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1、实验三 FIR数字滤波器的设计 一、实验目的1. 掌握用窗函数法，频率采样法及优化设计法设计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。 二、实验原理与方法 线性相位实系数FIR滤波器按其N值奇偶和h(n)的奇偶对称性分为四种： 1、h(n)为偶对称，N为奇数H(ej)的幅值关于=0，2成偶对称。 2、h(n)为偶对称，N为偶数H(ej)的幅值关于=成奇对称，不适合作高通。 3、h(n)为奇对称，N为奇数H(ej)的幅值关于=0，2成奇对称，不适合作高通和低通。 4、h(n)为奇对称，N为偶
2、数H(ej) =0、20，不适合作低通。(一) 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k，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(ej)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(ej)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(ej)，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
3、复上述设计过程，以得到满意的结果。 窗函数的傅式变换W(ej)的主瓣决定了H(ej)过渡带宽。W(ej)的旁瓣大小和多少决定了H(ej)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。（二）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(ej)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()是内插函数（三）FIR
4、滤波器的优化设计 FIR滤波器的优化设计是按照最大误差最小化准则，使所设计的频响与理想频响之间的最大误差，在通带和阻带范围均为最小，而且是等波动逼近的。 为了简化起见，在优化设计中一般将线性相位FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)的对称中心置于n=0处，此时，线性相位因子=0。当N为奇数，且N=2M+1，则如希望逼近一个低通滤波器，这里M，p和s固定为某个值。在这种情况下有定义一逼近误差函数：E()为在希望的滤波器通带和阻带内算出的误差值，W()为加权函数。k应当等于比值1/2，1为通带波动，2为阻带波动。在这种情况下，设计过程要求|E()|在区间 的最大值为最小，它等效于求最小2。根据数学上多
5、项式逼近连续函数的理论，用三角多项式逼近连续函数，在一定条件下存在最佳逼近的三角多项式，而且可以证明这个多项式是唯一的。这一最佳逼近定理通常称作交替定理。 在逼近过程中，可以固定k，M，p，s而允许改变2，按照交替定理，首先估计出(M+2)个误差函数的极值频率点i，i=0,1,.,M+1，共计可以写出(M+2)个方程式中表示峰值误差。一般仅需求解出，接着便可用三角多项式找到一组新的极值频率点，并求出新的峰值误差。依此反复进行，直到前、后两次值不变化为止，最小的即为所求的2。 这一算法通常称作雷米兹(Remez)交替算法。 三、实验内容及步骤 (1)N=15, 。用Hanning窗设计一线性相位
6、带通滤波器，观察它的实际3dB和20dB带宽。N=45，重复这一设计，观察幅频和相位特性的变化，注意长度N变化的影响；(2)分别改用矩形窗和Blackman窗，设计(1)中的带通滤波器，观察并记录窗函数对滤波器幅频特性的影响，比较三种窗的特点； (3)用Kaiser窗设计一专用线性相位滤波器，N=40， 如图，当0=4，6，10时，分别设计，比较它们的幅频和相频特性，注意0取不同值时的影响；wn=kaiser(40,4); nn=0:1:39; alfa=(40-1)/2; hd=sin(0.4*pi*(nn-alfa)./(pi*(nn-alfa); h=hd.*wn; h1,w1=freq
7、z(h,1); plot(w1/pi,20*log10(abs(h1); axis(0,1,-80,10); grid; xlabel(/p) ylabel(/dB) (4)用频率采样法设计(3)中的滤波器，过渡带分别设一个过渡点，令H(k)=0.5。比较两种不同方法的结果；(5)用雷米兹(Remez)交替算法设计(3)中的滤波器，并比较(3)、(4)、(5)三种方法的结果。 四、实验思考1. 定性地说明用本实验程序设计的FIR滤波器的3dB截止频率在什么位置？它等于理想频率响应Hd(ej)的截止频率吗？ 2. 如果没有给定h(n)的长度N，而是给定了通带边缘截止频率c和阻带临界频率p，以及相应的衰减，你能根据这些条件用窗函数法设计线性相位FIR低通滤波器吗？8 / 8