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信号与系统实验箱--三种数字滤波器的比较实验
发布时间：2017-06-25 点击次数：次
一、实验目的
了解无源滤波器、RC有源滤波器及数字滤波器三种滤波器各自的优缺点。
二、实验原理说明
1、无源滤波器
滤波器的功能是让指定的频率范围内的信号通过，而将其它频率的信号加以抑制或使之急剧衰减。最初的滤波器主要是采用无源无件R、L、C组成，称为无源滤波器。由于无源滤波器中使用了电感元件，因而需要磁屏蔽，且电感元件会产生非线性影响。特别是在低频段，含有电感元件的无源滤波器体积较大，使用不便。
2、RC有源滤波器
随着集成运放的迅速发展，出现了由集成运放的R、C组成的有源滤波器电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。与无源滤波器相比，有源滤波器输入阻抗大，输出阻抗小，能在负载和信号之间起隔离作用。同时滤波性能也比无源滤波器好。
但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波器电路的工作频率难以做得很高，这是它的不足之处。
3、数字滤波器
与模拟滤波器相对应，在离散信号系统中广泛地应用“数字滤波器”。数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形或频谱进行加工处理，或者说利用数字的方法对信号进行变换，把输入信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。因此，从广义上讲，数字滤波器是具有某种“算法”的数字处理过程。
数字滤波器是一种对输入信号进行离散时间处理的系统，输入信号可以是抽样序列、数字序列或连续信号，取决于数字滤波器的具体构成。
利用硬件或软件都能实现数字滤波器的功能。如果利用软件，则需要编出计算机程序，由数字计算机或微处理机去完成滤波器功能；如果利用硬件，则滤波器由数字部件联接而成。数字滤波器可根据以下两种观点来进行分类：
（1）按单位样值响应的时间特性可分为两种类型：无限冲激响应（IIR）滤波器及有限冲激响应（FIR）滤波器。
（2）按滤波器的构成方式也可分为两类：递归式实现与非递归式实现。
滤波器的设计方法也有多种多样，一般可以分成两类：无限长冲激响应（IIR）滤波器与有限长单位样值响应（FIR）滤波器设计法。根据这两类滤波器的特点，它们各自又有几种具体的方法。前者包括“冲激（样值）响应不变法”、“阶跃响应不变法”、“双线性变换法”等；后者包括“窗口法”、“频率抽样法”等。
数字滤波器与模拟滤波器比较，在很多方面都有它的优越性，如：数字滤波器稳定性好，准确性高，改变特性比较灵活、方便，适用频率范围宽，不存在阻抗匹配问题，以及易于实现集成体、一型化、标准化等。
三、实验内容
自行设计一个滤波器的参数，分别用三种方法实现并测定其各自指标，验证三种滤波器的各自特点，记录各滤波器幅频特性参数。
四、实验报告要求
1、分别描述三种滤波器的特点；
2、给出三种滤波器的幅频特性参数；
3、画出三种滤波器幅频特性图。
了解无源滤波器、RC有源滤波器及数字滤波器三种滤波器各自的优缺点。
二、实验原理说明
1、无源滤波器
滤波器的功能是让指定的频率范围内的信号通过，而将其它频率的信号加以抑制或使之急剧衰减。最初的滤波器主要是采用无源无件R、L、C组成，称为无源滤波器。由于无源滤波器中使用了电感元件，因而需要磁屏蔽，且电感元件会产生非线性影响。特别是在低频段，含有电感元件的无源滤波器体积较大，使用不便。
2、RC有源滤波器
随着集成运放的迅速发展，出现了由集成运放的R、C组成的有源滤波器电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。与无源滤波器相比，有源滤波器输入阻抗大，输出阻抗小，能在负载和信号之间起隔离作用。同时滤波性能也比无源滤波器好。
但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波器电路的工作频率难以做得很高，这是它的不足之处。
3、数字滤波器
与模拟滤波器相对应，在离散信号系统中广泛地应用“数字滤波器”。数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形或频谱进行加工处理，或者说利用数字的方法对信号进行变换，把输入信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。因此，从广义上讲，数字滤波器是具有某种“算法”的数字处理过程。
数字滤波器是一种对输入信号进行离散时间处理的系统，输入信号可以是抽样序列、数字序列或连续信号，取决于数字滤波器的具体构成。
利用硬件或软件都能实现数字滤波器的功能。如果利用软件，则需要编出计算机程序，由数字计算机或微处理机去完成滤波器功能；如果利用硬件，则滤波器由数字部件联接而成。数字滤波器可根据以下两种观点来进行分类：
（1）按单位样值响应的时间特性可分为两种类型：无限冲激响应（IIR）滤波器及有限冲激响应（FIR）滤波器。
（2）按滤波器的构成方式也可分为两类：递归式实现与非递归式实现。
滤波器的设计方法也有多种多样，一般可以分成两类：无限长冲激响应（IIR）滤波器与有限长单位样值响应（FIR）滤波器设计法。根据这两类滤波器的特点，它们各自又有几种具体的方法。前者包括“冲激（样值）响应不变法”、“阶跃响应不变法”、“双线性变换法”等；后者包括“窗口法”、“频率抽样法”等。
数字滤波器与模拟滤波器比较，在很多方面都有它的优越性，如：数字滤波器稳定性好，准确性高，改变特性比较灵活、方便，适用频率范围宽，不存在阻抗匹配问题，以及易于实现集成体、一型化、标准化等。
三、实验内容
自行设计一个滤波器的参数，分别用三种方法实现并测定其各自指标，验证三种滤波器的各自特点，记录各滤波器幅频特性参数。
四、实验报告要求
1、分别描述三种滤波器的特点；
2、给出三种滤波器的幅频特性参数；
3、画出三种滤波器幅频特性图。
