基于matlab的帶通帶阻濾波器的設(shè)計

摘要 模擬濾波器的理論和設(shè)計方法以發(fā)展的相當(dāng)成熟，且有多種典型的模擬濾波器供我們選擇，如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器、貝塞爾濾波器等。這些濾波器都有嚴(yán)格的設(shè)計公式，現(xiàn)成的曲線和圖表供設(shè)計人員使用，而且所設(shè)計的系統(tǒng)函數(shù)都滿足電路實現(xiàn)條件。本次課程設(shè)計是利用MATLAB的buttord和butter函數(shù)設(shè)計巴特沃斯模擬濾波器，得到損耗函數(shù)和相頻特性函數(shù)的圖形。關(guān)鍵字： 模擬濾波器 MATLAB 損耗函數(shù) 相頻特性目錄摘要1目錄2一、 MATLAB簡介31、 MATLAB介紹32、 功能特性33、 應(yīng)用4一、 設(shè)計原理51、帶阻濾波器的設(shè)計原理52、帶通濾波器的設(shè)計原理7二、軟件實現(xiàn)81、帶阻濾波器設(shè)計82、 帶通濾波器的設(shè)計9三、仿真設(shè)計121、 帶阻濾波器仿真設(shè)計122、 帶通濾波器的仿真設(shè)計14致謝16參考文獻(xiàn)161、 MATLAB簡介1、 MATLAB介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 2、 功能特性主要功能 1.數(shù)值分析2.數(shù)值和符號計算3.工程與科學(xué)繪圖4.控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真5.數(shù)字圖像處理6.數(shù)字信號處理7.通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真8.財務(wù)與金融工程3、 應(yīng)用MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 1、 數(shù)值分析2、 數(shù)值和符號計算3、 工程與科學(xué)繪圖4、控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真5、數(shù)字圖像處理技術(shù)6、數(shù)字信號處理技術(shù)7、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真8、財務(wù)與金融工程9、管理與調(diào)度優(yōu)化計算（運(yùn)籌學(xué)）MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。1、 設(shè)計原理 模擬帶通、帶阻濾波器的設(shè)計過程是：先將希望設(shè)計的各種濾波器轉(zhuǎn)換為低通濾波器技術(shù)指標(biāo)，然后設(shè)計相應(yīng)的低通濾波器，最后采用頻率轉(zhuǎn)換法將低通濾波器轉(zhuǎn)換成所希望的各種濾波器。1、帶阻濾波器的設(shè)計原理 本設(shè)計中分別用ha(t)、Ha(s)、Ha(j)表示模擬濾波器的單位脈沖相應(yīng)、系統(tǒng)函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)，三者的關(guān)系如下Ha(s)=LTha(t)=ha（t）exp(-st)dtHa(j)=FTha(t)=ha（t）exp(-jt)dt 可以用ha(t)、Ha(s)、Ha(j)中任一個描述模擬濾波器，也可以用線性常系數(shù)微分方程描述模擬濾波器。但是設(shè)計模擬濾波器時，設(shè)計指標(biāo)一般由幅頻相應(yīng)函數(shù)|Ha(j)|給出，而模擬濾波器設(shè)計就是根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，求系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)。 工程實際中通常用所謂的損耗函數(shù)即衰減函數(shù)A（）來描述濾波器的幅頻響應(yīng)特性，對歸一化幅頻響應(yīng)函數(shù)，A（）定義如下：A（）=-20lg|Ha(j)|=-10lg|Ha(j)|2dB模擬帶阻濾波器的設(shè)計指標(biāo)參數(shù)有1p、1s、0、su、pu。p1和pu分別表示帶阻濾波器的通帶下邊界頻率和通帶上邊界頻率；1s和su分別表示帶阻濾波器的阻帶下邊界頻率和阻帶上邊界頻率。1和2分別稱為通帶和阻帶波紋幅度 圖1 帶阻濾波器帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)要求必須是幾何對稱的。如果帶阻濾波器不是幾何對稱的，為了使對稱的帶阻濾波器滿足最小阻帶衰減要求，在由非對稱的帶阻濾波器變換為對稱的帶阻濾波器時，保留非對稱帶阻濾波器的阻帶截止頻率調(diào)整兩個通帶截止頻率中的一個，調(diào)整過程步驟如下:（1） 計算(0)2=1ssu（2）計算 p1=(0)2/pu ，如果p1>1p,用p1代替1p；（3）如果p11p，計算pu=(0)2/pu，并用pu代替pu；（4） 如果A1pA2p，選擇Ap=minA1p,A2p。 所有類型的變換，包括各自與低通原型的頻率變換如表1所示。用頻率變換法設(shè)計一個模擬濾波器的步驟如下：1、 確定低通、高通、帶通和帶阻模擬濾波器的技術(shù)要求。當(dāng)要求的帶通或帶阻濾波器是非幾何對稱時，根據(jù)上面描述的過程使這些技術(shù)要求成幾何對稱的；2、 2、根據(jù)表1中的變換關(guān)系，確定歸一化低通濾波器的技術(shù)要求：通帶截止頻率為，阻帶截止頻率為s，阻帶衰減為Ap(dB)，阻帶衰減為As(dB)；3、根據(jù)p、s、Ap和As，用巴特沃斯設(shè)計歸一化低通濾波器；4、根據(jù)表1最右欄的變換關(guān)系，得到要求的非歸一化模擬濾波器。 表1模擬濾波器的頻率變換2、帶通濾波器的設(shè)計原理 設(shè)計巴特沃斯帶通濾波器時，首先應(yīng)根據(jù)參數(shù)要求設(shè)計出相應(yīng)的模擬濾波器，其步驟如下：1）由模擬濾波器的設(shè)計指標(biāo)wp，ws，Ap，As和式（1）確定濾波器階數(shù)N。 （1）2）由式（2）確定wc。 （2）3）若N是奇數(shù)，則有式（3）和式（4）確定濾波器的系統(tǒng)函數(shù)；若N是偶數(shù)，則式（3）和式（5）確定濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。然后把設(shè)計好的模擬Butterworth濾波器變換成數(shù)字濾波器，常采用的方法有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。 （3） （4） （5）巴特沃什濾波器是根據(jù)幅頻特性在通頻內(nèi)具有最平坦特性而定義的濾波器。一維巴特沃什濾波器的平方幅頻特性函數(shù)為 （6）可以看出，濾波器的幅頻特性隨著濾波器階次N的增加而變得越來越好。在截止頻率c處的函數(shù)值始終為的情況下，在通帶內(nèi)更多的頻帶區(qū)的值接近1；在阻帶內(nèi)函數(shù)更迅速的趨近0。巴特沃什濾波器的主要特征：（1）對于所有N，（2）對于所有N，（3）是的單調(diào)下降函數(shù)。（4）隨著階次N的增大而更加接近于理想濾波器。二、軟件實現(xiàn)1、帶阻濾波器設(shè)計帶阻濾波器指標(biāo)： 阻帶上邊界頻率：5Kz； 阻帶下邊界頻率：7Kz； 通帶上邊界頻率：2Kz； 通帶下邊界頻率：9Kz； 通帶最大衰減：1dB； 阻帶最小衰減：20dB；設(shè)計程序如下：wp=2*pi*2000,9000;ws=2*pi*5000,7000;Rp=1;As=20;Nb,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s);BSB,ASB=butter(Nb,wc,stop,s);hk,w=freqs(BSB,ASB);subplot(2,2,1)plot(w,20*log(abs(hk),b)xlabel(頻率/Hz)ylabel(幅度/dB)title(幅頻特性)subplot(2,2,2)plot(angle(hk)xlabel(頻率/Hz)ylabel(相位)title(相頻特性)程序運(yùn)行結(jié)果：巴特沃斯模擬帶阻濾波器階數(shù)：Nb=4巴特沃斯模擬帶阻濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子多項式系數(shù)向量：巴特沃斯模擬帶阻濾波器系統(tǒng)函數(shù)分母多項式系數(shù)向量： 圖2 帶阻濾波器的幅頻特性和相頻特性2、 帶通濾波器的設(shè)計 帶通濾波器指標(biāo)： 通帶上邊界頻率：4Kz； 通帶下邊界頻率：7Kz； 阻帶上邊界頻率：2Kz； 阻帶下邊界頻率：9Kz； 通帶最大衰減：1dB； 阻帶最小衰減：20dB；設(shè)計程序如下：wp=2*pi*4000,7000;ws=2*pi*2000,9000;Rp=1;As=20;N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s);BB,AB=butter(N,wc,s);hk,w=freqs(BB,AB);subplot(2,2,1)plot(w,abs(hk),b)xlabel(頻率/Hz)ylabel(幅度/dB)title(幅頻特性)subplot(2,2,2)plot(angle(hk)xlabel(頻率/Hz)ylabel(相位)title(相頻特性)程序運(yùn)行結(jié)果：巴特沃斯模擬帶通濾波器階數(shù)：N=5巴特沃斯模擬帶通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子多項式系數(shù)向量：巴特沃斯模擬帶通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分母多項式系數(shù)向量： 圖4 帶通濾波器的幅頻特性和相頻特性 三、仿真設(shè)計1、 帶阻濾波器仿真設(shè)計 利用matlab中的simulink來進(jìn)行帶阻濾波器的仿真 圖4 帶阻濾波器的仿真設(shè)計圖 圖5 帶阻濾波器參數(shù)設(shè)計下圖所示為示波器scope輸出波形 圖6 輸入帶阻濾波器的波形下圖所示為示波器scope1輸出波形，經(jīng)過帶阻濾波器的濾波后只輸出不在阻帶范圍內(nèi)的波 圖7 帶阻濾波器輸出波形2、 帶通濾波器的仿真設(shè)計利用matlab中的simulink來進(jìn)行帶通濾波器的仿真 圖8 帶通濾波器的仿真設(shè)計圖 圖9 帶通濾波器參數(shù)設(shè)計下圖所示為示波器scope輸出波形 圖10 輸入帶通濾波器的波形下圖所示為示波器scope1輸出波形，經(jīng)過帶通濾波器的濾波后只輸出在通帶范圍內(nèi)的波 圖11 帶通濾波器輸出波形致謝在做計算機(jī)課設(shè)的這段時間內(nèi)，通過查找各種資料和自己的努力終于通過軟件將帶通和帶阻做出來了。能夠把其做出來除了自身努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。非常感謝陳常婷老師在這段時間給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，她給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我們的創(chuàng)新實踐，她放棄了自己的休息時間，她的這種無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她表示我誠摯的謝意。同時，感謝所有任課老師和所有同學(xué)給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學(xué)習(xí)，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！參考文獻(xiàn)【1】 高西全，丁玉美. 數(shù)字信號處理（第三版）. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008【2】 王彬. 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