数字信号处理实验三(IIR数字滤波器设计)

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数字信号处理实验三(IIR数字滤波器设计)

2024-07-12 17:17| 来源: 网络整理| 查看: 265

 IIR数字滤波器设计(2学时) 要求: 产生一复合信号序列,该序列包含幅度相同的28Hz、50Hz、100Hz、150Hz的单音(单频)信号;其中,50Hz及其谐波为工频干扰(注:采样率要满足要求)。试设计一椭圆低通滤波器,将干扰信号滤除。目的: 利用学习到的数字信号处理知识解决实际问题,学会将实际问题的数据转化为相应模型指标;熟悉IIR数字滤波器的设计方法。 实验报告: 一、实验内容

i.产生一复合信号序列,该序列包含幅度相同的28Hz、50Hz、100Hz、150Hz的单音(单频)信号;其中,50Hz及其谐波为工频干扰(注:采样率要满足要求)。

ii.试设计一椭圆低通滤波器,将干扰信号滤除。

二、实验目的

i.利用学习到的数字信号处理知识解决实际问题,学会将实际问题的数据转化为相应模型指标;

ii.熟悉IIR数字滤波器的设计方法。

三、涉及实验的相关情况介绍(包含使用软件或实验设备等情况)

Windows系统 Matlab 2022b

四、实验记录 1.原理基础

本实验旨在通过数字信号处理的方法,设计一个椭圆低通滤波器来滤除复合信号中的特定频率干扰(此处为50Hz及其谐波)。复合信号由四个不同频率的单音信号组成:28Hz、50Hz、100Hz和150Hz,其中50Hz及其谐波(如100Hz、150Hz等)被视为工频干扰。

椭圆低通滤波器是一种数字滤波器,其设计目标是在通带和阻带内都具有最小的波纹(即平坦的幅度响应),并且具有陡峭的过渡带。这使得椭圆滤波器在给定滤波器阶数的情况下,能够提供最窄的过渡带。

采样率的选择需要满足采样定理,即采样率应大于信号中最高频率的两倍,以确保信号在采样过程中不会发生混叠。

2 实验流程

信号生成:使用编程工具(如MATLAB)生成包含28Hz、50Hz、100Hz和150Hz的复合信号,所有单音信号的幅度相同。设计椭圆低通滤波器:使用MATLAB的滤波器设计工具(如ellipord和ellip函数)设计一个椭圆低通滤波器,滤除50Hz及其谐波。滤波器的设计参数(如通带截止频率、阻带截止频率、通带最大衰减和阻带最小衰减)需要根据实际需求进行设定。滤波器应用:将设计的椭圆低通滤波器应用于复合信号,得到滤波后的信号。结果分析:对比原始信号和滤波后信号的时域和频域特性,评估滤波器的性能。 3源程序代码 %IIR 低通滤波器:1.设置参数 +生成复合信号+绘制时域和频域 2.设计低通滤波器 3.应用滤波器并绘制时域频域 %编辑人:贾雯爽 %目的:掌握模拟低通滤波器设计流程及影响参数 %最后更新时间:2024/06/05 clear; clc; close all %1.1 参数设置 Fs = 1000; % 采样率 t = 0:1/Fs:1-1/Fs; % 时间向量 f1 = 28; % 频率1 f2 = 50; % 频率2(及其谐波将被滤除) f3 = 100; % 频率3(50Hz的谐波) f4 = 150; % 频率4(50Hz的谐波) A = 1; % 所有信号的幅度 % 1.2生成复合信号 x = A * (sin(2*pi*f1*t) + sin(2*pi*f2*t) + sin(2*pi*f3*t) + sin(2*pi*f4*t)); % 1.3绘制原始复合信号 figure; subplot(2,1,1); plot(t, x); title('原始复合信号'); xlabel('时间 (s)'); ylabel('幅度'); subplot(2,1,2); y = fft(x); plot(t, y); title('原始复合信号'); xlabel('频率 (Hz)'); ylabel('幅度'); %1.4绘制复合信号频域 % 2设计椭圆低通滤波器 % 2,1选择截止频率和滤波器阶数 fc = 45; % 截止频率,小于50Hz N = 8; % 滤波器阶数 Rp = 0.5; % 通带波纹(单位dB) Rs = 30; % 阻带衰减(单位dB) % 2.2设计椭圆滤波器 [b, a] = ellip(N, Rp, Rs, fc/(Fs/2)); % 2.3绘制滤波器频率响应 [H, w] = freqz(b, a, 1024, Fs); figure; plot(w/pi*Fs, abs(H)); title('椭圆低通滤波器频率响应'); xlabel('频率 (Hz)'); ylabel('|H(f)|'); grid on; % 3应用滤波器到复合信号 y = filter(b, a, x); % 3.1绘制滤波后的信号 figure; subplot(2,1,1); plot(t, x); title('原始复合信号'); xlabel('时间 (s)'); ylabel('幅度'); subplot(2,1,2); plot(t, y); title('滤波后的信号'); xlabel('时间 (s)'); ylabel('幅度');

4 实验结果

5 实验结果分析

通过对滤波后信号的频谱图进行分析,可以评估椭圆低通滤波器的性能。如果滤波后信号的频谱中50Hz及其谐波的幅度显著减小,且28Hz信号的幅度变化不大,则说明滤波器设计成功,达到了预期的效果。

五、实验总结

通过本次实验,我成功地将所学的数字信号处理知识应用于实际问题中,即设计一个椭圆低通滤波器来滤除复合信号中的特定频率干扰。在实验过程中,我首先根据实验要求生成了一个包含28Hz、50Hz、100Hz和150Hz单音信号的复合信号。接着,我利用MATLAB的滤

在设计滤波器时,我根据滤波器的性能指标(如通带截止频率、阻带截止频率、通带最大衰减和阻带最小衰减)进行了参数设置。通过ellipord函数确定了滤波器的阶数和归一化的截止频率,然后使用ellip函数计算了滤波器的系数。

将设计好的椭圆低通滤波器应用于复合信号后,我得到了滤波后的信号。通过对比原始信号和滤波后信号的时域和频域特性,我观察到50Hz及其谐波在滤波后信号的频谱中被显著抑制,而28Hz信号则得以保留。这证明了椭圆低通滤波器在滤除特定频率干扰方面的有效性。

在实验过程中,我也遇到了一些挑战。例如,在选择滤波器参数时需要权衡通带和阻带的性能,以及滤波器的阶数对过渡带陡峭程度的影响。通过不断尝试和调整参数,我最终找到了一个满足实验要求的滤波器设计方案。

通过本次实验,我不仅加深了对数字信号处理知识的理解,还学会了将实际问题的数据转化为相应模型指标的方法。同时,我也熟悉了IIR数字滤波器的设计流程和方法,为今后的学习和研究打下了坚实的基础。

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