電工電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告最新

1、電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)專 業(yè)： 07級電子信息工程 班 級： 電信一班 學(xué) 號： XXXXXXX 姓 名： XXX 指導(dǎo)老師： XXXXXXXXX 同組成員： XXX 時(shí)間：2010年7月1日一 、設(shè)計(jì)目的1、熟悉FIR濾波器設(shè)計(jì)的基本方法。2、掌握用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的基本原理和方法，熟悉MATLAB語言。3、熟悉線性相位FIR濾波器的幅頻特性和相位特性。4、了解各種不同窗函數(shù)對濾波器性能的影響。5、熟悉MCS51系列單片機(jī)基本原理。6、掌握MCS51系列單片機(jī)基本指令和編程。7、利用MATLAB仿真的數(shù)據(jù)，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的設(shè)計(jì)。二、原理和方法（一）FIR濾波

2、器的設(shè)計(jì)濾波器是設(shè)計(jì)來進(jìn)行頻率選擇或頻率分辨任務(wù)的線性時(shí)不變系統(tǒng)的通用名稱。離散時(shí)間LTI(線性時(shí)不變)系統(tǒng)稱為數(shù)字濾波器。按照LTI系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)長度是否有限可以分為有限長度脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器和無限長度脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。FIR濾波器可以利用快速傅立葉變換進(jìn)行快速卷積來實(shí)現(xiàn)，另外，F(xiàn)IR濾波器具有嚴(yán)格的相位特性，這對于語音信號處理和數(shù)據(jù)傳輸是很重要的。目前FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有三種：窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。最常用的是窗函數(shù)法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計(jì)法。本設(shè)計(jì)中用的窗函數(shù)法比較簡單，可以應(yīng)用現(xiàn)成的窗函數(shù)公式，在技術(shù)要求不高的時(shí)候是

3、比較方便靈活的。它從時(shí)域出發(fā)，用一個(gè)窗函數(shù)截取理想的hd(n)得到h(n)，以有限長序列h(n)近似理想的hd(n)；如果從頻域出發(fā)，用理想的Hd(ejw)在單位圓上等角度取樣得到h(k)，根據(jù)h(k)得到h(z)將逼近理想的hd(z)，這就是頻率取樣法。（二）窗函數(shù)法原理眾所周知，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是基于一定的性能指標(biāo)。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)濾波器也不例外，首先要對濾波器提出性能指標(biāo)。一般是給定一個(gè)理想的頻率響應(yīng)Hd(ejw)，使所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的頻率響應(yīng)H(ejw)去逼近所要求的理想的濾波器的響應(yīng)Hd(ejw)。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的任務(wù)在于尋找一個(gè)可實(shí)現(xiàn)（有限長單位脈沖響應(yīng)）的傳遞函數(shù)： （4）去逼近H

4、d(ejw)。一般情況下，一個(gè)理想的頻率響應(yīng)Hd(ejw)的傅立葉反變換： （5）所得到的理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)是一個(gè)無限長序列。對hd(n)經(jīng)過適當(dāng)?shù)募訖?quán)、截?cái)嗵幚聿拍艿玫揭粋€(gè)所需要的有限長脈沖響應(yīng)序列。對應(yīng)不同的加權(quán)、截?cái)?，就有不同的窗函?shù)。而所要尋找的濾波器脈沖響應(yīng)就等于理想脈沖響應(yīng)和窗函數(shù)的乘積，即： （6）由此可見，窗函數(shù)的性質(zhì)就決定了濾波器的品質(zhì)。由于窗函數(shù)有一個(gè)等于M的有限長度，所以它的響應(yīng)有一個(gè)主瓣，其寬度與1/M成正比，還有高度比較小的旁瓣。主瓣在Hd(ejw)中產(chǎn)生一個(gè)過渡帶，主瓣的寬度決定過渡帶的寬度，即與1/M成正比，主瓣越寬，則過渡帶越寬，旁瓣產(chǎn)生波動。以下是幾種

5、常用的窗函數(shù)：1、矩形窗 （7） 2、漢寧(Hanning)窗 （8） 3、哈明(Hamming)窗 （9） 4、布萊克曼(Blackman)窗 （10） 5、凱澤(Kaiser)窗 （11）其中I0.是修正過的零階貝塞爾(Bessel)函數(shù)，為依賴于M的參數(shù)，選擇M可以產(chǎn)生各種過渡帶寬和接近最優(yōu)的阻帶衰減。對于相同的M，凱澤窗可以提供不同的過渡帶寬，這是其它窗所做不到的。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器可以按如下步驟進(jìn)行：（1）確定數(shù)字濾波器的性能要求。確定各臨界頻率k和濾波器單位脈沖長度M。（2）根據(jù)性能要求和M值，合理地選擇單位脈沖響應(yīng)h(n)的奇偶對稱性，從而確定理想頻率響應(yīng)Hd(ej

6、w)的幅頻特性和相位特性。（3）用傅立葉反變換公式（5）求得理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)。（4）選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)w(n)，根據(jù)式（6），求得所設(shè)計(jì)的FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)。（5）用傅立葉變換求得其頻率響應(yīng)H(ejw)，分析它的幅頻特性，若不滿足要求，可適當(dāng)改變窗函數(shù)形式或長度M，重復(fù)上述過程，直到得到滿意的結(jié)果。三、MATLAB實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容及步驟（一）編制實(shí)驗(yàn)用主程序及相應(yīng)子程序1、在實(shí)驗(yàn)編程之前，認(rèn)真復(fù)習(xí)有關(guān)FIR濾波器設(shè)計(jì)的有關(guān)知識，尤其是窗函數(shù)法的有關(guān)內(nèi)容，閱讀本實(shí)驗(yàn)原理與方法，熟悉窗函數(shù)及四種線形相位FIR濾波器的特性，掌握窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的具體步驟。2、編制窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的主程

7、序及相應(yīng)子程序。（1）根據(jù)Hd(ejw)，利用傅立葉變換，編制產(chǎn)生理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)的簡單子程序。（2）根據(jù)公式（7）到公式（10）編制相應(yīng)的窗函數(shù)序列的子程序。1矩形窗程序： function w=jvxing(x);M=x;for n=1:M; w(n)=1;end2漢寧窗程序：function w=hn(x)M=xfor n=1:M w(n)=0.5*1-cos(2*pi*n/(M+1)end3漢明窗程序：function w=hm(x);M=xfor n=1:M w(n)=0.54-0.46*cos(2*pi*(n-1)/(M-1)end4布萊克曼床程序：function w=

8、blkm(x);M=xfor n=1:M w(n)=0.42-0.5*cos(2*pi*(n-1)/(M-1)+0.08*cos(4*pi*(n-1)/(M-1)end5凱澤窗程序：function w=kz(x);M=x;beta=4（6，8）;for n=1:M; w(n)=besseli(0,(beta*sqrt(1-(2*n/(M-1)-1)2)/besseli(0,beta);end窗函數(shù)圖形：（3）在上述子程序的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)主程序完成線性相位FIR濾波器的窗函數(shù)法設(shè)計(jì)。（二）上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用Hanning窗設(shè)計(jì)一個(gè)線形相位帶通濾波器，其長度M=30，技術(shù)指標(biāo)要求如下：低端阻帶邊緣：

9、1s=0.2 ; 低端通帶邊緣：1p=0.35高端通帶邊緣：1p=0. 65 ; 高端阻帶邊緣：1s=0.8繪制幅頻和相位特性曲線、理想脈沖響應(yīng)和實(shí)際脈沖響應(yīng)離散數(shù)據(jù)圖。如果M=45，重復(fù)這一設(shè)計(jì)，觀察幅頻和相位特性的變化，注意長度M變化對結(jié)果的影響。主程序：Wp1=0.35*pi;Wp2=0.65*pi;Ws1=0.2*pi;Ws2=0.8*pi;M=30;N=M-1;M1=45;N1=M1-1;w=hn(M); %漢寧窗w1=hn(M1);Wc1=(Wp1+Ws1)/2;Wc2=(Wp2+Ws2)/2;k=0:N;k1=0:N1;hd=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k-0.5*N)

10、/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k-0.5*N)/pi);hd1=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k1-0.5*N1)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k1-0.5*N1)/pi);h=hd.*w; h1=hd1.*w1;omega=linspace(0,pi,512);mag=freqz(h,1,omega);magdb=20*log(abs(mag);mag1=freqz(h1,1,omega);magdb1=20*log(abs(mag1);subplot(321)plot(omega/pi,magdb,-b,omega/pi,magdb1,-r);t

11、itle(幅頻特性（加漢寧窗）)xlabel(normalizek frequency (rad/s)*);ylabel(Gain,dB);legend(M=30,M=45);grid;phase=unwrap(angle(mag);phase1=unwrap(angle(mag1);subplot(322);plot(omega,phase,-b,omega,phase1,-r);title(相位特性);xlabel(Normalized frequency rad/s);ylabel(phase rad);legend(M=30,M=45);grid;subplot(323)stem(k,

12、h);title(實(shí)際脈沖響應(yīng)離散數(shù)據(jù)圖M=30);grid;subplot(324)stem(k,hd);title(理想脈沖響應(yīng)離散數(shù)據(jù)圖M=30);grid;subplot(325)stem(k1,h1);title(實(shí)際脈沖響應(yīng)離散數(shù)據(jù)圖M=45);grid;subplot(326)stem(k1,hd1);title(理想脈沖響應(yīng)離散數(shù)據(jù)圖M=45);grid;圖形：分析：隨著長度M的增加濾波器的過渡帶減小，阻帶特性變好，理想脈沖和實(shí)際脈沖幅度增大。2、改用矩形窗和Blackman窗，設(shè)計(jì)步驟（1）中的帶通濾波器，觀察并記錄窗函數(shù)對濾波器幅頻和相位特性的影響，比較這三種窗函數(shù)的特點(diǎn)。

13、程序：Wp1=0.35*pi;Wp2=0.65*pi;Ws1=0.2*pi;Ws2=0.8*pi;N=45;M=N-1;w1=jvxing(N);w2=hn(N);w3=blkm(N);Wc1=(Wp1+Ws1)/2;Wc2=(Wp2+Ws2)/2;k=0:M;hd=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k-0.5*M)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k-0.5*M)/pi);h1=hd.*w1; h2=hd.*w2;h3=hd.*w3; omega=linspace(0,pi,512);mag1=freqz(h1,1,omega);magdb1=20*log(abs(mag1

14、);mag2=freqz(h2,1,omega);magdb2=20*log(abs(mag2);mag3=freqz(h3,1,omega);magdb3=20*log(abs(mag3);subplot(211)plot(omega/pi,magdb1,b-,omega/pi,magdb2,r-,omega/pi,magdb3,g-);legend(矩形窗,漢納窗,布萊克曼窗)title(幅頻特性)xlabel(normalizek frequency);ylabel(Gain,dB);grid;phase1=unwrap(angle(mag1);phase2=unwrap(angle(m

15、ag2);phase3=unwrap(angle(mag3);subplot(212)plot(omega,phase1,b-,omega,phase2,r-,omega,phase3,g-);legend(矩形窗,漢納窗,布萊克曼窗)title(相位特性);ylabel(phase);grid;圖形：分析：在長度相同（M=45）情況下，加矩形窗的濾波器過渡帶要小于加布萊克曼窗，而加布萊克曼窗的阻帶特性比加矩形窗好（衰減大），加漢納窗則介于二者之間。相位特性：加矩形窗、漢納窗、布萊克曼窗濾波器在通帶相位特性良好（基本是直線）。3、用Kaiser窗設(shè)計(jì)一個(gè)專用的線性相位濾波器。M=40，理想幅頻

16、特性如下：當(dāng)值分別為4,6,8時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器，比較它們的幅頻和相位特性，觀察并分析值不同的時(shí)候?qū)Y(jié)果有什么影響。主程序：M=40;Wc1=0.2*pi;Wc2=0.4*pi;Wc3=0.6*pi;Wc4=0.8*pi;w=kz(M); %凱澤窗w1=kz1(M);w2=kz2(M);k=1:M;hd=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k-0.5*M)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k-0.5*M)/pi)+(Wc4/pi)*sinc(Wc4*(k-0.5*M)/pi)-(Wc3/pi)*sinc(Wc3*(k-0.5*M)/pi);h=hd.*w;h1=hd.*w1;

17、h2=hd.*w2;omega=linspace(0,pi,512);mag=freqz(h,1,omega); %求h的頻率響應(yīng)mag1=freqz(h1,1,omega);mag2=freqz(h2,1,omega);magdb=20*log10(abs(mag);magdb1=20*log10(abs(mag1);magdb2=20*log10(abs(mag2);subplot(121)plot(omega/pi,magdb,-b,omega/pi,magdb1,-r,omega/pi,magdb2,-g);title(頻率特性)xlabel(Normalized frequency

18、(rad/s)*);ylabel(Gain dB);legend(=4,=6,=8);grid;phase=unwrap(angle(mag); %求mag的相位phase1=unwrap(angle(mag1);phase2=unwrap(angle(mag2);subplot(122);plot(omega,phase,-b,omega,phase1,-r,omega,phase2,-g);title(相位特性);xlabel(Normalized frequency rad/s);ylabel(phase rad);legend(=4,=6,=8);grid;圖形：分析：隨著的增大，濾波

19、器兩邊的阻帶衰減增大（阻帶特性變好），過渡帶增大，導(dǎo)致中間阻帶特性變差。通帶傳遞函數(shù)的相位良則不受變化的影響。四、DVCC系列仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)濾波器程序流程圖：開始 定義X（K）和H（K）的值，有效位分別為X（0）X（7），H（0）H（7）將X（K）的值存儲到30H到3FH，設(shè)置R2為0Y（N）的N值到通用寄存器R4。并設(shè)置R5的值為R4+1設(shè)置寄存器R6的初值為0設(shè)置H（K）的K值通用寄存器R2。并設(shè)置初值0取H（K）值，并將其暫存到通用寄存器R7計(jì)算值N-K，取X（N-K）的值 算H（K）* X（N-K），將結(jié)果與R6相加，并將新的結(jié)果存放R6NK=K+1R5-1，R5=0？ Y將R6的值存放

20、到從40H開始的單元，具體為40+N單元NN=N+1，N=8？ Y設(shè)置通用寄存器R6的初值為0，在后面用其存儲Y（N）的N取出Y（N）的值，并計(jì)算出其個(gè)位，十位，百位分別放在存儲單元7CH,7DH,7EH將N值的十位和各位算出分別存儲到68H，69H分別將7DH,7EH,7FH,68H,69H的內(nèi)容顯示到數(shù)碼管上R6的值為7？R6=R6+1N Y主程序：ORG 0200HLJMP STARTTABLEHX:DB 05h,04h,03h,02h,01h,00h,00h,00hTABLEX: DB 01h,03h,01h,02h,00h,00h,00h,00hTABLE:DB 0C0H,0F9H,

21、0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HORG 0500HSTART: MOV R0,#30H MOV R2,#0H MOV R3,#8Hs: MOV A,R2MOV DPTR,#TABLEXMOVC A,A+DPTRMOV R0,A INC R0INC R2DJNZ R3,s MOV R1,#40H ;存Y(N) MOV R3,#8H ;乘的次數(shù) MOV R4,#0H ;Ns1: MOV R6,#0H ;Y(N)=xkhn-k MOV DPTR,#TABLEHX MOV A,R4 ADD A,#01H MOV R5,A MOV R2,#0H ;取H()即Ks2:

22、MOV A,R2 MOVC A,A+DPTR ;從H取出 MOV R7,A ;暫存H(K) MOV A,R4 ;賦N-A CLR C SUBB A,R2 ;N-K ADD A,#30H MOV R0,A MOV A,R0 ;取X(N-K) MOV B,R7 ;暫存HK MUL AB ADD A,R6 ;加上K*XN-K MOV R6,A ;暫存HK*XN-K INC R2 ;K DJNZ R5,s2 ;R5:要加的乘積項(xiàng)數(shù) MOV A,R6 MOV R1,A ; 存YN INC R1 ; YN+1 INC R4 ;N DJNZ R3,s1 ;R3乘的次數(shù) ; dx1: MOV R6,#0H ;

23、N循環(huán)置初dx: MOV A,#40H ADD A,R6 MOV R0,A MOV A,R0 ;取Y MOV B,#10 DIV AB MOV 7DH,B ;個(gè)位，可在范圍內(nèi)任取 MOV B,#10 DIV AB MOV 7EH,B ;十 MOV 7FH,A ;百 MOV R0,#21H ; 數(shù)碼管選通端口地址 MOV R1,#22H ;數(shù)據(jù)輸出端口地址 MOV DPTR,#TABLE ;段位碼LED: MOV A,7DH MOVC A,A+DPTR MOVX R1,A MOV A,#01H ; 選數(shù)碼管 左6 MOVX R0,A ;顯示個(gè)位 ACALL DELAY MOV A,7EH MOV

24、C A,A+DPTR MOVX R1,A MOV A,#02H ;選數(shù)碼管 左5 MOVX R0,A ;顯示十位 ACALL DELAY MOV A,7FH MOVC A,A+DPTR MOVX R1,A MOV A,#04H ;選數(shù)碼管 左4 MOVX R0,A ;顯示百位 ACALL DELAY ; MOV 6AH,R6 ;第幾位 MOV A,6AH MOV B,#0AH ;B中放10 DIV AB MOV 68H,B MOV 69H,A MOV R7,#0FFH MOV A,68H MOVC A,A+DPTR MOVX R1,A MOV A,#10H ;選數(shù)碼管左2 MOVX R0,A

25、;顯示個(gè)數(shù) ACALL DELAY MOV A,69H MOVC A,A+DPTR MOVX R1,A MOV A,#20H ;選數(shù)碼管左1 MOVX R0,A ;顯示十位 ACALL DELAY ; ACALL KEY1 CJNE R6,#8H,dx ;R6乘的次數(shù) LJMP dx1 ;對R6清零 ,使7變?yōu)?KEY1: ACALL KS1 JNZ LK1RETLK1: ACALL DELAY3 INC R6 RETKS1: MOV DPTR,#0FF21H MOV A,#00H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FF23H MOVX A,DPTRCPL AANL A,#0FH ;查看是否有按鍵 RETDELAY: MOV R5,#02HD1: MOV R4,#0FFH DJNZ R4,$ DJNZ R5,D1 RETDELAY3: MOV R7,#07FHDD1: ACALL DELAY DJNZ R7,DD1