c++实现巴特沃斯带通滤波器完整代码

时间: 2023-06-02 17:03:02 浏览: 308
由于巴特沃斯带通滤波器需要指定截止频率和阶数,因此代码可能会根据具体需求有所不同。以下是一种实现巴特沃斯带通滤波器的完整代码示例: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <math.h> #define PI 3.14159265358979323846 typedef struct { int order; // 阶数 double *a_coeffs; // 分母系数 double *b_coeffs; // 分子系数 } Filter; double *allocate_array(int n) { double *arr = (double*)malloc(n * sizeof(double)); if (arr == NULL) { printf("Memory allocation failed!\n"); exit(1); } return arr; } void free_array(double *arr) { free(arr); } Filter *allocate_filter(int order) { Filter *f = (Filter*)malloc(sizeof(Filter)); if (f == NULL) { printf("Memory allocation failed!\n"); exit(1); } f->order = order; f->a_coeffs = allocate_array(order); f->b_coeffs = allocate_array(order + 1); return f; } void free_filter(Filter *f) { free_array(f->a_coeffs); free_array(f->b_coeffs); free(f); } void calc_butterworth_coeffs(double *a_coeffs, double *b_coeffs, int order, double f1, double f2, double fs) { double bw = f2 - f1; double wc1 = 2.0 * PI * f1 / fs; double wc2 = 2.0 * PI * f2 / fs; double Wc1 = tan(wc1 / 2.0); double Wc2 = tan(wc2 / 2.0); double Bw = Wc2 - Wc1; double m = order / 2.0; double *q_coeffs = allocate_array(order + 1); double *p_coeffs = allocate_array(order + 1); double a = sin(PI * m); double b = sinh(1.0 / m * asinh(1.0 / a)); double c = cosh(1.0 / m * asinh(1.0 / a)); double d = sqrt(1.0 + pow(b, 2.0)); double e = sqrt(1.0 + 1.0 / pow(b, 2.0)); double f = pow(c, 2.0 * m); double g = pow(bw / Bw, 1.0 / (2.0 * m)); double h = pow(d, 2.0 * m); double i = pow(e, 2.0 * m); double j = pow(g, 2.0); double k = 1.0 / (1.0 + j * i / h); double l = 2.0 * k; for (int n = 0; n <= order; n++) { double s = sin((2.0 * n + 1.0) * PI / (2.0 * order)); double u = pow(s, 2.0); double v = pow(j, m); double w = 1.0 + l * v * pow(e, 2.0 * m) / h * u; double x = pow(bw / (2.0 * Bw) * s, 2.0); q_coeffs[n] = 1.0 / w; p_coeffs[n] = x / w; } double prod_q = 1.0; double prod_p = 1.0; for (int n = 0; n <= order; n++) { prod_q *= q_coeffs[n]; prod_p *= p_coeffs[n]; } double K = pow(prod_p, 1.0 / (2.0 * order)) / prod_q; b_coeffs[0] = K; for (int n = 1; n <= order; n++) { double sum_a = 0.0; double sum_b = 0.0; for (int k = 0; k < n; k++) { sum_a += a_coeffs[k] * b_coeffs[n - k - 1]; sum_b += a_coeffs[k] * a_coeffs[n - k - 1]; } b_coeffs[n] = K * sum_a / sum_b; a_coeffs[n - 1] = -b_coeffs[n] * sum_b / a_coeffs[0]; } a_coeffs[order] = K; // Normalize coefficients double sum_sq_b = 0.0; for (int n = 0; n <= order; n++) { sum_sq_b += pow(b_coeffs[n], 2.0); } double norm_factor = 1.0 / sqrt(sum_sq_b); for (int n = 0; n <= order; n++) { b_coeffs[n] *= norm_factor; } free_array(q_coeffs); free_array(p_coeffs); } void apply_filter(double *input, double *output, int n, Filter *f) { for (int i = 0; i < n; i++) { double y = f->b_coeffs[0] * input[i]; for (int j = 1; j <= f->order; j++) { if (i >= j) { y += f->b_coeffs[j] * input[i - j] - f->a_coeffs[j - 1] * output[i - j]; } } output[i] = y; } } int main() { int order = 4; double f1 = 10.0; double f2 = 100.0; double fs = 1000.0; Filter *f = allocate_filter(order); calc_butterworth_coeffs(f->a_coeffs, f->b_coeffs, order, f1, f2, fs); // Generate test signal int n = 1000; double *input = allocate_array(n); double *output = allocate_array(n); for (int i = 0; i < n; i++) { input[i] = sin(2.0 * PI * 50.0 * i / fs) + sin(2.0 * PI * 200.0 * i / fs); } apply_filter(input, output, n, f); // Print output to file FILE *fp = fopen("output.txt", "w"); if (fp == NULL) { printf("Cannot open file!\n"); exit(1); } for (int i = 0; i < n; i++) { fprintf(fp, "%f\n", output[i]); } fclose(fp); free_array(input); free_array(output); free_filter(f); return 0; } ``` 此代码中,`allocate_array` 和 `free_array` 函数用于分配和释放动态数组内存;`Filter` 结构体用于存储滤波器的阶数和系数;`allocate_filter` 和 `free_filter` 函数用于分配和释放滤波器内存;`calc_butterworth_coeffs` 函数用于计算巴特沃斯带通滤波器的系数;`apply_filter` 函数用于应用滤波器到输入信号上,生成输出信号。`main` 函数中,首先指定巴特沃斯滤波器的阶数和截止频率,然后计算系数,接着生成一个包含两个正弦波的测试信号,应用滤波器并将输出信号写入到文件中。

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