調幅發(fā)射機的課程設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上目錄專心-專注-專業(yè)第一章 數(shù)字濾波器設計的具體要求和目的第一節(jié) 摘要數(shù)字濾波技術是數(shù)字信號處理的一個重要組成部分，濾波器的設計是信號處理的核心問題之一。介紹了用雙線性不變法設計IIR數(shù)字濾波器的基本流程，以雙線性不變法設計了一個高通巴特沃斯IIR數(shù)字濾波器。根據(jù)FIR濾波器的原理，提出了FIR濾波器的窗函數(shù)設計法，并對常用的幾種窗函數(shù)進行了比較。給出了在MATLAB環(huán)境下，用窗函數(shù)法設計FIR濾波器的過程和設計實例。然后在MATLAB環(huán)境下進行了仿真與調試，實現(xiàn)了設計目標。第二節(jié) 關鍵字雙線性變換法、巴特沃斯、凱澤窗、數(shù)字高通濾波器、MATLAB第三節(jié) 設計目的通過

2、本課程設計，鞏固數(shù)字信號處理的有關知識，熟悉各種數(shù)字濾波器的設計原理，設計方法。學會分析有限字長效應帶來的誤差，合理設計數(shù)字濾波器的結構。學會利用MATLAB來進行濾波器的設計。第四節(jié) 設計要求給定技術指標：通帶截止頻率,通帶最大衰減阻帶截止頻率 ,阻帶最小衰減，抽樣頻率用雙線性變換法設計一個巴特沃斯數(shù)字高通濾波器。技術指標同上，用凱澤窗法設計一個FIR數(shù)字高通濾波器。設計時間為一周。第二章 對數(shù)字信號處理的認識和了解 隨著信息時代的到來，數(shù)字信號處理已經成為當今一門極其重要的學科和技術，并且在通信、語音、圖像、自動控制等眾多領域得到了廣泛的應用。在數(shù)字信號處理中，數(shù)字濾波器占有極其重要的地位

3、，它具有精度高、可靠性好、靈活性大等特點?，F(xiàn)代數(shù)字濾波器可以用軟件或硬件兩種方式來實現(xiàn)。軟件方式實現(xiàn)的優(yōu)點是可以通過濾波器參數(shù)的改變去調整濾波器的性能。MATLAB是一種面向科學和工程計算的語言，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，具有編程效率高、調試手段豐富、擴充能力強等特點。MATLAB的信號處理工具箱具有強大的函數(shù)功能，它不僅可以用來設計數(shù)字濾波器，還可以使設計達到最憂化，是數(shù)字濾波器設計的強有力工具。第三章 數(shù)字濾波器的設計原理第一節(jié) IIR數(shù)字濾波器的設計一 IIR數(shù)字濾波器簡介一個數(shù)字濾波器可以用系統(tǒng)函數(shù)表示為： 由這樣的系統(tǒng)函數(shù)可以得到表示系統(tǒng)輸入與輸出關系的常系數(shù)

4、線形差分方程為： 可見數(shù)字濾波器的功能就是把輸入序列x(n)通過一定的運算變換成輸出序列y(n)。不同的運算處理方法決定了濾波器實現(xiàn)結構的不同。無限沖激響應濾波器的單位抽樣響應h(n)是無限長的，其差分方程如上式所示，是遞歸式的，即結構上存在著輸出信號到輸入信號的反饋，其系統(tǒng)函數(shù)具有上式的形式，因此在z平面的有限區(qū)間(0<z<)有極點存在。前面已經說明，對于一個給定的線形時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)，有著各種不同的等效差分方程或網絡結構。由于乘法是一種耗時運算，而每個延遲單元都要有一個存儲寄存器，因此采用最少常熟乘法器和最少延遲支路的網絡結構是通常的選擇，以便提高運算速度和減少存儲器。然而

5、，當需要考慮有限寄存器長度的影響時，往往也采用并非最少乘法器和延遲單元的結構。IIR濾波器實現(xiàn)的基本結構有：(一)IIR濾波器的直接型結構；優(yōu)點：延遲線減少一半，變?yōu)镹 個，可節(jié)省寄存器或存儲單元；缺點：其它缺點同直接I型。通常在實際中很少采用上述兩種結構實現(xiàn)高階系統(tǒng)，而是把高階變成一系列不同組合的低階系統(tǒng)(一、二階)來實現(xiàn)。圖一 直接型(二)IIR濾波器的級聯(lián)型結構：特點：系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，只需一個二階節(jié)系統(tǒng)通過改變輸入系數(shù)即可完成；極點位置可單獨調整；運算速度快(可并行進行)；各二階網絡的誤差互不影響，總的誤差小，對字長要求低。 缺點：不能直接調整零點，因多個二階節(jié)的零點并不是整個系統(tǒng)函數(shù)的零

6、點，當需要準確的傳輸零點時，級聯(lián)型最合適。圖二 串聯(lián)型(三)IIR濾波器的并聯(lián)型結構。優(yōu)點：簡化實現(xiàn)，用一個二階節(jié)，通過變換系數(shù)就可實現(xiàn)整個系統(tǒng)；極、零點可單獨控制、調整，調整1i、2i只單獨調整了第i對零點，調整1i、2i則單獨調整了第i對極點；各二階節(jié)零、極點的搭配可互換位置，優(yōu)化組合以減小運算誤差；可流水線操作。缺點：二階階電平難控制，電平大易導致溢出，電平小則使信噪比減小。 圖三 并聯(lián)型 二 雙線性變換法設計IIR濾波器原理將S平面j軸壓縮變換到s1平面j軸上的-/T到/T一段，可以采用以下變換關系： 這樣變換到，變換到，可將上式寫成令，解析延拓到整個s平面和s1平面，可得再將平面通過

7、以下變換關系映射到z平面，即從而得到s平面和z平面的單值映射關系為一般來說，為了使模擬濾波器的某一頻率與數(shù)字濾波器的任一頻率有對應關系，可引入待定常數(shù)c，將代入到上式，可得在MATLAB中，雙線性Z變換可以通過bilinear函數(shù)實現(xiàn)，其調用格式為：Bz，Azbilinear(B，A，F(xiàn)s)；其中B，A為模擬濾波器傳遞函數(shù)G(s)的分子分母多項式的系數(shù)向量，而Bz，Az為數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)H(z)的分子分母多項式的系數(shù)向量。三 方案的設計論證與選擇本次濾波器設計的主要方法是先設計低通模擬濾波器，然后轉換為高通數(shù)字濾波器。對于其他如高通，則通過頻率變換轉換為設計相應的高通等。在設計的全過程的各

8、個步驟，matlab都提供相應的工具箱函數(shù)，使得IIR數(shù)字濾波器設計變得非常簡單。總的來說，我的設計思路主要有以下兩種：方案一：從歸一化模擬低通原型出發(fā)，先在模擬域內經頻率變換成為所需類型的模擬濾波器；然后進行雙線性變換，由S域變換到Z域，而得到所需類型的數(shù)字濾波器。數(shù)字高通模擬高通歸一化模擬低通原型 模擬域 雙線性變換法頻率變換 圖四 先頻率變換再離散方案二：先進行雙線性變換，將模擬低通原型濾波器變換成數(shù)字低通濾波器；然后在Z域內經數(shù)字頻率變換為所需類型的數(shù)字濾波器。 歸一化模擬低通原型數(shù)字原型低通數(shù)字高通 雙線性 數(shù)字域 變換法 頻率變換 圖五 先離散再頻率變換以上兩種方案都可以，我最后選

9、擇了第一種方案進行設計，即先在模擬域內經頻率變換成為所需類型的模擬濾波器；然后進行雙線性變換，由S域變換到Z域，而得到所需類型的數(shù)字濾波器。因為高通濾波器的設計方法是先將要設計的濾波器的技術特性指標通過頻率轉換成模擬低通濾波器的技術指標，再根據(jù)這些性能指標設計出低通濾波器的傳遞函數(shù)，為了設計程序的簡潔，故選擇了方案一。第二節(jié) FIR濾波器的設計一 FIR濾波器的簡介FIR濾波器的單位抽樣響應為有限長度，一般采用非遞歸形式實現(xiàn)。通常的FIR數(shù)字濾波器有橫截性和級聯(lián)型兩種。FIR濾波器實現(xiàn)的基本結構有：(一)FIR濾波器的橫截型結構表示系統(tǒng)輸入輸出關系的差分方程可寫作：   &

10、#160;直接由差分方程得出的實現(xiàn)結構如圖六所示：圖六 橫截型(直接型卷積型)若h(n)呈現(xiàn)對稱特性，即此FIR濾波器具有線性相位，則可以簡化加橫截型結構，下面分情況討論：圖七 N分別為奇偶數(shù)時線形相位FIR濾波器實現(xiàn)結構(二)FIR濾波器的級聯(lián)型結構將H(z)分解成實系數(shù)二階因子的乘積形式：     這時FIR濾波器可用二階節(jié)的級聯(lián)結構來實現(xiàn)，每個二階節(jié)用橫截型結構實現(xiàn)。如圖所示：圖八 FIR濾波器的級聯(lián)結構這種結構的每一節(jié)控制一對零點，因而在需要控制傳輸零點時可以采用這種結構。二 窗函數(shù)法設計FIR濾波器如果所希望的濾波器的理想的頻率響應函數(shù)為，則其對應的單位

11、脈沖響應為 窗函數(shù)設計法的基本原理是用有限長單位脈沖響應序列逼近。由于往往是無限長序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)將截斷，并進行加權處理，得到：就作為實際設計的FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應序列，其頻率響應函數(shù)為式中，N為所選窗函數(shù)的長度。我們知道，用窗函數(shù)法設計的濾波器性能取決于窗函數(shù)的類型及窗口長度N的取值。設計過程中，要根據(jù)對阻帶最小衰減和過渡帶寬度的要求選擇合適的窗函數(shù)類型和窗口長度N 。各種類型的窗函數(shù)可達到的阻帶最小衰減和過渡帶寬度見附二這樣選定窗函數(shù)類型和長度N之后，求出單位脈沖響應，并按照上式求出。是否滿足要求，要進行演算。一般在尾部加零使長度滿足2的整數(shù)次冪，以便用FFT計

12、算。如果要觀察細節(jié)，補零點數(shù)增多即可。如果不滿足要求，則要重新選擇窗函數(shù)類型和長度N ，再次驗算，直至滿足要求。如果要求線性相位特性，則還必須滿足 根據(jù)上式中的正、負號和長度N的奇偶性又將線性相位FIR濾波器分成四類。要根據(jù)所設計的濾波特性正確選擇其中一類，例如，要設計線性相位低通特性，可以選擇這一類，而不能選擇這一類。第四章 程序設計及調試第一節(jié) 設計要求給定技術指標如下： 通帶截止頻率Fp=3kHZ,通帶最大衰減Rp=3db阻帶截止頻率Fs=2kHZ,阻帶最小衰減Rs=14db抽樣頻率用雙線性變換法設計一個巴特沃斯數(shù)字高通濾波器。技術指標同上，用凱澤窗法設計一個FIR數(shù)字高通濾波第二節(jié) 雙

13、線性變換法設計一個巴特沃斯數(shù)字高通濾波器一 模擬低通濾波首先應用雙線性變換作為數(shù)字低通濾波器到模擬高通濾波器的頻率預畸變處理： 利用上式確定的技術指標和已知的參數(shù)dp、ds，就可以進行模擬原型低通濾波器設計了。該部分的程序設計與注釋如下： Fs=10000; Ts=1/Fs; %采樣頻率和采樣周期wp=3000*2*pi;ws=2000*2*pi; %低通、高通數(shù)字濾波器截止頻率Rp=3;Rs=14; %通帶波紋和阻帶衰減wpl=Fs*2*tan(ws*Ts/2); %按頻率轉換公式進行轉換wsl=Fs*2*tan(wp*Ts/2);N,Wn=buttord(wpl,wsl,Rp,Rs,

14、9;s'); %計算模擬濾波器的最小階數(shù)z,p,k=buttap(N); %設計模擬原型低通濾波器b,a=zp2tf(z,p,k); %變零極點增益形式為系統(tǒng)傳遞函數(shù)形式H,w=freqs(b,a); %求模擬低通濾波器的頻率響應figure;plot(w,abs(H);grid; %繪制低通頻率特性title('模擬低通原型');xlabel('w');ylabel('幅度');二 模擬到數(shù)字的轉換（一）從低通向低通的轉換b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn);功能是把模擬濾波器原型轉換成截至頻率為 Wn 的低通濾波器。再由得到的模

15、擬低通濾波器通過函數(shù)Bz，Azbilinear(B，A，F(xiàn)s)得到數(shù)字低通濾波器。該部分的程序設計如下：e1,f1=lp2lp(b,a,2000*2*pi) ; %原型低通轉換為低通模擬濾波器h1,w1=freqs(e1,f1); %求模擬低通濾波器的頻率響應figure;plot(w1/(2*pi),abs(h1); %繪制高通頻率特性grid;title('模擬低通濾波器');xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');r1,q1=bilinear(e1,f1,10000); %模擬低通濾波器轉換為數(shù)字濾波器s1,w2=freqz

16、(r1,q1); %求數(shù)字低通濾波器的頻率響應figure;plot(w2/pi, 20*log10(abs(s1);grid; %繪制數(shù)字低通濾波器的頻率響應title('數(shù)字低通濾波器');xlabel('w/pi');ylabel('幅度(dB)');（二）從低通向高通的轉換b,a=lp2hp(Bap,Aap,Wn);功能是把模擬濾波器原型轉換成截至頻率為 Wn 的模擬高通濾波器，再進一步轉換成數(shù)字高通濾波器。程序設計如下：e2,f2=lp2hp(b,a,2000*2*pi) ; %原型低通模擬濾波器轉換為高通模擬濾波器h2,w3=freq

17、s(e2,f2); %求模擬高通濾波器的頻率響應figure;plot(w3/(2*pi),abs(h2); %繪制高通頻率特性grid;title('模擬高通濾波器');xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');r2,q2=bilinear(e2,f2,10000); %模擬高通濾波器轉換為數(shù)字濾波器s2,w4=freqz(r2,q2); %求數(shù)字高通濾波器的頻率響應figure;plot(w4/pi, 20*log10(abs(s2);grid; %繪制數(shù)字高通濾波器的頻率響應title('數(shù)字高通濾波器');x

18、label('w/pi');ylabel('幅度(dB)');三 仿真結果與分析將設計好的程序在matlab軟件下進行仿真，得到仿真波形 圖十 仿真結果由仿真結果可知，設計出的數(shù)字低通，高通，帶通的幅頻響應均符合各自的特性，從模擬濾波器特性曲線可以看出，所設計的高通濾波器在大于3000Hz為通帶，其衰減均小于1dB；小于2000Hz為阻帶，其衰減大于14dB，而設計的低通濾波器情況正好相反，符合本次設計的要求。第二節(jié) 凱澤窗法設計FIR高通濾波器一 程序設計fp=2000;fc=3000;As=14;Ap=3;Fs=10000;wc=2*pi*fc/Fs; wp

19、=2*pi*fp/Fs;wdel=wc-wp;beta=0.112*(As-8.7);N=ceil(As-8)/2.285/wdel) %N=5wn= kaiser(N,beta); ws=(wp+wc)/2/pi;b=fir1(N-1,ws,'high',wn); %此處M必須是偶數(shù)，因此為N-1figure(1);freqz(b,1);二 結果分析 圖十一 仿真結果由仿真結果知，輸出波形與矩形波的非常相似，這是由于所給指標中通帶最大衰減dp為3dB,阻帶最小衰減ds為14dB與矩形窗的技術指標非常相近，但由于前面幾種窗函數(shù)的形狀是固定的，一旦選擇了某種窗函數(shù)，設計出的高通數(shù)

20、字濾波器的阻帶衰減就確定了。而凱澤窗可以通過改變窗函數(shù)的形狀來控制窗函數(shù)旁瓣的大小，從而在設計過程中根據(jù)濾波器的衰減指標來確定窗函數(shù)的形狀，因此盡管選擇凱澤窗出現(xiàn)誤差，但仿真結果還是比較準確的。第五章 心得體會通過這次課程設計，使我掌握了課程設計的基本思路和方法，掌握了課程設計說明書的基本撰寫方法，了解了基本的設計思想和設計方法。同時此次課程設計使我對數(shù)字信號處理原理這門課程的基礎知識和基本理論有了更深的理解和掌握，鍛煉了我們綜合運用所學知識的能力，并在理論分析設計、計算制圖運用標準和規(guī)范查閱設計手冊與資料以及計算機應用能了等方面得到了初步的訓練和提高，培養(yǎng)了我們嚴謹求實的科學態(tài)度。同時這次課

21、程設計采用分組的形式進行，鍛煉了我們的分工合作能力，同時培養(yǎng)了我們的團隊意識。這次課程設計使我進一步熟悉了計算工具軟件-MATLAB.并進一步掌握了MATLAB的使用方法.對MATLAB語言的發(fā)展和特點有了更深的了解，熟悉其工作環(huán)境，并掌握了MATLAB的基本語法，在其應用方面也有了更深的了解，了解了MATLAB程序書寫的一般思路及一般步驟，學會了用MATLAB解決復雜信號處理等問題的方法。使我對MATLAB信號處理工具箱內的模型函數(shù)有了深刻的體會和應用。MATLAB作為一種科學計算軟件，有著其獨特優(yōu)勢，尤其在科學計算及精確繪圖上，與其他計算機語言相比，簡潔而且具有智能化，適應我們的思維方式與

22、書寫習慣，它使用解析方法工作，直觀且簡單明了。人機交互性能好，操作也很簡單，在圖形描繪上解決手工描繪的各種缺點。 在課程設計的這段時間里，我認為收獲還是很多的，不但進一步掌握了數(shù)字信號處理的基礎知識及一門專業(yè)仿真軟件的基本操作，還提高了自己的設計能力及動手能力，同時對于模擬濾波器來了個系統(tǒng)的總結。更多的是讓我看清了自己，明白了凡事需要耐心，實踐是檢驗學習的唯一標準。理論知識的不足在這次課設中表現(xiàn)的很明顯。這將有助于我今后的學習，端正自己的學習態(tài)度，從而更加努力的學習?？傊ㄟ^本次課程設計不但讓我又學到了一些知識，而且也提高了我的綜合能力。使我在各方面都得到了鍛煉，非常感謝我的同組同學，也非常

23、感謝我們的指導老師，使我們這次的課程設計任務圓滿完成。第六章 參考文獻1、程佩青 數(shù)字信號處理(第二版) 北京 清華大學出版社 2001.2、陳懷琛 數(shù)字信號處理教程-MATLAB釋義與實現(xiàn)M.北京：電子工業(yè)出版社 2004.3、羅建軍 MATLAB教程. 北京：電子工業(yè)出版社，2005 第七章 附錄附錄一 部分程序源碼：雙線性變換法設計一個巴特沃斯數(shù)字高通濾波器:Fs=2000; Ts=1/Fs; %采樣頻率和采樣周期wp=400*2*pi;ws=300*2*pi; %低通、高通數(shù)字濾波器截止頻率Rp=1;Rs=30; %通帶波紋和阻帶衰減wpl=Fs*2*tan(ws*Ts/2); %按頻

24、率轉換公式進行轉換wsl=Fs*2*tan(wp*Ts/2);N,Wn=buttord(wpl,wsl,Rp,Rs,'s'); %計算模擬濾波器的最小階數(shù)z,p,k=buttap(N); %設計模擬原型低通濾波器b,a=zp2tf(z,p,k); %變零極點增益形式為系統(tǒng)傳遞函數(shù)形式H,w=freqs(b,a); %求模擬低通濾波器的頻率響應figure;plot(w,abs(H);grid; %繪制低通頻率特性title('模擬低通原型');xlabel('w');ylabel('幅度');e1,f1=lp2lp(b,a,300

25、*2*pi);%原型低通轉換為低通模擬濾波器h1,w1=freqs(e1,f1); %求模擬低通濾波器的頻率響應figure;plot(w1/(2*pi),abs(h1); %繪制高通頻率特性grid;title('模擬低通濾波器');xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');r1,q1=bilinear(e1,f1,1000); %模擬低通濾波器轉換為數(shù)字濾波器s1,w2=freqz(r1,q1); %求數(shù)字低通濾波器的頻率響應figure;plot(w2/pi, 20*log10(abs(s1);grid; %繪制數(shù)字低通濾波器

26、的頻率響應title('數(shù)字低通濾波器');xlabel('w/pi');ylabel('幅度(dB)');e2,f2=lp2hp(b,a,300*2*pi) ; %原型低通模擬濾波器轉換為高通模擬濾波器h2,w3=freqs(e2,f2); %求模擬高通濾波器的頻率響應figure;plot(w3/(2*pi),abs(h2); %繪制高通頻率特性grid;title('模擬高通濾波器');xlabel('頻率Hz');ylabel('幅度');r2,q2=bilinear(e2,f2,1000)

27、; %模擬高通濾波器轉換為數(shù)字濾波器s2,w4=freqz(r2,q2); %求數(shù)字高通濾波器的頻率響應figure;plot(w4/pi, 20*log10(abs(s2);grid; %繪制數(shù)字高通濾波器的頻率響應title('數(shù)字高通濾波器');xlabel('w/pi');ylabel('幅度(dB)');W0=200*2*pi;Bw=200;e3,f3=lp2bp(b,a,W0,Bw);%原型低通轉換為帶通模擬濾波器h3,w5=freqs(e3,f3); %求模擬帶通濾波器的頻率響應figure;plot(w5/(2*pi),abs(h3); %繪制帶通頻率特性grid;title('模擬