)))%检验通带波动
ws0=[1:ws1/dw+1,ws2/dw+1:501];%建立阻带频率样点数组
As=-round(max(db(ws0)))%检验最小阻带衰减
subplot(2,2,1);stem(n,b);
axis([0,N,1.1*min(b),1.1*max(b)]);title('实际脉冲响应');
xlabel('n');ylabel('h(n)');
subplot(2,2,2);stem(n,windows);
axis([0,N,0,1.1]);title('窗函数特性');
xlabel('n');ylabel('wd(n)');
subplot(2,2,3);plot(w/pi,db);
axis([0,1,-150,10]);title('幅度频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('H(e^{j\omega})');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,fs1,fp1,fp2,fs2,8000]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-150,-40,-3,0]);grid
subplot(2,2,4);plot(w/pi,pha);
axis([0,1,-4,4]);title('相位频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('\phi(\omega)');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,fs1,fp1,fp2,fs2,500]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-pi,0,pi]);grid
运行结果： N = 111
Rp =0.0034
As =74
波形图如下：

5、 选择合适的窗函数设计一个FIR数字带阻滤波器，要求：fp1=1kHz，fp2=4.5kHz，Rp=0.1dB；fs1=2kHz，fs2=3.5kHz，As=40dB。滤波器采样频率Fs=10kHz。描绘该滤波器的脉冲响应、窗函数及滤波器的幅频响应曲线和相频响应曲线。
解：程序清单如下：
fs1=2000;fs2=3500;fp1=1000;fp2=4500;Fs=10000;
ws1=fs1/(Fs/2)*pi;ws2=fs2/(Fs/2)*pi;wp1=fp1/(Fs/2)*pi;wp2=fp2/(Fs/2)*pi;
deltaw=ws1-wp1;
N0=ceil(6.1*pi/deltaw);N=N0+mod(N0+1,2)
windows=(hanning(N))';
wc1=(ws1+wp1)/2;wc2=(ws2+wp2)/2;
hd=ideal_lp(wc1,N)+ideal_lp(pi,N)-ideal_lp(wc2,N);%建立理想带阻
b=hd.*windows;
[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(b,1);
n=0:N-1;dw=2*pi/1000;
wp0=[1:wp1/dw+1,wp2/dw+1:501];%建立通带频率样点数组
As=-round(max(db(ws1/dw+1:ws2/dw+1))) %检验最小阻带衰减
Rp=-(min(db(wp0))) %检验通带波动
subplot(2,2,1);stem(n,b);axis([0,N,1.1*min(b),1.1*max(b)]);
title('实际脉冲响应');xlabel('n');ylabel('h(n)');
subplot(2,2,2);stem(n,windows);
axis([0,N,0,1.1]);title('窗函数特性');xlabel('n');ylabel('wd(n)');
subplot(2,2,3);plot(w/pi,db);axis([0,1,-150,10]);
title('幅度频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi）');ylabel('H(e^{j\omega})');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,wp1/pi,ws1/pi,ws2/pi,wp2/pi,1]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-150,-40,-3,0]);grid
subplot(2,2,4);plot(w/pi,pha);axis([0,1,-4,4]);
title('相位频率响应');
xlabel('频率（单位：\pi');ylabel('\phi(\omega)');
set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,wp1/pi,ws1/pi,ws2/pi,wp2/pi,1]);
set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-pi,0,pi]);grid
运行结果： N =31
As =44
Rp =0.0938
波形图如下：

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