当前课程知识点:数字信号处理 > 六 FIR数字滤波器设计及实现结构 > 6-12 FIR数字滤波器的工程应用 > 6-12 视频
这次课我们将利用实例
来展示FIR数字滤波器的工程应用
前面几次课
我们分别介绍了几种设计
线性相位FIR数字滤波器的方法
那么我们设计出来的数字滤波器
它到底有什么用呢
这次课我们将展示一个
利用低通滤波器来滤除心电信号噪声的
工程应用的例子
通过这个例子
来介绍FIR数字滤波器的设计与应用
并且与IIR数字滤波器进行对比分析
这个例子是一个简化的工程应用实例
那么通过这个例子
我们培养以下几个方面的工程能力
一
分析工程需求及其所要解决的关键问题
二
提出设计要求和总体设计方案
三
完成设计并且实现你的设计
四
对结果进行分析总结和归纳
验证其是否满足预期的工程需求
首先我们来简单介绍一下
这个工程问题以及它的需求
在心电信号的测试过程当中
由于外部的一些干扰
测得的数字心电信号会含有高频的噪声
现在希望采用数字滤波的方式
尽量地把这些高频噪声给它滤除
但是同时应该要尽可能地
保持原心电信号的
波形的形状不发生改变
因为心电信号
它是靠信号的波形来诊断疾病的
随同这个需求
提供了一段数字心电信号的样本
那么我们根据样本所画出来的
心电信号的波形是这样的
从这个波形我们可以看出
它受到了比较明显的高频干扰
针对这样一个工程需求
我们来分析它所要解决的关键问题是什么
它的基本需求是要滤除高频噪声
但是并没有给出
噪声的具体的特性和参数
只是提供了这么一段样本
所以我们首先要根据这个样本
确定一下这个噪声
它到底处于一个什么样的频段
要分析噪声的频段
也就是要对这个信号进行频谱分析
由于给定的是一段数字信号
所以它的基本频谱分析的方法就是FFT
但是给出的这个样本它的长度很短
我们通过对这个样本补0
来降低频谱分析的栅栏效应
通过补0之后
我们求出了它的512点FFT
并画出了相应的幅度频谱的波形
通过对这个幅度频谱波形的分析
我们会发现它的噪声
应该主要就是在这样一个频段
这个频段的范围大概是从0.35π到π
这样一个数字频率的区间
分析清楚了噪声的频谱范围之后
我们就可以来确定滤波器的技术指标
首先我们选择滤波器的类型
因为要滤除的是高频段的噪声
而且我们要求波形的失真比较小
所以选用具有线性相位特性的
FIR数字低通滤波器
先来确定一下这个滤波器的截止频率
根据前面我们分析的这个信号的幅度频谱
高频噪声的频带主要在
0.35π到π的这样一个范围
所以我们就可以设置0.35π
作为滤波器过渡带的中心频率
同时根据这个频谱图我们还可以看出来
噪声的峰值大概在0.4π附近
所以阻带的截止频率不宜超过0.4π
另外在0.3π以下的频段
频谱的幅度是比较大的
对于这样一个频段的信号
我们应该尽量保留
以免导致信号波形的失真
所以通带截止频率不宜低于0.3π
综合以上因素
最后我们选择通带截止频率ωp=0.32π
阻带截止频率ωs=0.38π
接下来我们再看看
滤波器的通带和阻带衰减怎么确定
首先为了避免通带的幅度波动导致波形的失真
通带的这个波动应该要尽量地小一些
所以通带衰减采用了比较高的指标
αp=0.2dB
对于阻带衰减
这里我们为了便于问题的分析和比较
采用了一个比较高的阻带衰减
αs=60dB
如果考虑实现的成本
其实我们还可以
适度地降低一下这个阻带衰减的要求
接下来就是滤波器的设计及实现
首先来看看滤波器的设计
这个滤波器它的技术指标要求比较高
为了减小滤波器的阶次
我们采用了等波纹最佳逼近法
这是等波纹最佳逼近法
设计FIR数字滤波器它的程序
以及设计的结果
设计出来的滤波器的阶数M=83
也就是滤波器的长度N是等于84
这个滤波器的阶数还是比较高的
滤波器的实现
我们需要根据实际的硬件情况
选择适宜的实现网络结构
比如
如果CPU的字长比较短
比如说只有16个比特的一个字长
那么就可以选用格型结构或者是级联结构
以减小量化误差带来的影响
而如果CPU的速度不高
那么我们就可以选择线性相位结构
或者是直接实现结构
这样一些计算量相对比较小的实现网络结构
为了便于FIR滤波器和IIR滤波器性能的比较
我们也设计了一个
具有相近技术指标的IIR数字滤波器
同样的为了使滤波器具有较低的阶次
这里采用了椭圆IIR数字滤波器
这是设计椭圆IIR滤波器的MATLAB程序
设计出来是椭圆滤波器的阶数N=8
它要远远低于
前面设计的线性相位FIR数字滤波器的阶数
接下来我们进行结果的对比分析
首先来看看时域波形的对比分析
这个图分别给出了
滤波前
用IIR滤波器滤波之后
和用FIR滤波器滤波之后
的心电信号的波形
心电信号
就采用前面给定的这个样本信号
为了对比的方便
我们把样本序列补零到128个点
通过对这几个波形的对比分析
我们可以归纳以下这么几点结论
第一
两种滤波器都能够
比较好地去除心电信号当中的高频噪声
也就滤波之后
信号的时域波形
我们可以看出它明显变得更平滑了
第二
椭圆IIR滤波器滤波之后的信号波形
发生了比较严重的失真
这个波形的失真主要体现在两个方面
一个是这两个波峰
它的峰值的大小
产生了比较大的差异
而原信号波峰的大小是大致相同的
第二个就是后面这一段
出现的比较多的振荡的波形
这种波形在心电信号当中
一般来说应该是不存在的
三
FIR滤波器在滤除噪声的同时
它的信号的失真很小
FIR滤波器滤波的结果
它的波形除了滤除高频噪声之外
它并没有出现明显的失真
与此同时我们也会发现
椭圆IIR滤波器滤波之后
信号相对于原信号的延迟很小
但是FIR滤波器滤波之后
信号产生了比较大的一个延迟
接下来再来看看滤波之后的频谱对比分析
这里分别给出了滤波前
和IIR滤波器
FIR滤波器滤波之后的
心电信号的幅度频谱
通过对比这个幅度频谱
我们会发现以下这么几点
第一
从频谱的角度来看
两种滤波器都能够比较好地
去除心电信号中数字频率在0.38π以上的高频噪声
也就是在0.38π以上的这一个频段
它的信号频谱基本趋于零了
与此同时我们也发现
FIR滤波器滤波之后
它的通带的幅度
是产生了一些细微的畸变的
而IIR滤波器滤波之后
它的通带的幅度频谱
相比于原信号的通带的幅度频谱
几乎没有发生变化
所以似乎从这个频谱的角度来看
IIR滤波器的滤波效果
比FIR滤波器的效果还稍微要好一点
当然这种差别是微乎其微的
前面对于同一个样本信号
设计了技术指标基本相同的
FIR和IIR数字滤波器
但是用这两种滤波器对信号进行滤波之后
它的滤波的结果却出现了一些差异
为什么会有这样的差异
这就是由FIR和IIR滤波器
它自身的特性来决定的
这里我们分别给出了
FIR滤波器和IIR滤波器
它的幅频响应相频响应
通过对比分析我们会发现
第一
两种滤波器的幅度响应特性
基本上是一致的
而且它的通带幅度特性也近似为一个常数
如果细微地来看
FIR滤波器它在通带的幅度波动
略微比IIR滤波器要大那么一点点
但是两者的差异非常小
第二个
FIR滤波器在通带具有
严格的线性相位特性
而椭圆滤波器
它的相频响应是线性度比较差的
这也就是为什么IIR滤波器滤波之后
信号的波形会产生比较严重的失真
而FIR滤波器滤波之后 波形的失真非常小
也就是说
FIR滤波器它在通带基本满足
幅频响应是一个常数
相频响应具有线性相位的
这样一个无失真传输的条件
最后我们对这一次课的内容进行一个小结
一
对于数字滤波器的实际工程应用问题
应该在深入分析工程需求的基础上
兼顾性能和成本等多方面的因素
确定滤波器的类型和主要技术指标
并根据实际硬件的情况
选用适当的实现网络结构
二
在滤波器技术指标相当的情况下
IIR数字滤波器的阶数和实现成本
都远低于FIR数字滤波器
三
IIR滤波器滤波之后
信号的时域波形可能发生比较严重的失真
而FIR数字滤波器
可以具有理想的线性相位特性
使得滤波之后信号波形的失真很小
这一次课的内容
我们就学习到这里
再见
-课程简介
-1-0 内容简介
--1-0 视频
-1-1 时域离散信号的表示与运算
--1-1 视频
-1-2 LTI时域离散系统
--1-2 视频
-1-3 系统初始状态对输出的影响
--1-3视频
-1-4 模拟信号数字处理方法
--1-4 视频
-第一模块测试题
--第一模块测试-作业
-2-0 内容简介
--2-0 视频
-2-1 序列的傅里叶变换
--2-1视频
-2-2 序列傅里叶变换的性质
--2-2 视频-1
--2-2 视频-2
-2-3 周期序列离散傅里叶级数与傅里叶变换的表示
--2-3 视频
-2-4 时域离散信号FT与模拟信号FT之间的关系
--2-4视频
-2-5 序列的Z变换及其逆变换
--2-5视频
-2-6 序列Z变换的性质
--2-6 视频
-2-7 利用Z变换求解差分方程
--2-7 视频
-2-8 利用系统函数的极点分布分析系统的因果性和稳定性
--2-8 视频
-2-9 利用Z变换定性分析系统特性
--2-9 视频
-第二模块测试题
--第二模块测试题-作业
-3-0 内容简介
--3-0 视频
-3-1 序列的离散傅里叶变换
--3-1 视频
-3-2 DFT与Z变换、傅里叶变换的关系
--3-2视频
-3-3 离散傅里叶变换的隐含周期性
--3-3 视频
-3-4 离散傅里叶变换的性质
--3-4 视频
-3-5 循环卷积计算
--3-5 视频
-3-6 频率域采样
--3-6 视频
-3-7 利用DFT计算线性卷积
--3-7 视频
-3-8 利用DFT对信号进行谱分析
--3-8 视频
-第三模块测试题
--第三模块测试-作业
-4-0 内容简介
--4-0 视频
-4-1 采用快速傅里叶变换的原因
--4-1 视频
-4-2 减少DFT运算量的途径
--4-2 视频
-4-3 时域抽取法基2FFT
--4-3视频
-4-4 频域抽取法基2FFT
--4-4 视频
-4-5 基2FFT算法运算量及运算规律
--4-5视频
-4-6 进一步减少运算量的措施
--4-6 视频
-第四模块测试题
--第四模块测试-作业
-5-0 内容简介
--5.0视频
-5-1 数字滤波器介绍
--5.1视频
-5-2 滤波器技术指标
--5.2视频
-5-3 巴特沃斯模拟低通滤波器
--5.3视频
-5-4 切比雪夫模拟低通滤波器
--5.4视频
-5-5 脉冲响应不变法设计IIR数字低通滤波器
--5.5视频
-5-6 双线性变换法设计IIR数字低通滤波器
--5.6视频
-5-7 数字各型滤波器的设计
--5.7视频
-5-8 由信号流图求网络系统函数
--5.8视频
-5-9 IIR系统基本网络结构
--5.9视频
-5-10 IIR数字滤波器的工程应用
--5.10视频
-5-11 IIR数字滤波器的量化误差
--5.11视频
-第五模块测试题
--第五模块测试-作业
-6-0 引言
--6-0 视频
-6-1 线性相位FIR滤波器的条件与特点
--6-1 视频
-6-2 线性相位FIR滤波器的零点分布
--6-2 视频
-6-3 FIR数字滤波器的基本实现结构
--6-3 视频
-6-4 FIR数字滤波器的频率采样结构
--6-4 视频
-6-5 格型网络结构
--6-5视频
-6-6 窗函数法设计线性相位FIR滤波器的原理
--6-6 视频
-6-7 典型窗函数及其特性
--6-7 视频
-6-8 窗函数法设计线性相位FIR数字滤波器步骤
--6-8 视频
-6-9 频率采样法设计线性相位FIR滤波器
--6-9 视频
-6-10 频率采样法的逼近误差及其改进措施
--6-10 视频
-6-11 等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器
--6-11 视频
-6-12 FIR数字滤波器的工程应用
--6-12 视频
-6-13 FIR滤波器和IIR滤波器比较
--6-13 视频
-第六模块测试题
--第六模块测试-作业
-实验一
--实验一 视频
--实验一指导书
-实验二
--实验二 视频
--实验二指导书
-实验三
--实验三指导书
--实验三视频
-实验四
--实验四指导
-模拟信号数字处理 学案
-DFT应用 学案
--DFT应用 学案
-课程拓展讨论
--模块一 讨论1
--模块一 讨论2
--模块二讨论1
--模块二讨论2
--模块三讨论1
--模块三讨论2
--模块四讨论1
--模块四讨论2
--模块五讨论1
--模块五讨论2
--模块五讨论3
--模块五讨论4
--模块六讨论1
--模块六讨论2
--模块六讨论3
--模块六讨论4
--模块六讨论5
-微课
--DFT
--梳状滤波器
-课后拓展内容
--采样与混叠实例
--离散时间调制
--FFT应用
--反馈实例
--吉布斯效应