數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)電子技術(shù)等專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-02-14 15:06 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分析的多圖形環(huán)境。它為信號(hào)處理工具箱中的很多函數(shù)提供了易于使用的界面，只需要操縱鼠標(biāo)就可以觀察、分析和打印數(shù)字信號(hào)，分析、實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，以及頻譜分析等[6]。啟動(dòng)Matlab后在命令窗口輸入SPTool回車就可以打開SPTool的主窗口。如圖 4–1 所示，由SPTool的主窗口可以看出，SPTool有3個(gè)列表框：Signals列表框，F(xiàn)ilters列表框和Spectra列表框，它們對(duì)應(yīng)著SPTool工具中的4個(gè)功能模塊[6]：(1)信號(hào)瀏覽器；(2)濾波器設(shè)計(jì)器；(3)濾波器觀察器；(4)譜觀察器。圖41 SPTool的主窗口在用SPTool進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，必須先載入數(shù)據(jù)或先設(shè)計(jì)好濾波器。按照不同的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)載入可以分為信號(hào)數(shù)據(jù)載入、濾波器數(shù)據(jù)載入以及功率譜數(shù)據(jù)載入。首先在Matlab工作空間創(chuàng)建信號(hào)數(shù)據(jù)。這里以低通為例，[9] [10]：fs=1000。 t=0:1/fs:1。x=sin(2*pi*5*t)。xn=x+rand(size(t))。 [B,A]=butter(20,)。plot(t,xn)可以利用File菜單中的Import選項(xiàng)將其他信號(hào)、濾波器或頻譜由Matlab工作區(qū)中導(dǎo)入到SPTool工作區(qū)內(nèi)。如圖42所示：圖42 導(dǎo)入信號(hào) xn 圖43 信號(hào)sig1已經(jīng)從工作區(qū)中選擇數(shù)據(jù)xn導(dǎo)入到Signals列中，所導(dǎo)入的數(shù)據(jù)命名為sig1。這時(shí)單擊OK按鈕，將以此信號(hào)sig1更新原來(lái)的SPTool窗口。選擇Signals列中信號(hào)的名稱，并單擊列表下面的View按鈕，就可以查看信號(hào)了。如圖43給出了受干擾的正弦波sig1。Signals Browser窗口允許查看、測(cè)試和分析時(shí)域信號(hào)的特定區(qū)域。它包括有水平和垂直標(biāo)記、帶有軌跡和范圍的標(biāo)記，并顯示信號(hào)的波峰和波谷，用于測(cè)試和對(duì)比。接下來(lái)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)FIR低通濾波器去濾除高頻噪聲分量。將濾波器導(dǎo)入到Matlab工作區(qū)中最簡(jiǎn)單的方法是單擊 File|Import，并導(dǎo)入分子B和分母A系數(shù)，如圖44所示。并單擊View來(lái)查看所導(dǎo)入濾波器的特性。Filter Viewer窗口允許用戶查看所設(shè)計(jì)濾波器的特性，包括濾波器的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)、群延遲、零點(diǎn)極點(diǎn)圖、沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)。圖44 導(dǎo)入分子分母系數(shù) 圖45 Filter Designer窗口SPTool工具箱中還可以根據(jù)自己定義的規(guī)格設(shè)計(jì)FIR和IIR濾波器，可以通過(guò)單擊SPTool中Filters列之下的New按鈕來(lái)完成這一操作。這里選擇SPTool/Filters中的Edit，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)，將出現(xiàn)如圖45所示設(shè)計(jì)的Filter Designer窗口，這里也允許自己去選擇一個(gè)濾波器設(shè)計(jì)算法、濾波器類型和頻率規(guī)格。最后通過(guò)單擊SPTool窗口中的Apply按鈕，可以選擇所設(shè)計(jì)的濾波器或所導(dǎo)入的濾波器LSLp，并將其應(yīng)用至輸入信號(hào)sig3。如下圖46所示：圖46 信號(hào)sig3將出現(xiàn)一個(gè)新的窗口，他允許我們選擇濾波器的結(jié)構(gòu)，并指定輸出信號(hào)的名稱為sig3。由SPTool窗口中選擇sig1和sig3，并單擊Signal列下面的 View按鈕，可以查看輸入信號(hào)(見圖411)和濾波后輸出信號(hào)的時(shí)域圖。如圖47(a) 、(b)所示 (a)濾波前信號(hào) (b)濾波后的信號(hào) 圖47 從濾波前后波形對(duì)比，我們可以看出，高頻分量被濾除掉了。 FIR濾波器的Matlab FDATool工具箱的簡(jiǎn)介Matlab中包括一組用于設(shè)計(jì)、分析和實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的函數(shù)。利用FDATool來(lái)為實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)、分析和量化FIR濾波器，F(xiàn)DATool中整合了濾波器設(shè)計(jì)工具箱和信號(hào)處理工具箱。這一強(qiáng)大的工具將傳統(tǒng)的命令行濾波器設(shè)計(jì)功能集成在一個(gè)圖形窗口環(huán)境中。 濾波器設(shè)計(jì)與FDATool工具箱簡(jiǎn)介在Matlab命令窗口中鍵入FDATool啟動(dòng)FDATool。FDATool打開默認(rèn)設(shè)計(jì)模式，如圖48所示。圖48 FDATool窗口FDATool包含一個(gè)交互式GUI，它允許使用者指定以下濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)[6]： （1） 濾波器類型可以為低通、高通、帶通、帶阻、多頻器、微分器、Hibert轉(zhuǎn)換器、任意幅度、任意相位、升余弦。（2） 濾波器設(shè)計(jì)方法可以是用于FIR濾波器的等紋波、最小平方和加窗法。（3） 濾波器階數(shù)可由使用者指定，也可以是由濾波器設(shè)計(jì)方法確定的最小階數(shù)。（4） 窗口技術(shù)要求僅可用于采用傅立葉方法的FIR設(shè)計(jì)。其中共有16種窗口可供選擇。（5） 頻率設(shè)計(jì)要求可以是采樣頻率(fs) 、通帶截止頻率或阻帶截止頻率。 （6） 幅度技術(shù)要求可以是通帶紋波和阻帶紋波，單位可以為線性單位或dB. 有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器的指標(biāo)這里以一個(gè)具體例子為例利用FDATool設(shè)計(jì)FIR濾波器的過(guò)程。濾波器的技術(shù)要求給出如下：（1）應(yīng)使用等紋波設(shè)計(jì)方法以最低階數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)帶通FIR濾波器。 （2）以Hz為單位的頻率技術(shù)要求為Fstop1=800Hz, Fstop2=1 500Hz，F(xiàn)pass1=1 000Hz，F(xiàn)pass2=1 300Hz,采樣頻率Fs=8 000Hz。（3）低阻與高阻帶紋波的幅度技術(shù)要求分別為50dB（As1）和60dB(As2)。通帶紋波限制為1dB(Ap)。 Matlab FDATool工具箱的FIR濾波器設(shè)計(jì)有了帶通濾波器的技術(shù)要求后，就可以進(jìn)行Matlab軟件設(shè)計(jì)了。首先打開MATLAB進(jìn)入命令窗口，在命令窗口中敲入“FDATool”命令，然后回車，就進(jìn)入了FDATool的默認(rèn)設(shè)計(jì)模式如上圖47所示。在FDATool的默認(rèn)設(shè)計(jì)模式中有“Response Type”，可以從中選擇“Lowpass”，“Bandpass”，“Highpass”等濾波器類型，這里以“Bandpass”為例。把技術(shù)指標(biāo)填入相應(yīng)的筐中，再點(diǎn)擊“Design Filter”,設(shè)計(jì)的濾波器就如圖49 Bandpass所示。完成濾波器的設(shè)計(jì)之后，可以分析濾波器的特性。如圖48所示，可以通過(guò)選擇Analysis菜單中所列的方法或單擊工具欄按鈕來(lái)訪問分析方法。從Analysis菜單中選擇Magnitude Response,在右上窗口中顯示幅度響應(yīng)曲線，如圖410所示，還可以選擇Phase Response如圖411所示：圖49 Bandpass 圖410 Magnitude Response 圖411 Phase Response Response FDATool還提供了給出濾波器特性的附加顯示。這些曲線包括相位響應(yīng)、群延遲、沖激響應(yīng)、階躍響應(yīng)、極零圖和濾波器系數(shù)。FIR濾波器的沖激響應(yīng)顯示所設(shè)計(jì)濾波器的系數(shù)。極零圖顯示極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置。例如，相位響應(yīng)和沖激響應(yīng)分別顯示于圖411和圖412中。相
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