椭圆高通滤波器的设计.docx
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椭圆高通滤波器的设计
燕山大学
课程设计说明书
题目：
椭圆高通滤波器的设计
学院（系）：
电气工程学院
年级专业：
学号：
学生：
指导教师：
教师职称：
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
数字信号处理课程设计
基层教学单位：
仪器科学与工程系指导教师：
学号
学生
（专业）班级
设计题目
3椭圆高通滤波器的设计
设
计
技
术
参
数
采样频率100Hz，采样点数100，低频、中频、高频信号频率分别为5Hz、15Hz、30Hz
设
计
要
求
产生一个连续信号，包含低频，中频，高频分量，对其进行采样，进行频谱分析。
设计高通滤波器对信号进行滤波处理，观察滤波后信号的频谱。
（熟悉函数freqz，ellip，filter，fft）
参
考
资
料
数字信号处理方面资料
MATLAB方面资料
周次
前半周
后半周
应
完
成
容
收集消化资料、学习MATLAB软件，进行相关参数计算
编写仿真程序、调试
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式四份，系、指导教师、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科
第一章摘要…………………………………………………..4
第二章引言…………………………………………….…….4
第三章基本原理…………………………………………..4
3.1数字滤波器的基本理论…………………………….….4
3.2椭圆滤波器的特点……………………………….……....5
3.3采样定理及相关原理…………………………….…..…..6
第四章设计过程………………………………...…………6
4.1椭圆滤波器设计结构图……………………..………….6
4.2设计椭圆滤波器的步骤………………….………..……6
4.3椭圆滤波器的MATLAB实现………………………….…6
第五章程序和仿真图………….……………………...…..9
5.1高通滤波器设计程序………….…………………….…..9
5.2信号的仿真图………….……………………………….10
第六章结语………….……………………………………….12
心得体会………………………………………………………13
参考文献………………………………………………..……..13
第一章摘要
滤波器是自动控制、信号处理和通信领域的重要组成部分,广泛地应用于各种系统中。
MATLAB语言是一种简单、高效的高级语言,是一种容丰富、功能强大的分析工具,其应用围几乎覆盖了所有的科学和工程计算领域。
通过编程可以很容易实现低通、高通、带通、带阻滤波器,并能画出滤波器的幅频特性曲线，大大简化了模拟滤波器设计。
本文将通过利用MATLAB滤波滤波器设计函数直接实现椭圆滤波器的设计，找到应用MATLAB来设计椭圆滤波器的方法。
介绍了椭圆型滤波器的基本理论和设计思想，给出了基于MATLAB设计高通椭圆型滤波器的具体步骤和利用MATLAB产生一个包含低频、中频、高频分量的连续信号，并实现对信号进行采样。
文中还对采样信号进行频谱分析和利用设计的椭圆滤波器对采样信号进行滤波处理，并对仿真结果进行分析和处理。
介绍了在基于MATLAB设计椭圆滤波器过程中常用到的工具和命令。
第二章引言
滤波器设计在电子工程、应用数学和计算机科学领域都是非常重要的容。
椭圆滤波器（Ellipticfilter）又称考尔滤波器（Cauerfilter），是在通带和阻带等波纹的一种滤波器。
它比切比雪夫方式更进一步地是同时用通带和阻带的起伏为代价来换取过渡带更为陡峭的特性。
椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。
它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器。
现代生活中，数字信号经过DAC转换获得的模拟信号的例子太多了，如声卡中的语音合成输出，又如试验室中的合成信号发生器等，为了滤除谐波干扰，获得高精度的模拟信号，大多数就采用本文介绍的衰减特性陡峭的椭圆低通滤波器。
因此椭圆滤波器具有广泛的应用。
第三章基本原理
3.1模拟滤波器的基本理论
模拟滤波器是电子设备中最重要的部分之一。
常用的滤波器有巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）及椭圆型（Elliptical）滤波器，其中巴特沃斯和切比雪夫滤波器的传输函数都是一个常数除以一个多项式，为全极点网络，仅在无限大处阻带衰减为无限大，而椭圆函数滤波器在有限频率上既有零点又有极点。
零、极点在通带产生等纹波，阻带的有限传输零点减少了过渡区，可获得极为陡峭的衰减曲线。
也就是说对于给定的阶数和波纹要求，椭圆滤波器能获得较其它滤波器更窄的过渡带宽，就这点而言，椭圆滤波器是最优的。
3.2椭圆滤波器的特点
椭圆滤波器传输函数是一种较复杂的逼近函数，利用传统的设计方法进行电路网络综合要进行繁琐的计算，还要根据计算结果进行查表，整个设计、调整都十分困难和繁琐。
有许多方法都是希望能快速简便地设计并实现椭圆滤波器从而把电子电路设计者从烦琐的模拟滤波器设计中解放出来。
本文采用的方法是MATLAB设计出滤波器的传输函数，然后再用通用的可编程滤波器来实现。
幅值响应在通带和阻带都是等波纹的，对于给定的阶数和给定的波纹要求，椭圆滤波器能获得较其它滤波器为窄的过渡带宽，就这点而言，椭圆滤波器是最优的，其振幅平方函数为
其中RN（x）是雅可比（Jacobi）椭圆函数，ε为与通带衰减有关的参数。
特点：
1、椭圆高通滤波器是一种零、极点型滤波器，它在有限频率围存在传输零点和极点。
2、椭圆高通滤波器的通带和阻带都具有等波纹特性，因此通带，阻带逼近特性良好。
3、对于同样的性能要求，它比前两种滤波器所需用的阶数都低，而且它的过渡带比较窄。
3.3采样定理及相关原理
模拟信号经过（A/D）变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率fs，重复出现一次。
理想采样就是假设采样开关闭合时间无限短，即t®0的极限情况。
此时采样序列可表示为一个冲激函数序列。
采样定理：
要想采样后能够不失真地还原出原模拟信号，则采样频率必须大于两倍原模拟信号频谱的最高截止频率（
³2
）。
第四章设计过程
4.1椭圆滤波器设计结构图
椭圆滤波器设计结构图如图所示：
图4.1椭圆滤波器结构框图
4.2设计椭圆模拟带通滤波器的步骤
1.确定模拟滤波器的性能指标：
。
2.由性能指标计算出滤波器阶次N。
3.通过归一化及去归一化求出的模拟滤波器Ha（s）。
4.3模拟滤波器的MATLAB实现
1.Matlab的信号处理软件提供了设计椭圆滤波器的函数：
ellipord函数和ellip函数。
1）.Ellipord函数的功能是求滤波器的最小阶数。
确定模拟滤波器的性能指标：
Wp,Ws,Rp,Rs。
设计要高通滤波器，需要屏蔽的是5Hz和15Hz的波形，所以可令Wp=30*2/Fs，设Ws=1，Rp<0.1dB,Rp>40dB,由这些参数可用ellipord函数求的椭圆滤波器的阶数，其程序如下：
Rp=0.1;
Rs=40;
Wp=30*2/Fs;
Ws=1;
[n,Wn]=ellipord（Wp,Ws,Rp,Rs,'s'）;
各个参量意义：
N-椭圆滤波器最小阶数；Wn为椭圆滤波器的带宽；Wp-椭圆滤波器通带截止角频率；Ws-椭圆滤波器阻带起始角频率；Rp-通带波纹（dB）；Rs-阻带最小衰减（dB）；
计算结果为：
N=5，Wn=0.6，即至少需要5阶椭圆滤波器。
2）.Ellip函数的功能是用来设计椭圆滤波器，其调用格式：
[b,a] = ellip（n,Rp,Rs,Wp）
[b,a] = ellip（n,Rp,Rs,Wp,'ftype'）
返回长度为n+1的滤波器系数行向量b和a,
其中：
'ftype'='high'高通滤波器；'ftype'='low'低通滤波器；'ftype'='stop'带阻滤波器
2.Matlab的信号处理工具箱提供了频谱分析函数:
fft函数、filter函数和freqz函数。
1）.fft函数功能：
对信号进行离散傅里叶变换。
其调用格式：
fft（X）（4-5）
fft（X,N）（4-6）
fft（X,[],DIM）或fft（X,N,DIM）（4-7）
说明：
fft（X）是对输入信号X的离散傅里叶变换。
fft（X,N）是N点傅里叶变换，如果X少于N点则补0凑齐位数，长于N点则截断。
如果x是个矩阵，列的长度将会以同样的方式调整，fft会对每列进行傅里叶变换，并返回一个相同维数的矩阵。
fft（X,[],DIM）或fft（X,N,DIM）是离散傅里叶变换在DIM尺度上的应用。
DIM可适应于任意维度的fft运算。
2）.filter函数功能：
利用IIR滤波器和FIR滤波器对数据进行滤波。
其调用格式：
y=filter（b,a,x）
[y,zf]=filter（b,a,x）
y=filter（b,a,x,zi）
说明：
filter采用数字滤波器对数据进行滤波，其实现采用移位直接Ⅱ型结构，因而适用于IIR和FIR滤波器。
滤波器的系统函数为
（4-8）
即滤波器系数a=[a0a1a2...an],b=[b0b1...bm],输入序列矢量为x。
这里，标准形式为a0=1，如果输入矢量a时，a0≠1，则MATLAB将自动进行归一化系数的操作；如果a0=0，则给出出错信息。
y=filter（b,a,x）利用给定系数矢量a和b对x中的数据进行滤波，结果放入y矢量中，y的长度取max（N,M）。
y=filter（b,a,x,zi）可在zi中指定x的初始状态。
[y,zf]=filter（b,a,x）除得到矢量y外，还得到x的最终状态矢量zf。
3）.freqz函数功能：
离散时间系统的频率响应。
其调用格式：
[h,w]=freqz（b,a,n）（4-9）
[h,f]=freqz（b,a,n,Fs）（4-10）
h=freqz（b,a,w）（4-11）
h=freqz（b,a,f,Fs）（4-12）
freqz（b,a,n）（4-13）
说明:
freqz用于计算数字滤波器H（Z）的频率响应函数H（ejω）。
[h,w]=freqz（b,a,n）可得到数字滤波器的n点幅频响应值，这n个点均匀地分布在[0,π]上,并将这n个频点的频率记录在w中，相应的频响值记录在h中。
要求n为大于零的整数,最好为2的整数次幂,以便采用FFT计算，提高速度。
缺省时n=512。
[h,f]=freqz（b,a,n,Fs）用于对H（ejω）在[0,Fs/2]上等间隔采样n点，采样点频率及相应频响值分别记录在f和h中。
由用户指定FS（以HZ为单位）值。
h=freqz（b,a,w）用于对H（ejω）在[0,2π]上进行采样，采样频率点由矢量w指定。
h=freqz（b,a,f,Fs）用于对H（ejω）在[0,FS]上采样，采样频率点由矢量f指定。
freqz（b,a,n）用于在当前图形窗口中绘制幅频和相频特性曲线。
第五章程序和仿真图
5.1高通滤波器设计程序
%连续信号的产生及采样
clear
Fs=100;
t=（1:
100）/Fs;
s1=sin（2*pi*t*5）;
s2=sin（2*pi*t*15）;
s3=sin（2*pi*t*30）;
s=s1+s2+s3;
plot（t,s）
xlabel（'时间（s）'）
ylabel（'幅值'）
%椭圆高通滤波器的设计
Rp=0.1;
Rs=40;
Wp=30*2/Fs;
Ws=1;
[n,Wn]=ellipord（Wp,Ws,Rp,Rs,'s'）;
[b,a]=ellip（n,Rp,Rs,Wp,'high'）;
[H,w]=freqz（b,a,512）;
plot（w*Fs/（2*pi）,abs（H））;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'频率响应图'）;
grid;
%对滤波后的信号进行分析和变换
sf=filter（b,a,s）;
plot（t,sf）;
xlabel（'时间（s）'）;
ylabel（'幅值'）;
axis（[01-11]）;
S=fft（s,512）;
SF=fft（sf,512）;
w=（0:
255）/256*（Fs/2）;
plot（w,abs（[S（1:
256）'SF（1:
256）']））;
xlabel（'频率（Hz）'）;
ylabel（'傅立叶变换图'）;
grid;
legend（{'before','after'}）;
5.2信号的仿真图
1.连续信号产生及采样的仿真图，如下图所示
图5.1连续信号的仿真图
2.椭圆高通滤波器的仿真图
图5.2椭圆高通滤波器的仿真图
3.信号通过椭圆高通滤波器的仿真图，如下图所示
图5.3信号通过椭圆高通滤波器的仿真图
注：
图中蓝色曲线代表滤波前的幅频曲线，绿线代表滤波后的幅频曲线。
第六章仿真分析及总结
椭圆滤波器能得到较其它滤波器更窄的过渡带宽，可以获得对理想滤波器幅频响应的最好逼近，是一种性价比很高的滤波器。
利用Matlab语言，其信号处理工具箱提供了丰富的设计方法，可以使得繁琐的程序设计简化成函数的调用，只要以正确的指标参数调用函数，就可以正确快捷地得到设计结果从而较方便地设计出椭圆滤波器。
椭圆滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，在设计过程中可以对比滤波器的特性，随时更改椭圆滤波器通带截止角频率Wp，阻带起始角频率Ws，通带波纹Rp，阻带最小衰减Rs等参数，观察滤波器的滤波效果。
通过在设计中计算出的阶次，考虑到实际应用中计算机计算时间的限制，滤波器阶次不可能过高，左右浮动试验多次后得出5阶为最佳阶数。
通过图可知，设计出的滤波器具有较理想的高通性能，对中频和低频信号能有明显的截止作用，同时也不会对高频信号造成损失，很好的满足了设计要求。
心得体会
通过一个星期的数字信号处理课程设计，我对教材中所学知识有了更深的理解和认识，教材中的基本定理和原理对我的设计起到了很好的指导作用，同时学习应用了数字信号处理软件Matlab，感叹于其功能的强大性与掌握编程各种函数和语句的重要性。
通过了解所要编程运行的对象的原理，我学会了熟练运用其基本功能。
我觉得近一周的课程设计对我来说，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到毕业以后从学校到踏上社会的一个过程。
同组同学的方案和建议使得我们的设计得以完善，在仿真中遇到的问题也都得到了解决。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。
另外在设计过程中也用到了许多高数等其他基础课的知识，对以前的容有了更加综合的掌握。
由于首次进行应用数字信号处理的设计，很多知识还未做到灵活运用的程度，如果以后有机会，我会继续锻炼自己的能力。
参考文献
[1]谢平王娜林洪彬.信号处理及应用.机械工业
[2]吴湘肖熙郝晓丽.信号、系统与信号处理的软硬件实现.电子工业
[3]肖有平,霞.高阶椭圆滤波器的设计与仿真[J].电子测量技术,2007,（3）.
[4]王靖,永全.椭圆滤波器Matlb设计与实现[J].现代电子技术,2007,（6）.
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