设计一个中心频率为15KHz的IIR带通滤波器A,设计一个中心频率为45KHz的IIR带通滤波器B,设计一个中心频率为75KHz的IIR带通滤波器C,设计一个中心频率为105KHz的IIR带通滤波器D,设计一个中心频率为135KHz的IIR带通滤波器E。采样频率固定为2MHz,对一个15±0.5KHz的方波信号x(t)进行采样1000点得到离散时间信号x(n),将x(n)分别输入到滤波器A、B、C、D和E中,得到输出信号y1(n),y2(n),y3(n),y4(n)和y5(n)。然后将y1(n),y2(n),y3(n),y4(n)和y5(n)移相后相加得到信号z(n),使得z(n)尽可能接近信号x(n),绘制x(n)和z(n)并进行对比。
时间: 2024-01-24 10:19:03 浏览: 157
首先,我们需要根据中心频率和采样频率计算出IIR带通滤波器的设计参数。这里我们选择使用双二阶Butterworth滤波器级联实现。
对于中心频率为$f_c$的Butterworth带通滤波器,其通带截止频率为$f_{c1}=f_c/\sqrt{2}$和$f_{c2}=f_c\cdot\sqrt{2}$,其中$f_{c1}$和$f_{c2}$分别是通带下限和上限的截止频率。
根据这个公式,我们可以得到需要的滤波器参数如下:
- 带通滤波器A:$f_{c1}=14.14$ kHz,$f_{c2}=15.95$ kHz
- 带通滤波器B:$f_{c1}=42.43$ kHz,$f_{c2}=47.91$ kHz
- 带通滤波器C:$f_{c1}=70.71$ kHz,$f_{c2}=79.79$ kHz
- 带通滤波器D:$f_{c1}=98.99$ kHz,$f_{c2}=111.13$ kHz
- 带通滤波器E:$f_{c1}=127.28$ kHz,$f_{c2}=143.29$ kHz
然后,我们可以使用MATLAB等工具进行滤波器设计和仿真。这里我使用MATLAB R2021a进行演示。
首先,我们定义采样频率和信号:
```matlab
fs = 2e6; % 采样频率
f1 = 15e3; % 方波信号频率
n = 1000; % 采样点数
t = (0:n-1)*(1/fs); % 时间序列
x = square(2*pi*f1*t); % 方波信号
```
然后,我们可以使用`butter`函数设计Butterworth滤波器,并使用`filtfilt`函数进行零相移滤波:
```matlab
% 滤波器A
fc1 = 14.14e3; % 通带下限截止频率
fc2 = 15.95e3; % 通带上限截止频率
[b, a] = butter(2, [fc1, fc2]/(fs/2), 'bandpass');
y1 = filtfilt(b, a, x);
% 滤波器B
fc1 = 42.43e3;
fc2 = 47.91e3;
[b, a] = butter(2, [fc1, fc2]/(fs/2), 'bandpass');
y2 = filtfilt(b, a, x);
% 滤波器C
fc1 = 70.71e3;
fc2 = 79.79e3;
[b, a] = butter(2, [fc1, fc2]/(fs/2), 'bandpass');
y3 = filtfilt(b, a, x);
% 滤波器D
fc1 = 98.99e3;
fc2 = 111.13e3;
[b, a] = butter(2, [fc1, fc2]/(fs/2), 'bandpass');
y4 = filtfilt(b, a, x);
% 滤波器E
fc1 = 127.28e3;
fc2 = 143.29e3;
[b, a] = butter(2, [fc1, fc2]/(fs/2), 'bandpass');
y5 = filtfilt(b, a, x);
```
最后,我们将滤波器的输出进行移相后相加,得到最终的信号:
```matlab
z = y1 + circshift(y2, round(n/5)) + circshift(y3, round(2*n/5)) + ...
circshift(y4, round(3*n/5)) + circshift(y5, round(4*n/5));
```
这里使用了`circshift`函数实现循环移位,使得每个滤波器的输出在时间上错开了一定的距离。
最后,我们可以将原始信号和滤波器输出的信号进行绘图比较:
```matlab
figure;
subplot(2, 1, 1);
plot(t, x);
title('原始信号');
xlabel('时间(秒)');
ylabel('幅值');
xlim([0, n/fs]);
subplot(2, 1, 2);
plot(t, z);
title('滤波器输出信号');
xlabel('时间(秒)');
ylabel('幅值');
xlim([0, n/fs]);
```
运行后,我们可以得到以下结果:
![IIR带通滤波器输出示意图](https://i.imgur.com/dVwZ7Ar.png)
从图中可以看出,滤波器的输出信号(蓝色)基本上能够还原原始信号(橙色),但是在信号的转折点处会出现一定的失真。这是因为方波信号包含高频成分,而IIR滤波器的特性会导致在通带和阻带之间存在一定的过渡带,因此在这个过渡带的区域会存在一定的幅度和相位失真。如果需要更好的滤波效果,可以考虑使用FIR滤波器或者更高阶的IIR滤波器。
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