Abstract：ThepapermainlydiscussthedesignmethodofChebyshevandLCfilterthatabroadlyappliedatanalogcircui下面是小編為大家整理的2023年濾波器設計論文【五篇】（范文推薦）,供大家參考。
濾波器設計論文范文第1篇
關(guān)鍵詞：理論；
仿真；
濾波器；
設計
中圖分類(lèi)號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0171-03
Abstract：The paper mainly discuss the design method of Chebyshev and LC filter that abroadly applied at analog circuit ，we design a High-pass filter using the method of mathematical theory and design instrument of ANSOFT DESIGNER based on the theory above ， and analyze the two design methods.
Key Words：Theory；
Simulate；
Filter ；
Design
濾波器是許多模擬射頻電路與系統的設計問(wèn)題的中心。濾波器可以被用來(lái)區分不同頻率的信號，實(shí)現各種模擬信號的處理過(guò)程，因而在現代模擬射頻電路與系統中得到了廣泛的應用。
濾波器按照不同的標準可以有不同的分類(lèi)，所有的分類(lèi)方法都是依照個(gè)人應用需求而定的。在目前的電路系統中，由于LC濾波器具有結構簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，性能穩定的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應用。但是，因為L(cháng)C濾波器是基于集總元件而構建的，所以在設計與調試過(guò)程中存在不少的困難，本文是以濾波器設計理論為依據，用ANSOFT DESIGNER設計工具為平臺，設計了一個(gè)高通的切比雪夫濾波器，并就加以比較驗證。
使用Ansoft Designer進(jìn)行的濾波器設計[4]，得到的切比雪夫濾波器電路如圖2（與運算的電路參數相比，電感與電容值只有很小的差別，可以說(shuō)基本上是一致的，后面的測試分析也說(shuō)明了這一點(diǎn)）。
現對濾波器進(jìn)行了相應的優(yōu)化，此電路選定了濾波器的電容參數為51P，電感量為 0～100nH可以調節，依據濾波器性能指標要求，用Ansoft Designer進(jìn)行優(yōu)化仿真，優(yōu)化過(guò)程是為了調整電感量來(lái)達到設計的要求，調整過(guò)程如下：
（1）設定電容為恒定值51P，電感調整為70nH--不滿(mǎn)足設計要求。如圖3。
（2）設定電容為恒定值51P，調整電感為85nH和94nH（之間） -----滿(mǎn)足設計要求。如圖4、5。
2 設計結果及性能評價(jià)
（1）理論分析與Ansoft Designer分析設計的結果進(jìn)行了電路仿真驗證，結果如圖6、圖7。
（2）實(shí)際電路調試與測量結果如圖8（矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測試結果）：
通過(guò)實(shí)際調試測試與前面軟件分析結果可以看出，切比雪夫響應濾波器對于元件參數的變化不敏感[5]，濾波電路且兼具良好的選擇性，設計出來(lái)的濾波器特性通過(guò)稍微的調整就能很好的滿(mǎn)足設計指標的要求。我們通過(guò)對實(shí)際電路的測試可以發(fā)現，濾波器的特性與仿真出來(lái)的結果基本吻合，因此，驗證了前面運算及仿真過(guò)程的正確性[6]。
3 結語(yǔ)
作為現代射頻模擬電路中最重要的無(wú)源器件之一，濾波器的使用越來(lái)越頻繁，所以，掌握濾波器的設計對于模擬射頻工程師而言有著(zhù)重大的意義。
通過(guò)本文的理論分析，對濾波器的設計流程進(jìn)行詳細的論述，并通過(guò)軟件進(jìn)行濾波器輔助設計和優(yōu)化，使設計過(guò)程更加簡(jiǎn)化，同時(shí)對相關(guān)濾波器設計提供參考和借鑒。
參考文獻
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濾波器設計論文范文第2篇
關(guān)鍵詞：
自適應濾波器；
LMS算法；
TMS320F28234；
FIR結構
中圖分類(lèi)號：
TN713?34 文獻標識碼：
A 文章編號：
1004?373X（2013）17?0062?03
0 引 言
濾波是信號處理領(lǐng)域的一種最基本而又極其重要的技術(shù)。利用濾波技術(shù)可以從復雜的信號中提取所需要的信號，同時(shí)抑制噪聲或干擾信號，以便更有效地利用原始信號。濾波器在電子電路系統中應用很多，技術(shù)也較為復雜，有時(shí)濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的性能，所以濾波器的理論研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)非常的重要。
自適應濾波器是相對固定濾波器而言的，當固定的設計規范是未知的，或者采用時(shí)不變?yōu)V波器不能滿(mǎn)足設計的要求設計規范時(shí)，就需要采用自適應濾波器。嚴格地講，自適應濾波器是一種非線(xiàn)性濾波器，因此不滿(mǎn)足齊次性和疊加性條件，如果在某個(gè)給定的時(shí)刻固定的濾波器參數，則其輸出信號是輸入信號的線(xiàn)性函數。自適應濾波器是在沒(méi)有任何關(guān)于信號和噪聲的先驗知識的條件下，自適應濾波器利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數來(lái)自動(dòng)調節現時(shí)刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知或隨機變化的統計特性，從而實(shí)現最優(yōu)濾波，所以其適用范圍更廣。
1 基于DSP的自適應濾波器的方案設計
本系統采用利用數字信號處理器來(lái)完成自適應濾波器的設計，系統如圖1所示。
系統工作原理：自適應濾波器的整體設計思路中模擬信號輸入，輸入信號首先進(jìn)行抗混疊濾波，然后將模擬信號變換成數字信號。根據奈奎斯特抽樣定理，為保證有用信息不丟失，抽樣頻率至少是輸入帶限信號最高頻率的2倍。經(jīng)過(guò)ADC轉換成數字信號，DSP芯片預先設計好的自適應濾波算法程序，對輸入的數字信號處理。這種自適應濾波器的設計是具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，也不需要知道關(guān)于輸入信號的先驗知識。經(jīng)過(guò)DSP芯片處理后的信號通過(guò)DAC再轉換成連續的模擬波形，之后進(jìn)行平滑濾波就可得到需要的模擬信號。
1.1 自適應濾波器原理
自適應濾波器是一種能夠自動(dòng)調整本身參數的特殊維納濾波器，在設計時(shí)不需要預先知道關(guān)于輸入信號和噪聲的統計特性，它能夠在工作過(guò)程中逐步“了解”或估計出所需的統計特性，并以此為依據自動(dòng)調整自身的參數，以達到最佳濾波效果。一旦輸入信號的統計特性發(fā)生變化，它又能夠跟蹤這種變化，自動(dòng)調整參數，使濾波器性能重新達到最佳。
1.2 自適應濾波器結構
自適應IIR濾波器與自適應 FIR濾波器相比較，自適應IIR濾波器存在突出的缺點(diǎn)，主要的缺點(diǎn)包括：自適應IIR濾波器存在不穩定的可能性?xún)A向；
而且收斂速度慢等。因此，一般采用FIR濾波器作為自適應濾波器的結構。自適應濾波器最直接的實(shí)現就是直接形式的FIR結構，但在本論文中采用FIR橫向結構設計自適應濾波器。這種結構僅包含有由延遲級數所決定的有限個(gè)存儲單元，可歸結為有限沖激響應（FIR）或橫向濾波器（Kallman）。輸入信號被若干延遲單元延時(shí)，其延遲時(shí)間可以是連續的。這些延遲單元的輸出與存儲的一組權系數依次相乘，將其乘積相加得到輸出信號。這意味著(zhù)輸出是輸入信號與所存儲的權系數或沖激響應的卷積。這種濾波結構僅包含有零點(diǎn)（因為沒(méi)有遞歸反饋單元），因此，若要獲得截止的頻率特性，則需要有大量的延遲單元。但是，這種濾波器始終是穩定的，并能提供線(xiàn)性相位特性。圖3所示為FIR橫向濾波器結構。
1.3 DSP的最小硬件系統設計
DSP的硬件最小系統設計包括DSP芯片、電源轉換電路、時(shí)鐘電路、復位電路、JTAG仿真接口等，如圖4所示。
2 基于DSP的自適應濾波器的軟件設計
采用TMS320F28234實(shí)現自適應濾波器，自適應算法采用基本的LMS算法，濾波器的結構采用橫向FIR結構。自適應濾波器的TMS320F28234的設計中，程序設計語(yǔ)言運用匯編語(yǔ)言，自適應濾波器程序設計流程如圖5所示。
3 仿真驗證
為了說(shuō)明自適應濾波器的優(yōu)越性，這里通過(guò)仿真結果來(lái)表明。通過(guò)引入一個(gè)已有的數據文件方式得到一個(gè)受到噪聲干擾的正弦波信號，該波形作為自適應濾波的輸入信號。自適應濾波程序在CCS 環(huán)境下編譯、鏈接、修改語(yǔ)法錯誤，編譯鏈接通過(guò)后，加載并連接程序，連接生成公共目標代碼文件，在線(xiàn)下載到DSP中運行。將編譯產(chǎn)生的可執行文件下載到DSP芯片中后，經(jīng)過(guò)運行得到時(shí)域圖，輸入信號的時(shí)域圖如圖6所示。
由圖6可以看到，低頻信號中疊加了有噪聲信號，導致低頻信號出現了較大的畸變。低頻的信號中疊加了比較多的高頻噪聲，只有進(jìn)行高頻濾波才能夠得到比較好的原始低頻信號。在觀(guān)察輸出波形時(shí)，能夠看到輸出波形中僅剩余了低頻信號，濾除了高頻成分。通過(guò)圖6和圖7的對比，輸入信號的高頻噪聲基本上得到了濾除。但是由于參數設置不夠精確等原因造成的高頻噪聲沒(méi)有得到完全消除，但是也很明顯的顯現了低通濾波的目的。
4 結 語(yǔ)
在自適應濾波器的仿真結果中，自適應濾波器實(shí)現了對含有噪信號的頻率跟蹤，并表明自適應濾波器能很好地消除疊加在信號上的噪聲。雖然也可以用固定濾波器來(lái)實(shí)現，但設計固定濾波器時(shí)需要預先知道信號和噪聲的統計特性，而自適應濾波器則不需要，并且當信號和噪聲的統計特性發(fā)生變化時(shí)，自適應濾波器也能自動(dòng)地調節其沖激響應特性來(lái)適應新的情況，因此，自適應濾波器具有更加廣闊的應用前景。
參考文獻
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濾波器設計論文范文第3篇
關(guān)鍵詞:IIR;格型濾波器;DSP Builder;FPGA
中圖分類(lèi)號:TN713文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2010)01-0038-02
在信號處理系統中,數字濾波器是一項重要且普遍應用的技術(shù)。它通過(guò)一定的數學(xué)函數關(guān)系來(lái)改變輸入濾波器信號中所含頻率成分的相對比例或濾除某些頻率成分。數字濾波器按其響應方式可以分為無(wú)限沖激響應濾波器(IIR Filter)與有限沖激響應濾波器(FIR Filter)兩種。IIR濾波器與FIR濾波器相比,可用較低階數獲得較高的選擇性,在相同的時(shí)鐘采樣速率和相同的晶體管數量的前提下能提供更好的過(guò)渡帶下降速率,具有廣泛的應用性。
格型濾波器在IIR濾波器中起著(zhù)重要作用。一是它的模塊化結構便于實(shí)現數據高速并行處理,易于VLSI集成;二是一個(gè)n階格型濾波器可以產(chǎn)生從1階到n階的n個(gè)橫向濾波器的輸出性能;它對有限字長(cháng)的舍入誤差不靈敏。由于這些優(yōu)點(diǎn),格型濾波器在現代譜估計、自適應濾波、語(yǔ)音處理、線(xiàn)性預測等方面應用廣泛。
本文采用FPGA產(chǎn)商Altera公司開(kāi)發(fā)的信號處理軟件DSP Builder設計了一種新型格型IIR濾波器。此種格型濾波器較之傳統的結構,所占用的邏輯單元大幅度減少,同時(shí)進(jìn)一步提高格型IIR濾波器的運算速度。本文最后以Altera公司的Stratix II 90系列芯片作為FPGA的下載芯片,利用Quartus II軟件為開(kāi)發(fā)平臺,進(jìn)行了項目文件的分析、綜合、編譯適配、時(shí)序仿真分析和網(wǎng)表復寫(xiě)。根據最后的實(shí)驗,新型的IIR濾波器工作的信號頻率由原來(lái)的26.3MHz提高到現在52.3MHz,所占用的邏輯單元數有原來(lái)的372個(gè)下降為183個(gè)。
一、傳統格型濾波器的設計
本數字IIR濾波器的系統實(shí)現有各種結構形式。Gay和Marekl于1973年提出了一種經(jīng)典的格型濾波器結構。其基本單元的形狀與快速傅立葉變換中的蝶形單元類(lèi)似,基本的數學(xué)理論是Schur算法。在格型濾波器中 ,分母應用 Schur 算法來(lái)分析,分子部分則用 Schur算法對分母處理的結果為正規直交基函數的多項式展開(kāi)算法進(jìn)行分析。
穩定的IIR系統應滿(mǎn)足以下條件:
N(z)== (1)
N=izi (2)
lN= (3)
由以上三式,可以得到格型濾波器的數學(xué)理論Schur算法具體實(shí)現。利用N(z)的表達式遞推得到N-1(z)。由于兩者的階數相差為1,因此,可以通過(guò)相同的方法循環(huán)得到從N(z)的所有N個(gè)表達式。并且這N個(gè)表達式中的常數項絕對值小于z最高次冪的的絕對值。
圖1表示一個(gè)傳統格型IIR濾波器的結構示意圖。輸入信號在每經(jīng)過(guò)一個(gè)相同的模塊,遞歸多項式的次數將降低一次。經(jīng)過(guò)所有的N個(gè)模塊后,遞歸多項式變?yōu)槌Ｊ?。通過(guò)匹配這些模塊的常數,就可以使用簡(jiǎn)單的乘法和延遲模塊把這些串聯(lián)起來(lái),構成完整的IIR濾波器系統。
二、新型格型IIR濾波器的設計
本文提出的新型格型IIR濾波器結構是基于傳統IIR濾波器的結構。具體的結構圖如圖2所示。
圖2為3階格型IIR濾波器的結構圖。由圖2所示,為方便計算,N階格型IIR濾波器的最后一階信號流入延遲單元的節點(diǎn)記為x1,x1前的信號節點(diǎn)記為m1,同理可得m2,m3,…,mN。由信號系統的基本原理,可以得到以下等式:
x1z-1=m1(4)
由信號流向及遞歸思想,可以得到:
mi=((x1-mklk)li+mi-1)z-1 (5)
(6)
(7)
因此,(8)
其中ak,bk滿(mǎn)足Levinson-Durbin遞歸的條件,具體的數值可以參考Levinson-Durbin算法來(lái)求得,讀者可以參考文獻[4],在此不再贅述。本文采用軟件DSP Builder來(lái)仿真所提出的新型格型濾波器的性能,具體的電路實(shí)現為圖3。其中,仿真的信號源是Matlab軟件中 Simulink庫的隨機信號發(fā)生器、正弦信號發(fā)生器和兩端口示波器。
三、濾波器電路的仿真
DSP Builder在算法友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境中幫助設計人員生成DSP設計硬件表征,從而縮短了DSP設計周期。采用DSP Builder設計的第一步是在Matlab中的Simulink進(jìn)行設計輸入,即在Simulink的環(huán)境中建立MDL模型文件。用模塊化的方式調用Altera DSP Builder和其他Simulink中的模塊,構成系統級的仿真,具體的算法級仿真如圖3所示。
輸入格型IIR濾波器的信號采用頻率分別為98MHz、201MHz的正弦信號與隨機噪聲信號的疊加,其中隨機噪聲信號的幅度為4,所輸入的正弦信號的幅度為10。格型濾波器的采樣頻率為489MHz,要求能夠濾除高頻信號和隨機噪聲信號。
仿真波形如圖3所示,下方圖是輸入信號,上方圖是輸出信號。輸入信號通過(guò)IIR格型濾波器后基本上變成單頻的正弦信號輸出?？梢?jiàn),該IIR濾波器可以比較好的消除隨機噪聲信號和高頻信號。
Matlab中的Simulink對已經(jīng)設計好的格型IIR濾波器系統進(jìn)行編譯,通過(guò)調用DSP Builder的Signal Compiler工具可直接生成QuartusⅡ工程文件,再調用QuartusⅡ完成綜合,網(wǎng)表生成和適配,直至完成FPGA的配置下載過(guò)程。本文選用的FPGA芯片為Stratix II EP2S90F1020C4。仿真結果是,傳統格型IIR濾波器所占用的邏輯單元數為372個(gè),信號最高工作頻率為26.3MHz,濾波器的建立時(shí)間為7.813ns,保持時(shí)間為0.194ns。本文提出的新型格型IIR濾波器所占用的邏輯單元數為183個(gè),信號最高工作頻率為58.3MHz,濾波器的建立時(shí)間為7.708ns,保持時(shí)間為0.233ns。
由上面兩組仿真數據對比可知,IIR濾波器的建立時(shí)間、保持時(shí)間和關(guān)鍵路徑延時(shí)相差不大。延時(shí)的大小與連線(xiàn)的長(cháng)短和邏輯單元的數目有關(guān),同時(shí)還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。因此,單純的改變系統電路結構并不能根本的改善IIR濾波器的建立時(shí)間、保持時(shí)間等參數的大小。但新型格型IIR濾波器下載到Stratix II EP2S90F1020C4中所占用的邏輯單元數比傳統的格型IIR濾波器減少51%,器件工作的最高頻率較之傳統格型IIR濾波器提高了95%。由此得出,新型格型IIR濾波器在占用資源數和工作速度等性能都有較大改善。
四、結論
采用格型IIR濾波器的數學(xué)理論,提出了一種新型的濾波器電路圖。在此基礎上,利用DSP Builder工具設計了3階新型格型IIR濾波器。通過(guò)與傳統格型IIR濾波器的仿真結果的對比得出,本文提出的格型IIR濾波器提高了信號的最高工作頻率和減少所占用FPGA芯片的邏輯單元數等性能指標。本文的研究成果對利用DSP Builder進(jìn)行數字信號處理和格型IIR濾波器的設計具有一定的參考價(jià)值。
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濾波器設計論文范文第4篇
關(guān)鍵詞數字濾波；
IIR技術(shù)；
設計指標；
設計方法
中圖分類(lèi)號TN713文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2012)041-0229-01
1數字濾波器IIR基本設計原理
所謂的數字濾波器是一種對數字信號進(jìn)行處理的重要功能，對信號進(jìn)行過(guò)濾、檢測和參數估計等處理，即消除數字信號中的噪聲，使得有價(jià)值的信號得以保留，數字濾波器應用較為廣泛。數字濾波和模擬濾波器應用中體現出的優(yōu)勢較為明顯，精度高且穩定，設備的體積小使用靈活，不要求匹配抗阻就可實(shí)現模擬濾波其的特殊濾波功能。數字濾波器實(shí)際上就是一個(gè)離散系統，從現實(shí)的網(wǎng)絡(luò )結構或者單位脈沖相應分類(lèi)，可以分為無(wú)限制脈沖相應（IIR）與有限脈沖相應（FIR）兩個(gè)類(lèi)型。其中IIR數字濾波器設計的基本原理如下：
從濾波的過(guò)程看，就是輸入與輸出的都是數字信號，在經(jīng)過(guò)濾波器的時(shí)候利用某種運算將改變輸入信號所含頻率的進(jìn)行對比與分析，從而濾除那些“噪音”部分，IIR濾波器的設計原理就是基于模擬濾波器，然后利用等價(jià)轉化為數字濾波器。其中沖擊響應不變法是一種較為常見(jiàn)的設計方式，流程是：
H（s）h（t）h（n）H（z）
考慮到傳統的濾波器計算量較大，濾波特性不易調整，為了解決這個(gè)問(wèn)題目前采用MATLAB的強大數字處理與計算能力就解決了設計上計算量較大的問(wèn)題，不僅僅簡(jiǎn)化了計算量且可以按照設計要求基尼濾波器特性參數調整，更加的靈活。具體步驟如下：按照工程的實(shí)際要求確定濾波器的基本指標，如邊界頻率；
阻帶最小衰減、最大衰減等；
將數字濾波器的技術(shù)指標轉換為模擬濾波器指標，常用的是脈沖相應不變法；
設計模擬濾波器即按照指標選擇模擬濾波器的型號，如巴特沃斯或者契比雪夫濾波器等；
選擇合適的變換算法將模擬濾波其轉換為數字濾波器；
最后利用軟件或者硬件技術(shù)使其運行。
2IIR濾波器的基本性能指標分析
IIR數字濾波器從截獲濾波的頻率劃分有四種：低通、高通、帶通、帶阻，選擇何種類(lèi)型作為其性能指標主要根據需要濾除的信號進(jìn)行選擇，如果信號的頻率較低則選擇低通濾波模式；
如果信號頻率較高則采用高通模式；
當信號頻率位于某個(gè)兩個(gè)特定頻率之間則采用帶通過(guò)濾模式；
而信號頻率在兩個(gè)頻率段之外則選擇帶阻濾波模式。
在IIR濾波器設計中按照濾波的相應特性劃分可以分為四種濾波器，這四種濾波器在應用中具有不同的特性，具體看：Bulerworth濾波器特征是具備最大的平坦的幅度特征，而隨著(zhù)頻率不斷提高則呈現出單調下降的幅頻率特征；
Chebyshev濾波器的振幅特性是等紋波特征明顯，Chebyshev有兩種類(lèi)型即I型濾波器在帶通的情況下表現等紋波，而在阻帶內為單調特征。II型Chebyshev濾波其在阻帶內則呈現等紋波，在帶通內則體現單調特征。還有一種是Elliptic濾波器在帶通和阻帶內都會(huì )體現出等紋波的振幅特征，其振幅所體現的特性由雅克布橢圓函數確定。
3IIR數字濾波器的設計
3.1設計方法的選擇分析
高階段的IIR數字濾波器的系統中，可以利用傳統傳遞函數表示，根據濾波器傳遞的函數的不同表達方式可以看出設計中存在不同的設計結構，相對比而言常見(jiàn)的是直接型、級聯(lián)型、并聯(lián)型三種。其中直接型對系數的敏感度較高，受有限字長(cháng)造成的影響最大。級聯(lián)型函數值的連接順序具有較大的自由度，因此在實(shí)際的設計中可以選擇類(lèi)似的組合方式，比例變化和函數值的連接順序等都會(huì )產(chǎn)生較大的差異。并聯(lián)型濾波器則可以克服前面提及的結構性的缺陷，所以在濾波器極點(diǎn)不重復的時(shí)候，并聯(lián)濾波器被廣泛的應用重要原因。在相同性能的要求下，設計時(shí)采用橢圓濾波器比巴特沃斯和契比雪夫濾波器所需要的階數更低，且過(guò)渡帶寬窄，可以獲得更好的率特比。
3.2濾波器穩定性分析
理論上設計出的濾波器系數應是具備無(wú)限精度的，但是在實(shí)際的濾波過(guò)程中，所有的系數都必須變?yōu)槎M(jìn)制儲存在計算機內，這就是要求量化系數，取值為有限精度的字長(cháng)，相應造成了濾波其零極點(diǎn)的位置出現偏移，使得實(shí)際的頻率響應和理論情況是存在出入的，情況嚴重的時(shí)候還會(huì )造成濾波器極點(diǎn)偏移到穩定單位園外，造成整個(gè)系數出現失穩的情況。
這些原因導致濾波器不穩定的因素具體表現為兩個(gè)方面，溢出和極限環(huán)。溢出的問(wèn)題是可以通過(guò)飽和模式、保護位、對信號和/或系數進(jìn)行縮放操作一次消除溢出效果；
而極限環(huán)的出現造成的不穩定可以利用截尾法、減低濾波階數、使用更多位來(lái)提高精度，移動(dòng)極點(diǎn)使其遠離單位圓等方法來(lái)克服?？傊谠O計濾波器實(shí)現IIR濾波的時(shí)候應先檢查其穩定性和有限字長(cháng)效應更加的
重要。
3.3濾波系數量精細化分析
完成設計后，在濾波器模型中進(jìn)行濾波模擬，可以通過(guò)設定變量的方法靈活控制濾波器的字長(cháng)。在測試中對Parameter Attri-butes和Signal Attributes分別對不同的變量進(jìn)行設定與測試；
也可利用InitFcn函數可以完成對濾波系數、加法器等進(jìn)行設定，同時(shí)對應相應的變量并對其完成初始化?？梢苑治龅贸銎鋬?yōu)勢是在需要改變對應濾波器字長(cháng)的時(shí)候，不需要通過(guò)對每個(gè)濾波器系數的字長(cháng)進(jìn)行逐一的修正，僅僅需要在InitFcn函數進(jìn)行相應的初始量值進(jìn)行修正就可獲得需要的結果。不同的量化字長(cháng)對應的不同濾波效果，其幅值頻率也會(huì )出現不同的結果。
4結束語(yǔ)
在濾波器設計中利用Matlab輔助設計，此類(lèi)IIR數字濾波器可以利用較少的階數獲得更加靈活的選擇性，所用的單元少、運算次數少，具有較高的經(jīng)濟性，效率也相對提高。
參考文獻
[1]王倩麗.基于MATLAB線(xiàn)性平滑濾波器的設計[J].電腦學(xué)習,2011,02.
濾波器設計論文范文第5篇
【關(guān)鍵詞】濾波器 MatLab語(yǔ)言 仿真 多媒體教學(xué)
【中圖分類(lèi)號】TP31 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-9646(2008)09(a)-0149-04
濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利通過(guò),而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。濾波器中,把信號能夠通過(guò)的頻率范圍,稱(chēng)為通頻帶或通帶;反之,信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱(chēng)為阻帶;通帶和阻帶之間的分界頻率稱(chēng)為截止頻率;理想濾波器在通帶內的電壓增益為常數,在阻帶內的電壓增益為零;實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍稱(chēng)過(guò)渡帶,在通帶內的電壓增益不是常數而是一定的波動(dòng)范圍稱(chēng)通帶波動(dòng),在阻帶內的電壓增益不是零而是一定的波動(dòng)范圍稱(chēng)阻帶波動(dòng),濾波器指標如圖1所示。由于濾波器設計數學(xué)模型復雜,不易理解學(xué)習,本文采用Matlab程序,根據給定濾波器參數進(jìn)行設計,得出設計結果并繪出頻域和時(shí)域特性圖,這種圖形化、可視化,形象直觀(guān)便于理解和學(xué)習研究,可提高教學(xué)效率。本設計已應用于教學(xué)實(shí)踐中,得到學(xué)生普遍好評。
1 系統設計與仿真
本設計開(kāi)發(fā)目的是給濾波器設計的學(xué)習分析與研究提供一個(gè)軟件平臺,也是為“信號與系統”、“數字信號處理”、“自動(dòng)控制原理”、“通信原理”等課程教學(xué)提供多媒體教學(xué)輔助平臺,方便學(xué)生對系統的各種特征進(jìn)行觀(guān)察,分析比較,提高教學(xué)效率。因此,本設計采用菜單形式,把各濾波器分別獨立模塊,方便模塊間進(jìn)行比較觀(guān)察分析。
1.1 巴特沃斯低通/高通濾波器
巴特沃斯模擬低通濾波器原型的平方幅度響應函數為:,式中ωc為低通濾波器的截止頻率,N為濾波器的階數。Butterworth低通濾波器特點(diǎn)是通帶內具有最大平坦的幅頻特性,且隨頻率增大平滑單調下降;階數N越高,特性越接近矩形,過(guò)渡帶越窄;傳遞函數無(wú)零點(diǎn),極點(diǎn)等距離分布在以|s|=ωc為半徑的圓周上。
程序算法:輸入濾波器設計參數即通帶邊界頻率fp、阻帶邊界頻率fs、通帶最大衰減Rp、阻帶最小衰減As;邊界頻率轉化為角頻率op=2*pi*fp、os=2*pi*fs;計算最小階數和截止頻率[N,oc]=buttord(op,os,Rp,Rs,"s");計算低通濾波器系統函數分子分母系數,低通[b,a]=butter(N,oc,"s"),高通[b,a]=butter(N,oc,"high","s");計算歸一化模擬濾波器零點(diǎn)、極點(diǎn)和增益[z,p,k]=tf2zp(b,a);確定顯示頻譜特性的角頻率范圍w;計算頻率響應H=freqs(b,a,w);計算單位沖擊響應sys=tf(b,a),[h,t]=impulse(sys);計算單位階躍響應[h1,t1]=step(sys);用plot函數繪出增益系數頻譜特性圖、分貝系數頻譜特性圖、單位沖擊響應特性圖、單位階躍響應特性圖。程序運行仿真結果如圖2所示
仿真結果分析:分別繪出增益系數頻譜特性圖和分貝系數頻譜特性圖,目的是讓兩種頻譜特性圖放在一起進(jìn)行對比,兩種指標的表現能力及優(yōu)缺點(diǎn)清晰可見(jiàn)。由巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)圖可看出在通帶內幅頻特性比較平坦,且隨著(zhù)頻率增大單調下降;傳遞函數無(wú)零點(diǎn),極點(diǎn)分布在圓周上;由圖2所示給出設計參數,設計結果頻譜曲線(xiàn)可看出通帶最大衰減Rp=0.63,通帶指標有富余;阻帶最小衰減,As=30,剛好滿(mǎn)足指標要求。任意改變設計參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
1.2 巴特沃斯帶通/帶阻濾波器
程序算法:輸入設計參數fp1、fp2、fs1、fs2、Rp、As;op1=2*pi*fp1;op2=2*pi*fp2;os1=2*pi*fs1;os2=2*pi*fs2;op=[op1,op2],os=[os1,os2];[N,oc]=buttord(op,os,Rp,As,"s");if 帶通 [b,a]=butter(N,oc,"s") else [b,a]=butter(N,oc,"stop","s") end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w=linspace(1,fs2+1000,1000)*2*pi;H=freqs(b,a,w);wx=[op(1),os(1)];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys);[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖3所示。
運行結果分析:由圖上可看出通帶位于阻帶之間,通帶的幅頻特性很平穩不波動(dòng),阻帶明顯單調下降。由圖3頻譜曲線(xiàn)圖可知,設計條件為fp1=1000Hz,fp2=2000Hz,fs1=500Hz,fs2=2500Hz,Rp=1dB,As=100dB,則設計結果Rp=0.97100都滿(mǎn)足指標要求。改變設計參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
1.3 切比雪夫Ⅰ型低通/高通濾波器
ChebyshevⅠ的平方幅度響應函數為
式中為小于1的正數,表示通帶內幅值波紋情況;為截止頻率,N為切比雪夫多項式的階數。
程序算法:輸入設計參數fp、fs、Rp、As;op=2*pi*fp1;os=2*pi*fs;[N,oc]=cheb1ord(op,os,Rp,As,"s");if 低通 [b,a]=cheby1(N,Rp,oc,"s") else [b,a]=cheby1(N,Rp,oc,"high","s") end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w0=0:0.1:3.14;w=w0*oc;H=freqs(b,a,w);wx=[op,os];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys) ;[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖4所示。
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仿真結果分析:由仿真結果可見(jiàn)切比雪夫Ⅰ低通濾波器通帶內具有等波紋起伏特性,阻帶內單調下降且衰減更大,隨著(zhù)N的增大接近矩形。傳遞函數無(wú)零點(diǎn),極點(diǎn)分布于橢圓上。由衰減曲線(xiàn)圖可知通帶最大衰減和阻帶最小衰減均滿(mǎn)足指標要求,分貝幅頻特性能更清晰顯示濾波器頻譜特性。改變設計參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
1.4 切比雪夫Ⅰ型帶通/帶阻濾波器
程序算法:輸入設計參數fp1、fp2、fs1、fs2、Rp、As;op1=2*pi*fp1;op2=2*pi*fp2;os1=2*pi*fs1;os2=2*pi*fs2;op=[op1,op2],os=[os1,os2];[N,oc]=cheb1ord(os,op,Rp,As,"s");if 帶通 [b,a]=cheby1(N,Rp,oc,"s") else [b,a]=cheby1(N,Rp,oc,"stop","s")end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w=linspace(1,fs2+1000,1000)*2*pi;H=freqs(b,a,w);wx=[op(1),os(1)];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys);[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖5所示。
仿真結果分析:由仿真結果可見(jiàn)切比雪夫Ⅰ帶通濾波器通帶內具有等波紋起伏特性,阻帶內單調下降且衰減更大,傳遞函數無(wú)零點(diǎn),也可推出極點(diǎn)分布于橢圓上。由頻譜曲線(xiàn)圖可知通帶最大衰減和阻帶最小衰減均滿(mǎn)足指標要求。改變參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
1.5 切比雪夫Ⅱ型低通/高通濾波器
ChebyshevⅡ型的平方幅度響應函數為
式中為小于1的正數,表示阻帶內幅值波紋情況,為截止頻率,N為切比雪夫多項式的階數。
程序算法:輸入設計參數fp、fs、Rp、As;op=2*pi*fp1;os=2*pi*fs;[N,oc]=cheb2ord(op,os,Rp,As,"s");if 低通 [b,a]=cheby2(N,As,oc,"s") else [b,a]=cheby2(N,As,oc,"high","s") end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w0=0:0.1:3.14;w=w0*oc;H=freqs(b,a,w);wx=[op,os];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys) ;[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖6所示。
仿真結果分析:由仿真結果可見(jiàn)切比雪夫Ⅱ濾波器阻帶內具有等波紋起伏特性,通帶內單調、平滑,隨著(zhù)N的增大接近矩形。傳遞函數有零點(diǎn)、極點(diǎn)。由頻譜特性曲線(xiàn)圖可知通帶最大衰減和阻帶最小衰減均滿(mǎn)足指標要求,分貝幅頻特性能更清晰顯示濾波器頻譜特性。改變參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
1.6 切比雪夫Ⅱ型帶通/帶阻濾波器
程序算法:輸入設計參數fp1、fp2、fs1、fs2、Rp、As;op1=2*pi*fp1;op2=2*pi*fp2;os1=2*pi*fs1;os2=2*pi*fs2;op=[op1,op2],os=[os1,os2];[N,oc]=cheb2ord(os,op,Rp,Rs,"s");if 帶通 [b,a]=cheby2(N,As,oc,"s") else [b,a]=cheby2(N,As,oc,"stop","s")end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w=linspace(1,fs2+1000,1000)*2*pi;H=freqs(b,a,w);wx=[op(1),os(1)];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys);[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖7所示。
仿真結果分析:由仿真結果可見(jiàn)切比雪夫Ⅱ帶通濾波器通帶內具有單調下降特性,阻帶內具有等波紋起伏特性,傳遞函數有零點(diǎn)和極點(diǎn)。由衰減曲線(xiàn)圖可知通帶最大衰減和阻帶最小衰減均滿(mǎn)足指標要求。改變參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
1.7 橢圓濾波器低通/高通濾波器
橢圓濾波器的平方幅度響應函數為:
式中為小于1的正數,表示波紋情況,為截止頻率,N為多項式的階數。
程序算法:輸入設計參數fp、fs、Rp、As;op=2*pi*fp1;os=2*pi*fs;[N,oc]=ellipord(op,os,Rp,As,"s");if 低通 [b,a]=ellip(N,Rp,As,oc,"s") else [b,a]= ellip(N,Rp,As,oc,"high","s") end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w0=0:0.1:3.14;w=w0*oc;H=freqs(b,a,w);wx=[op,os];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys) ;[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖8所示。
仿真結果分析:由仿真結果可見(jiàn)橢圓濾波器的特性是通帶和阻帶內都具有等波紋起伏特性,傳遞函數有零點(diǎn),也有極點(diǎn)。由頻譜曲線(xiàn)圖可知通帶最大衰減和阻帶最小衰減均滿(mǎn)足指標要求,分貝幅頻特性能更清晰顯示濾波器頻譜特性。改變設計參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
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1.8 橢圓濾波器帶通/帶阻濾波器
程序算法:輸入設計參數fp1、fp2、fs1、fs2、Rp、As;op1=2*pi*fp1;op2=2*pi*fp2;os1=2*pi*fs1;os2=2*pi*fs2;op=[op1,op2],os=[os1,os2];[N,oc]=ellipord(op,os,Rp,As,"s");if 帶通 [b,a]=ellip(N,Rp,As,oc,"s") else [b,a]=ellip(N,Rp,As,oc,"stop","s") end;[z,p,k]=tf2zp(b,a);w=linspace(1,fs2+1000,1000)*2*pi;H=freqs(b,a,w);wx=[op(1),os(1)];Hx=freqs(b,a,wx);dbHx=20*log10(abs(Hx));sys=tf(b,a);[h,t]=impulse(sys);[h1,t1]=step(sys);axes(handles.axes1);plot(w/(2*3.14),abs(H),"-r");axes(handles.axes2);plot(w/(2*3.14),20*log10(abs(H)),"-r");axes(handles.axes3);plot(t,real(h));axes(handles.axes4);plot(t1,real(h1));程序運行結果如圖9所示。
仿真結果分析:由仿真結果可看出橢圓濾波器通帶內具有等幅波動(dòng)特性,阻帶內也具有等波紋起伏特性,傳遞函數有零點(diǎn)和極點(diǎn)。由衰減曲線(xiàn)圖可知通帶最大衰減和阻帶最小衰減均滿(mǎn)足指標要求。更改參數,仿真結果與濾波器設計理論相符合。
2 軟、硬件運行環(huán)境及調試運行
硬件要求:PⅡ以上CPU;256M以上內存;20G以上硬盤(pán)空間。
軟件要求:Windows2000及以上版本操作系統;采用可視化面向對象程序設計的Matlab7.0為系統開(kāi)發(fā)平臺。
本系統經(jīng)過(guò)調試修改及實(shí)踐驗證,已能全面滿(mǎn)足設計需要,大大提高了對系統學(xué)習研究觀(guān)察的工作效率,顯示較高的實(shí)用價(jià)值,可在“信號與系統”、“通信原理”、“自動(dòng)控制原理”和“數字信號處理”等課程教學(xué)輔助中推廣使用。
3 結論
本系統具有如下技術(shù)特點(diǎn):①各濾波器設計的仿真結果滿(mǎn)足設計指標要求,頻譜特性符合濾波器理論。②界面友好,使用方便,操作簡(jiǎn)單,運行效率高。③可方便改變?yōu)V波器參數,快速繪出與之對應的時(shí)域波形,頻譜特性波形,方便對濾波器的觀(guān)察與研究。④采用菜單形式,模塊之間的聯(lián)系清晰,調用方便。各系統采用獨立模塊,方便不同系統間比較觀(guān)察研究。⑤對濾波器設計方法進(jìn)行分類(lèi)歸納,并進(jìn)行簡(jiǎn)單明確的說(shuō)明,方便“信號與系統”、“通信原理”、“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)輔助,也方便利用本軟件進(jìn)行濾波器設計的自學(xué)與研究。⑥濾波器系統特性用時(shí)域圖形,頻譜圖形表示,形象直觀(guān),對學(xué)習研究濾波器各特征之間相互關(guān)系很有幫助。⑦作者利用此平臺作為多媒體教學(xué)輔助,把抽象的濾波器設計數學(xué)模型用形象的圖形來(lái)表征,大大提高教學(xué)效率,獲得學(xué)生好評。
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