DSP实验二.docx
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DSP实验二.docx
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DSP实验二
武汉工程大学
电气信息学院
《DSP原理与应用》实验报告[2]
专业班级
10测控02班
实验时间
2012年月日
学生学号
实验地点
4B305
学生姓名
指导教师
邹连英
实验项目
FIR滤波器的窗函数法模型选择与设计
实验类别
设计实验
实验学时
4学时
实验目的及要求
1.掌握用窗函数法、频率采样法设计FIR滤波器的原理及方法,熟悉响应的计算机编程;
2.熟悉线性相位FIR滤波器的幅频特性和相频特性;
3.了解各种不同窗函数对滤波器性能的影响。
成绩评定表
类别
评分标准
分值
得分
合计
上机表现
按时出勤、遵守纪律
认真完成各项实验内容
30分
报告质量
程序代码规范、功能正确
填写内容完整、体现收获
70分
说明:
评阅教师:
邹连英
日期:
2012年月日
实验内容
(说明:
此部分应包含:
实验内容、实验步骤、实验数据与分析过程等)
一、实验内容
1.熟悉FIR滤波器的理论知识,掌握Simulink工具包中FIR滤波器设计工具的不同窗函数类型。
2.选择矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克曼窗、凯撒窗等,设计采样频率为48KHz,通带截止频率为20KHz的FIR滤波器,观察不同窗函数的频谱图及滤波器特征。
3.设计仿真模型,加载语音范围的频率激励信号,通过上述窗函数模型,对比分析仿真结果。
二、实验方法与步骤
1.窗口法
窗函数法设计线性相位FIR滤波器步骤
∙确定数字滤波器的性能要求:
临界频率{ωk},滤波器单位脉冲响应长度N;
∙根据性能要求,合理选择单位脉冲响应h(n)的奇偶对称性,从而确定理想频率响应Hd(ejω)的幅频特性和相频特性;
∙求理想单位脉冲响应hd(n),在实际计算中,可对Hd(ejω)按M(M远大于N)点等距离采样,并对其求IDFT得hM(n),用hM(n)代替hd(n);
∙选择适当的窗函数w(n),根据h(n)=hd(n)w(n)求所需设计的FIR滤波器单位脉冲响应;
∙求H(ejω),分析其幅频特性,若不满足要求,可适当改变窗函数形式或长度N,重复上述设计过程,以得到满意的结果。
窗函数的傅式变换W(ejω)的主瓣决定了H(ejω)过渡带宽。
W(ejω)的旁瓣大小和多少决定了H(ejω)在通带和阻带范围内波动幅度,常用的几种窗函数有:
∙矩形窗w(n)=RN(n);
∙Hanning窗
;
∙Hamming窗
;
∙Blackmen窗
;
∙Kaiser窗
。
式中Io(x)为零阶贝塞尔函数。
2.频率采样法
频率采样法是从频域出发,将给定的理想频率响应Hd(ejω)加以等间隔采样
然后以此Hd(k)作为实际FIR数字滤波器的频率特性的采样值H(k),即令
由H(k)通过IDFT可得有限长序列h(n)
将上式代入到Z变换中去可得
其中Φ(ω)是内插函数
4.三、实验数据与结果分析
1熟悉FIR滤波器的理论知识,掌握Simulink工具包中FIR滤波器设计工具的不同窗函数类型。
Bartlett:
Blackman:
5.Hamming:
Hann:
Kaiser:
2选择矩形窗、汉明窗、汉宁窗、布莱克曼窗、凯撒窗等,设计采样频率为48KHz,通带截止频率为20KHz的FIR滤波器,观察不同窗函数的频谱图及滤波器特征。
矩形窗:
汉明窗:
布莱克曼窗:
汉宁窗:
凯撒窗:
设计图:
原始输入信号:
窗函数法设计滤波器的特征:
我设计的是Amplitude(振幅)=1频率分别为1000HZ20000HZ50000HZ的输入频率采样时间为1/480000sampleperframe(样本每帧)=1输入得到以下的结果:
矩形窗具有最窄的主瓣宽度,但是却有最大的旁瓣峰值和最慢的衰减速度,因而是相对性能较好的窗口。
具体考虑到滤波效果时,各窗函数对通带频率以外的信号均有衰减,且矩形窗和凯撒窗对信号的衰减更为明显,两者的衰减相当,汉明窗,汉宁窗,布莱克曼窗对信号的衰减对前两种窗要小一些,且三者衰减相当。
即矩形窗和凯撒窗的滤波性能好一些。
课堂思考题:
滤波器的系数导出方式:
点击Filtercoefficients的图标,选中Targets--->generatechead-->Exportsas->即可导出数据,存储即可。
3设计仿真模型,加载语音范围的频率激励信号,通过上述窗函数模型,对比分析仿真结果。
布莱克曼输出:
矩形窗:
汉明窗:
凯撒窗:
汉宁窗:
音频信号的频率范围就是人耳可以听到的频率范围,超过这个范围的音频信号没有意义。
20Hz-20000Hz.
语音的频率范围在30-1000Hz之间。
我添加的是频率信号为50hz的信号最后得出上述图形。
实验总结
(说明:
总结实验认识、过程、效果、问题、收获、体会、意见和建议。
)
本实验是有关FIR滤波器的窗函数法模型选择与设计,通过本实验掌握了怎么用窗函数法、频率采样法设计FIR滤波器以及了解了各种不同窗函数对滤波器性能的影响。
另外,还掌握了用窗函数法设计线性相位FIR滤波器步骤。
Matlab仿真结果验证了用频率采样法设计FIR线性相位数字滤波器这一数字信号处理中的基本理论,有助于学生深入理解并掌握这一重要的FIR滤波器设计方法。
需要强调的是,频率采样法是从频域出发直接设计滤波器的,而窗函数法是从时域出发设计滤波器的,两种设计方法各有优缺点。
窗函数法设计FIR数字滤波器是傅里叶变换的典型运用,而频率采样法设计的指导思想是频域采样定理及内插公式,其阻带衰减的改善是通过增加过渡采样点实现的,同时为保证过渡带宽的不变,滤波器的采样点数也要相应增加,计算复杂度也随之成倍增加,这就要求在用频率采样法设计FIR滤波器时,要综合考虑阻带衰减和滤波器长度的要求,从而达到设计的最优化。
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- 关 键 词:
- DSP 实验