IIR数字滤波器的设计与实现.docx

1、IIR数字滤波器的设计与实现一、实验指导1实验目的（1）熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法；（2）学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数（或滤波器设计分析工具fdatool）设计各种IIR数字滤波器，学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。（3）掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。（3）通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。2实验原理设计IIR数字滤波器一般采用间接法（脉冲响应不变法和双线性变换法），应用最广泛的是双线性变换法。基本设计过程是：先将给定的数字滤波器的指标转换成过渡模拟滤波器的指标； 设计过渡模拟滤波器；将过渡模拟滤波器

2、系统函数转换成数字滤波器的系统函数。MATLAB信号处理工具箱中的各种IIR数字滤波器设计函数都是采用双线性变换法。第六章介绍的滤波器设计函数butter、cheby1 、cheby2 和ellip可以分别被调用来直接设计巴特沃斯、切比雪夫1、切比雪夫2和椭圆模拟和数字滤波器。本实验要求读者调用如上函数直接设计IIR数字滤波器。本实验的数字滤波器的MATLAB实现是指调用MATLAB信号处理工具箱函数filter对给定的输入信号x(n进行滤波，得到滤波后的输出信号y(n）。3. 实验内容及步骤（1）调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st，该函数还会自动绘图显示

3、st的时域波形和幅频特性曲线，如图10.4.1所示。由图可见，三路信号时域混叠无法在时域分离。但频域是分离的，所以可以通过滤波的方法在频域分离，这就是本实验的目的。图10.4.1 三路调幅信号st的时域波形和幅频特性曲线（2）要求将st中三路调幅信号分离，通过观察st的幅频特性曲线，分别确定可以分离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率。要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为60dB。提示：抑制载波单频调幅信号的数学表示式为其中，称为载波，fc为载波频率，称为单频调制信号，f0为调制正弦波信号频率，且满足。由上

4、式可见，所谓抑制载波单频调幅信号，就是2个正弦信号相乘，它有2个频率成分：和频和差频，这2个频率成分关于载波频率fc对称。所以，1路抑制载波单频调幅信号的频谱图是关于载波频率fc对称的2根谱线，其中没有载频成分，故取名为抑制载波单频调幅信号。容易看出，图10.4.1中三路调幅信号的载波频率分别为250Hz、500Hz、1000Hz。如果调制信号m(t具有带限连续频谱，无直流成分，则就是一般的抑制载波调幅信号。其频谱图是关于载波频率fc对称的2个边带（上下边带），在专业课通信原理中称为双边带抑制载波 (DSB-SC 调幅信号,简称双边带 (DSB 信号。如果调制信号m(t有直流成分，则就是一般的

5、双边带调幅信号。其频谱图是关于载波频率fc对称的2个边带（上下边带），并包含载频成分。（3）编程序调用MATLAB滤波器设计函数ellipord和ellip分别设计这三个椭圆滤波器，并绘图显示其幅频响应特性曲线。 （4）调用滤波器实现函数filter，用三个滤波器分别对信号产生函数mstg产生的信号st进行滤波，分离出st中的三路不同载波频率的调幅信号y1(n、y2(n和y3(n， 并绘图显示y1(n、y2(n和y3(n的时域波形，观察分离效果。4信号产生函数mstg清单function st=mstg%产生信号序列向量st,并显示st的时域波形和频谱%st=mstg 返回三路调幅信号相加形成

6、的混合信号，长度N=1600N=1600 %N为信号st的长度。Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采样频率Fs=10kHz，Tp为采样时间t=0:T:(N-1*T;k=0:N-1;f=k/Tp;fc1=Fs/10; %第1路调幅信号的载波频率fc1=1000Hz,fm1=fc1/10; %第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100Hzfc2=Fs/20; %第2路调幅信号的载波频率fc2=500Hzfm2=fc2/10; %第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50Hzfc3=Fs/40; %第3路调幅信号的载波频率fc3=250Hz,fm3=fc3/10; %第3路调幅信号的调

7、制信号频率fm3=25Hzxt1=cos(2*pi*fm1*t.*cos(2*pi*fc1*t; %产生第1路调幅信号xt2=cos(2*pi*fm2*t.*cos(2*pi*fc2*t; %产生第2路调幅信号xt3=cos(2*pi*fm3*t.*cos(2*pi*fc3*t; %产生第3路调幅信号st=xt1+xt2+xt3; %三路调幅信号相加fxt=fft(st,N; %计算信号st的频谱%=以下为绘图部分，绘制st的时域波形和幅频特性曲线=subplot(3,1,1plot(t,st;grid;xlabel(t/s;ylabel(s(t;axis(0,Tp/8,min(st,max(

8、st;title(a s(t的波形subplot(3,1,2stem(f,abs(fxt/max(abs(fxt,.;grid;title(b s(t的频谱axis(0,Fs/5,0,1.2;xlabel(f/Hz;ylabel(幅度5思考题（1）请阅读信号产生函数mstg，确定三路调幅信号的载波频率和调制信号频率。（2）信号产生函数mstg中采样点数N=800，对st进行N点FFT可以得到6根理想谱线。如果取N=1000，可否得到6根理想谱线？为什么？N=2000呢？请改变函数mstg中采样点数N的值，观察频谱图验证您的判断是否正确。（3）修改信号产生函数mstg，给每路调幅信号加入载波成分

9、，产生调幅（AM）信号，重复本实验，观察AM信号与抑制载波调幅信号的时域波形及其频谱的差别。提示：AM信号表示式：。6实验报告要求（1）简述实验目的及原理。（2）画出实验主程序框图，打印程序清单。（3）绘制三个分离滤波器的损耗函数曲线。（4）绘制经过滤波分理出的三路调幅信号的时域波形。（5）简要回答思考题。二、滤波器参数及实验程序清单1、滤波器参数选取观察图可知，三路调幅信号的载波频率分别为250Hz、500Hz、1000Hz。带宽（也可以由信号产生函数mstg清单看出）分别为50Hz、100Hz、200Hz。所以，分离混合信号st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器

10、、高通滤波器）的指标参数选取如下：对载波频率为250Hz的条幅信号，可以用低通滤波器分离，其指标为带截止频率Hz，通带最大衰减dB；阻带截止频率Hz，阻带最小衰减dB，对载波频率为500Hz的条幅信号，可以用带通滤波器分离，其指标为带截止频率Hz，Hz，通带最大衰减dB；阻带截止频率Hz，Hz，Hz，阻带最小衰减dB，对载波频率为1000Hz的条幅信号，可以用高通滤波器分离，其指标为带截止频率Hz，通带最大衰减dB；阻带截止频率Hz，阻带最小衰减dB，说明：（1）为了使滤波器阶数尽可能低，每个滤波器的边界频率选择原则是尽量使滤波器过渡带宽尽可能宽。（2）与信号产生函数mstg相同，采样频率Fs

11、=10kHz。（3）为了滤波器阶数最低，选用椭圆滤波器。2、实验程序清单%实验4程序exp4.m% IIR数字滤波器设计及软件实现clear all;close allFs=10000;T=1/Fs; %采样频率%调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st st=mstg;%低通滤波器设计与实现=fp=280;fs=450;wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60; %DF指标（低通滤波器的通、阻带边界频）N,wp=ellipord(wp,ws,rp,rs; %调用ellipord计算椭圆DF阶数N和通带截止频率wpB,A=ellip(

12、N,rp,rs,wp; %调用ellip计算椭圆带通DF系统函数系数向量B和Ay1t=filter(B,A,st; %滤波器软件实现% 低通滤波器设计与实现绘图部分figure(2;subplot(3,1,1;myplot(B,A; %调用绘图函数myplot绘制损耗函数曲线yt=y_1(t;subplot(3,1,2;tplot(y1t,T,yt; %调用绘图函数tplot绘制滤波器输出波形%带通滤波器设计与实现=fpl=440;fpu=560;fsl=275;fsu=900;wp=2*fpl/Fs,2*fpu/Fs;ws=2*fsl/Fs,2*fsu/Fs;rp=0.1;rs=60; N,

13、wp=ellipord(wp,ws,rp,rs; %调用ellipord计算椭圆DF阶数N和通带截止频率wpB,A=ellip(N,rp,rs,wp; %调用ellip计算椭圆带通DF系统函数系数向量B和Ay2t=filter(B,A,st; %滤波器软件实现%高通滤波器设计与实现=fp=890;fs=600;wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60; %DF指标（低通滤波器的通、阻带边界频）N,wp=ellipord(wp,ws,rp,rs; %调用ellipord计算椭圆DF阶数N和通带截止频率wp第八课 第一框 世界是永恒发展的一 、预习自学 1、预习目标框题

14、知识目标来源:Zxxk.Com能力目标来源:Z&xx&k.Com来源:学科网情感、态度、价值观目标识记理解分析世界是永恒发展的1.发展的实质2.自然界是发展的，人类社会是发展的，人的认识是发展的3.世界是永恒发展的观点1.通过对自然界是发展的，人类社会是发展的，人的认识是发展的理解，明确发展的普遍性原理2.发展的实质是事物的前进和上升，是新事物的产生和旧事物的灭亡1.剖析自然界和社会生活中的实例，俯世界是永恒发展的观点2.运用“生产工具的演变，现代科技的迅猛发展等”说明发展的实质3.联系生活实例，说明并非任何运动变化都是发展1.培养分析、归纳问题的能力。2.培养比较辨别的能力，分析运动变化与发

15、展的区别与联系3.结合实例，把握发展的实质，培养抽象概括的思维能力1.通过本课的学习，要具有辩证法的思想，并树立马克思主义科学发展观，反对形而上学2.结合电子计算机发展过程的实例学习，在思想上树立现代科技意识，提高对科技应用的认识2、预习内容 .自然界是发展的：自然界总是处在由 到 、由 到 的运动过程中，整个自然界经历了一个从无机物到有机物，从无生命物质到生命物质，从生命物质到人的漫长的前进和上升过程。.人类社会是发展的：纵观历史的进程，人类经历了 、 、 、 ，有些国家进入了社会主义社会，人类还将进入到共产主义社会，而共产主义社会仍将继续发展。社会形态的依次更替表明，人类社会是 过程。.人

16、的认识是发展的：人类的认识也是不断变化发展的。认识没有终点，科学没有顶峰， 都在不断发展。认识是 的循环往复过程，一个不断深化、扩展的过程。每个人的知识的积累，都会经历一个 过程，对事物的认识也都有一个 的过程。唯物辩证法从事物的前进性和方向性出发理解发展，认为发展的实质是事物的 和 ，是 产生和 灭亡。3、尝试练习牛顿经典力学问世200多年时间里，被尊称为整个宇宙都要服从的“永恒定律”。但是，20世纪以来，这一神话却被相对论力学和量子力学所打破。这一事实主要说明（ ）A 事物是不断变化发展的 B 自然界是变化发展的 C 人类社会是变化发展的 D.人的认识是变化发展的唯物辩证法认为，发展的实质

17、是 （ ）新事物的产生和旧事物的灭亡 事物前进的和上升的变化 新事物代替旧事物 事物性质的根本变化A B C D 从蒸汽机车、内燃机车、电力机车到磁悬浮列车，动力越来越大，速度越来越快，这表明（ ）A 新事物对旧事物彻底否定 B 新事物就是后来出现的C事物的任何变化都是根本性质的变化 D 事物的发展是一个由低级到高级的过程下列既体现联系观点，又体现发展观点的是（）画饼充饥唇亡齿寒城门失火，殃及池鱼青出于蓝而胜于蓝判断正误联系观点和发展观点是唯物辩证法的两个总特征和基本观点。发展包含运动，运动就是发展。“士别三日，当刮目相看”我们要学会用发展的眼光看问题。二、质疑解惑（提出问题，小组研讨解决）困

18、惑1、 困惑2、 三、合作探究一 （在自己思考的基础上，进行组内讨论）材料一，地球经历了天文演变和地质演化阶段，形成了生命起源和演化条件。生命的起源和演化又经历了从化学进化到生物学进化的上升过程，最后产生了人类。人类的出现，是 自然界的一次巨大飞跃。人类的进化大体经历了早期猿人、晚期猿人、早期智人、晚期智人四个阶段，才逐渐演变为今天这种体质的人类。从生命产生到人的出现，经历了一个什么样的过程？它说明了什么？材料二，中国是一个具有悠久历史的文明古国。几千年的历史，创造了辉煌的文明，也经历了几千年的沧桑历程。从夏商周到秦汉；再到唐宋元明清。到了近代，为了中国的发展，中国人民进行了一系列的探索。根据

19、所学知识简要说明近代我国社会制度的变迁？其揭示了什么哲学道理?材料三，中国共产党把马克思主义与中国的具体实际相结合，开创了中国特色社会主义道路。先后提出了毛泽东思想、邓小平理论、三个代表思想。胡锦涛于2003年10月提出了要“坚持以人为本，全面协调、可持续的发展观”。2004年3月又阐述了其理论基础、深刻内涵、基本要求和指导意义；2007年10月，党的十七大全面系统的阐述了科学发展观，“第一要义是发展；核心是以人为本；基本要求是全面协调可持续，根本方法是统筹兼顾”。1.建设中国特色社会主义的思想的变化反映了什么哲学道理2.从知识的深度和广度两个方面，谈谈你的成长历程。【实效强化】1.以下各项能

20、说明发展普遍性原理的是 （ ） 青藏高原海陆变迁士别三日，当刮目相看道之大原出于天，天不变，道亦不变自古及今，法无不改，势无不积，事例无不变迁，风气无不移易 A. B. C. D. 合作探究二 手机已成为当前人们普遍使用的通信工具。1973年世界上第一部手机摩托罗拉Dyna TAC，其内部电路板数量达30 个，通话时间只有35 分钟，而充电时间却要10 小时，仅有拨打和接听电话两种功能；10年之后摩托罗拉推出世界上第一台便携式手机，这台名为Dyna TAC 8000X的手机重794克，长33厘米，它那笨重厚实的造型，使国人习惯称作“大哥大”。 1995年摩托罗拉3200是进入中国最早的手机，俗

21、称板砖。该手机重520 克，仅支持英文短信，英文电话薄，支持DTMF音频发送，缩位拨号等功能。2009年12月，智能3G手机摩托罗拉XT800 上市，该手机重137g，理论通话时间340分钟，并具有GPS全球定位、双摄像头等强大功能。1.假设现在有两部手机，摩托罗拉3200和摩托罗拉XT800，你会使用哪部？为什么？2.手机的更新换代说明了什么哲学道理？合作探究三 自然界的地壳运动会导致海陆变迁，也会引发地震；为应对全球变暖，各国提出了节能减排目标；我国政府一小部分官员由“我为人民服务”的思想到“人民为我服务”的转变，由“民本位”到“官本位”的转变；“士别三日，即更刮目相待”这些都体现了事物是

22、运动变化的，但我们能说都是发展的吗?请讨论交流：运动变化一定是发展吗？【实效强化】我国有古诗曰：“离离原上草，一岁一枯荣。野火烧不尽，春风吹又生。”据此回答23题。 2.“离离原上草，一岁一枯荣”表明( A事物是运动变化的 B物质是运动的主体C离开物质谈运动是唯心主义 D任何运动都存在相对静止3.“野火烧不尽，春风吹又生。”的原因在于( A新事物代表了事物的发展方向，具有强大的生命力B新事物是和旧事物相比较而言的C物质是客观实在，是永不消亡的D事物的联系是无条件的，因而发展也是无条件的4.某些人利用先进的信息技术搞“科学算命”，并称其为“发展”。这种观点是（ ）A.正确的，因为它运用了先进的信

23、息技术B.正确的，因为它是以前所没有的C.错误的，因为它没有正确理解发展的实质D.错误的，因为它没有看到事物的运动和变化5.下列哪些现象属于“发展”？ 生态新沂的建设始祖鸟变成现代鸟类候鸟迁徙退耕还林，还草，鸟类回归环境破坏，河水污染A. B. C. D.世纪年代，比尔盖茨说“就能满足现代人所需要的一切信息和事物了。后来，他发现自己错了，更好的电脑不断地制造出来。他提出微软的宗旨：微软不变化的只有变化。（）从哲学上讲，他错在哪里？（）微软的宗旨给我们什么启示？搜集能够体现发展观点的成语、诗句、名言（至少条）四、知识体系（构建知识框架，小组展示）五、【实效升华】（感悟生活，学以致用）新沂近几年发

24、展比较迅速，人民生活水平有了较快提高；但是在变化的背后，也出现了一些不和谐的现象。结合你周围的现象，写一份新沂市发展情况调查报告，并找出哪些是哲学意义上的发展。ellip计算椭圆带通DF系统函数系数向量B和Ay3t=filter(B,A,st; %滤波器软件实现六、总结、布置预习三、 实验程序运行结果实验4程序exp4.m运行结果如图所示。由图可见，三个分离滤波器指标参数选取正确，算耗函数曲线达到所给指标。分离出的三路信号y1(n，y2(n和y3(n的波形是抑制载波的单频调幅波。(a 低通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y1(t(b 带通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y2(t(c高通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y3(t