基于 MATLAB 的数字信号处理(4) IIR 数字滤波器设计与软件实现
文章目录
- 一、实验目的
- 二、实验原理
- 三、设计IIR数字滤波器
一、实验目的
- 熟悉用双线性变换法设计 IIR 数字滤波器的原理与方法
- 学会调用 MATLAB 信号处理工具箱中滤波器设计函数(或滤波器设计分析工具fdatool)设计各种 IIR 数字滤波器, 学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。
- 掌握 IIR 数字滤波器的 MATLAB 实现方法
- 通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱,建立数字滤波的概念
二、实验原理
设计IIR数字滤波器一般采用间接法(脉冲响应不变法和双线性变换法),应用最广泛的是双线性变换法。
基本设计过程如下:
- 先将给定的数字滤波器的指标转换成过渡模拟滤波器的指标
- 设计过渡模拟滤波器
- 将过渡模拟滤波器的系统函数转换成数字滤波器的系统函数,MATLAB信号处理工具箱中的各种 IIR 数字滤波器设计函数都是采用双线 性变换法。
教材第 6 章介绍的滤波器设计函数butter、 cheby1 、cheby2 和 eclip 可以分别被调用来直接设计巴特沃斯、 切比雪夫1、 切比雪夫 2 以及椭圆模拟和数字滤波器。 本实验要求读者调用如上函数直接设计 IIR 数字滤波器。本实验的数字滤波器的 MATLAB 实现是指调用 MATLAB 信号处理工具箱函数 filter 对给定的输入信号 x(n) 进行滤波,得到滤波后的输出信号y(n)。
原理框图如下:
产生三路调幅信号s(t)
function st=mstg
%调用信号产生函数mstg 三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号s(t),
%长度N=1600 显示st的时域波形和幅频特性曲线
N=1600; %N为信号st的长度。
Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采样频率Fs=10kHz,Tp为采样时间
t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp;
fc1=Fs/10; %第1路调幅信号的载波频率fc1=1000Hz,
fm1=fc1/10; %第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100Hz
fc2=Fs/20; %第2路调幅信号的载波频率fc2=500Hz
fm2=fc2/10; %第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50Hz
fc3=Fs/40; %第3路调幅信号的载波频率fc3=250Hz,
fm3=fc3/10; %第3路调幅信号的调制信号频率fm3=25Hz
xt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t); %产生第1路调幅信号
xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t); %产生第2路调幅信号
xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t); %产生第3路调幅信号
st=xt1+xt2+xt3; %三路调幅信号相加
fxt=fft(st,N); %计算信号st的频谱
%===== 以下为绘图部分,绘制st的时域波形和幅频特性曲线 =====
subplot(211)
plot(t,st,'g');grid;xlabel('t/s');ylabel('s(t)');
axis([0,Tp/2,min(st),max(st)]);title('(a) s(t)的波形')
subplot(212)
stem(f,abs(fxt)/max(abs(fxt)),'r.');grid;title('(b) s(t)的频谱')
axis([0,Fs/5,0,1.2]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度')
%三路信号时域混叠无法在时域分离。 但频域是分离的
%所以可以通过滤波的方法在频域分离,这就是本实验的目的
通过观察s(t)的幅频特性曲线,分别确定可以分离 s(t) 中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器(低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器)的通带截止频率和阻带截止频率。要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为60dB。 图中三路调幅信号的载波频率分别为250 Hz、500 Hz、1000 Hz。带宽(也可以由信号产生函数mstg看出)分别为50 Hz、100 Hz、200 Hz。所以,分离混合信号 s(t) 中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器(低通滤波器、 带通滤波器、高通滤波器)的指标参数选取如下:
- 对载波频率为 250Hz 的调幅信号,可以用低通滤波器分离,其指标为: 通带截止频率 fp=280Hz, 通带最大衰减 Ap=0.1dB; 阻带截止频率 fs=450Hz, 阻带最小衰减 As=60dB。
- 对载波频率为 500Hz的调幅信号,可以用带通滤波器分离,其指标为 通带截止频率 fpl=440Hz,fpu=560Hz,通带最大衰减Ap=0.1dB; 阻带截止频率 fsl=275Hz,fsu=900Hz,阻带最小衰减As=60dB。
- 对载波频为 1000Hz 的调幅信号,可以用高通滤波器分离,其指标为: 通带截止频率 fp=890Hz, 通带最大衰减Ap=0.1dB; 阻带截止频率 fs=550Hz, 阻带最小衰减As=60dB。
说明:
- 为了使滤波器阶数尽可能低,每个滤波器边界频率的选择原则是尽量使滤波器过渡带宽一些。
- 与信号产生函数mstg相同,采样频率Fs=10kHz。
- 为了滤波器阶数最低,选用椭圆滤波器。
三、设计IIR数字滤波器
低通滤波器,分离出第一路信号
clear;
%初始化参数
N=1600;
Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T;
t=0:T:(N-1)*T;st=mstg;k=0:N-1;f=k/Tp;
%ellipord模板
%低通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号
fp=280;fs=450;
wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60;
[N,wpo]=ellipord(wp,ws,rp,rs); %计算椭圆低通模拟滤波器阶数和通带边界频率
[B,A]=ellip(N,rp,rs,wpo); %计算低通模拟滤波器系统函数系数
ylt=filter(B,A,st);
disp(ylt);
[H,w]=freqz(B,A,1000); %求解离散系统频率响应的函数freqz()
m=abs(H);
loseH=20*log10(m/max(m));
subplot(311);plot(w/pi,loseH);
axis([0 1 -80 5]);title('低通滤波器的损耗函数');grid;
xlabel('omega/pi');ylabel('幅度/dB');
subplot(312);plot(t,ylt);
axis([0 Tp/2 -2 2]); %设置坐标轴刻度
xlabel('t/s');ylabel('y(t)');
title('分离出的调幅信号的时域波形');
subplot(313);
fxt=fftshift(fft(ylt,1600));
stem(f-5000,abs(fxt)/max(abs(fxt)),'r.');grid;title('分离出的调幅信号的频谱');
axis([0,2000,0,1.2]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');
带通滤波器,分离出第二路信号
clear;
%初始化参数
N=1600;
Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T;
t=0:T:(N-1)*T;st=mstg;k=0:N-1;f=k/Tp;
%ellipord模板
%带通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号
fpl=440;fpu=560;fsl=275;fsu=900;
wp=[2*fpl/Fs,2*fpu/Fs]; %通带频率
ws=[2*fsl/Fs,2*fsu/Fs]; %阻带频率
rp=0.1;rs=60;
[N,wp]=ellipord(wp,ws,rp,rs); %计算椭圆带通模拟滤波器阶数和通带边界频率
[B,A]=ellip(N,rp,rs,wp); %计算带通模拟滤波器系统函数系数
y2t=filter(B,A,st);
[H,w]=freqz(B,A,1000); %求解离散系统频率响应的函数fregz()
m=abs(H);
loseH=20*log10(m/max(m));
subplot(3,1,1);plot(w/pi,loseH);
axis([0 1 -80 5]);title('带通滤波器的损耗函数');grid;
xlabel('omega/pi');ylabel('幅度/dB');
subplot(3,1,2);plot(t,y2t,'g');
axis([0 Tp/2 -2 2]); %设置坐标轴刻度
xlabel('t/s');ylabel('y(t)');
title('分离出的调幅信号的时域波形');
subplot(313);
fxt=fftshift(fft(y2t,1600));
stem(f-5000,abs(fxt)/max(abs(fxt)),'r.');grid;title('分离出的调幅信号的频谱');
axis([0,2000,0,1.2]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度')
高通滤波器,分离出第三路信号
clear;
%初始化参数
N=1600;
Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T;
t=0:T:(N-1)*T;st=mstg;k=0:N-1;f=k/Tp;
%ellipord模板
%高通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号
fp=890;fs=600;
wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60;
[N,wp]=ellipord(wp,ws,rp,rs);
[B,A]=ellip(N,rp,rs,wp,'high');
y3t=filter(B,A,st);
[H,w]=freqz(B,A,1000); %求解离散系统频率响应的函数fregz()
m=abs(H);
loseH=20*log10(m/max(m));
subplot(3,1,1);plot(w/pi,loseH);
axis([0 1 -80 5]);title('高通滤波器的损耗函数');grid;
xlabel('omega/pi');ylabel('幅度/dB');
subplot(3,1,2);plot(t,y3t,'g');
axis([0 Tp/2 -2 2]); %设置坐标轴刻度
xlabel('t/s');ylabel('y(t)');
title('分离出的调幅信号的时域波形');
subplot(313);
fxt=fftshift(fft(y3t,1600));
stem(f-5000,abs(fxt)/max(abs(fxt)),'r.');grid;title('分离出的调幅信号的频谱');
axis([0,2000,0,1.2]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');
由图可见,三个分离滤波器指标参数选取正确, 损耗函数曲线达到所给指标。 分离出的三路信号y1 (n)、y2 (n)、y3 (n)的波形是抑制载波的单频调幅波,符合实验要求。
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windows下进程间通信的(13种方法)-摘 要 本文讨论了进程间通信与应用程序间通信的含义及相应的实现技术,并对这些技术的原理、特性等进行了深入的分析和比较。 ---- 关键词 信号 管道 消息队列 共享存储段 信号灯 远程过程调用 Socket套接字 MQSeries 1 引言 ---- 进程间通信的主要目的是实现同一计算机系统内部的相互协作的进程之间的数据共享与信息交换,由于这些进程处于同一软件和硬件环境下,利用操作系统提供的的编程接口,用户可以方便地在程序中实现这种通信;应用程序间通信的主要目的是实现不同计算机系统中的相互协作的应用程序之间的数据共享与信息交换,由于应用程序分别运行在不同计算机系统中,它们之间要通过网络之间的协议才能实现数据共享与信息交换。进程间通信和应用程序间通信及相应的实现技术有许多相同之处,也各有自己的特色。即使是同一类型的通信也有多种的实现方法,以适应不同情况的需要。 ---- 为了充分认识和掌握这两种通信及相应的实现技术,本文将就以下几个方面对这两种通信进行深入的讨论:问题的由来、解决问题的策略和方法、每种方法的工作原理和实现、每种实现方法的特点和适用的范围等。 2 进程间的通信及其实现技术 ---- 用户提交给计算机的任务最终都是通过一个个的进程来完成的。在一组并发进程中的任何两个进程之间,如果都不存在公共变量,则称该组进程为不相交的。在不相交的进程组中,每个进程都独立于其它进程,它的运行环境与顺序程序一样,而且它的运行环境也不为别的进程所改变。运行的结果是确定的,不会发生与时间相关的错误。 ---- 但是,在实际中,并发进程的各个进程之间并不是完全互相独立的,它们之间往往存在着相互制约的关系。进程之间的相互制约关系表现为两种方式: ---- (1) 间接相互制约:共享CPU ---- (2) 直接相互制约:竞争和协作 ---- 竞争——进程对共享资源的竞争。为保证进程互斥地访问共享资源,各进程必须互斥地进入各自的临界段。 ---- 协作——进程之间交换数据。为完成一个共同任务而同时运行的一组进程称为同组进程,它们之间必须交换数据,以达到协作完成任务的目的,交换数据可以通知对方可以做某事或者委托对方做某事。 ---- 共享CPU问题由操作系统的进程调度来实现,进程间的竞争和协作由进程间的通信来完成。进程间的通信一般由操作系统提供编程接口,由程序员在程序中实现。UNIX在这个方面可以说最具特色,它提供了一整套进程间的数据共享与信息交换的处理方法——进程通信机制(IPC)。因此,我们就以UNIX为例来分析进程间通信的各种实现技术。 ---- 在UNIX中,文件(File)、信号(Signal)、无名管道(Unnamed Pipes)、有名管道(FIFOs)是传统IPC功能;新的IPC功能包括消息队列(Message queues)、共享存储段(Shared memory segment)和信号灯(Semapores)。 ---- (1) 信号 ---- 信号机制是UNIX为进程中断处理而设置的。它只是一组预定义的值,因此不能用于信息交换,仅用于进程中断控制。例如在发生浮点错、非法内存访问、执行无效指令、某些按键(如ctrl-c、del等)等都会产生一个信号,操作系统就会调用有关的系统调用或用户定义的处理过程来处理。 ---- 信号处理的系统调用是signal,调用形式是: ---- signal(signalno,action) ---- 其中,signalno是规定信号编号的值,action指明当特定的信号发生时所执行的动作。 ---- (2) 无名管道和有名管道 ---- 无名管道实际上是内存中的一个临时存储区,它由系统安全控制,并且独立于创建它的进程的内存区。管道对数据采用先进先出方式管理,并严格按顺序操作,例如不能对管道进行搜索,管道中的信息只能读一次。 ---- 无名管道只能用于两个相互协作的进程之间的通信,并且访问无名管道的进程必须有共同的祖先。 ---- 系统提供了许多标准管道库函数,如: pipe——打开一个可以读写的管道; close——关闭相应的管道; read——从管道中读取字符; write——向管道中写入字符; ---- 有名管道的操作和无名管道类似,不同的地方在于使用有名管道的进程不需要具有共同的祖先,其它进程,只要知道该管道的名字,就可以访问它。管道非常适合进程之间快速交换信息。 ---- (3) 消息队列(MQ) ---- 消息队列是内存中独立于生成它的进程的一段存储区,一旦创建消息队列,任何进程,只要具有正确的的访问权限,都可以访问消息队列,消息队列非常适合于在进程间交换短信息。 ---- 消息队列的每条消息由类型编号来分类,这样接收进程可以选择读取特定的消息类型——这一点与管道不同。消息队列在创建后将一直存在,直到使用msgctl系统调用或iqcrm -q命令删除它为止。 ---- 系统提供了许多有关创建、使用和管理消息队列的系统调用,如: ---- int msgget(key,flag)——创建一个具有flag权限的MQ及其相应的结构,并返回一个唯一的正整数msqid(MQ的标识符); ---- int msgsnd(msqid,msgp,msgsz,msgtyp,flag)——向队列中发送信息; ---- int msgrcv(msqid,cmd,buf)——从队列中接收信息; ---- int msgctl(msqid,cmd,buf)——对MQ的控制操作; ---- (4) 共享存储段(SM) ---- 共享存储段是主存的一部分,它由一个或多个独立的进程共享。各进程的数据段与共享存储段相关联,对每个进程来说,共享存储段有不同的虚拟地址。系统提供的有关SM的系统调用有: ---- int shmget(key,size,flag)——创建大小为size的SM段,其相应的数据结构名为key,并返回共享内存区的标识符shmid; ---- char shmat(shmid,address,flag)——将当前进程数据段的地址赋给shmget所返回的名为shmid的SM段; ---- int shmdr(address)——从进程地址空间删除SM段; ---- int shmctl (shmid,cmd,buf)——对SM的控制操作; ---- SM的大小只受主存限制,SM段的访问及进程间的信息交换可以通过同步读写来完成。同步通常由信号灯来实现。SM非常适合进程之间大量数据的共享。 ---- (5) 信号灯 ---- 在UNIX中,信号灯是一组进程共享的数据结构,当几个进程竞争同一资源时(文件、共享内存或消息队列等),它们的操作便由信号灯来同步,以防止互相干扰。 ---- 信号灯保证了某一时刻只有一个进程访问某一临界资源,所有请求该资源的其它进程都将被挂起,一旦该资源得到释放,系统才允许其它进程访问该资源。信号灯通常配对使用,以便实现资源的加锁和解锁。 ---- 进程间通信的实现技术的特点是:操作系统提供实现机制和编程接口,由用户在程序中实现,保证进程间可以进行快速的信息交换和大量数据的共享。但是,上述方式主要适合在同一台计算机系统内部的进程之间的通信。 3 应用程序间的通信及其实现技术 ---- 同进程之间的相互制约一样,不同的应用程序之间也存在竞争和协作的关系。UNIX操作系统也提供一些可用于应用程序之间实现数据共享与信息交换的编程接口,程序员可以通过自己编程来实现。如远程过程调用和基于TCP/IP协议的套接字(Socket)编程。但是,相对普通程序员来说,它们涉及的技术比较深,编程也比较复杂,实现起来困难较大。 ---- 于是,一种新的技术应运而生——通过将有关通信的细节完全掩盖在某个独立软件内部,即底层的通讯工作和相应的维护管理工作由该软件内部来实现,用户只需要将通信任务提交给该软件去完成,而不必理会它的具体工作过程——这就是所谓的中间件技术。 ---- 我们在这里分别讨论这三种常用的应用程序间通信的实现技术——远程过程调用、会话编程技术和MQSeries消息队列技术。其中远程过程调用和会话编程属于比较低级的方式,程序员参与的程度较深,而MQSeries消息队列则属于比较高级的方式,即中间件方式,程序员参与的程度较浅。 ---- 4.1 远程过程调用(RPC)