用窗函数法设计窄带数字微分器

通信工程专业课程设计报告课题：用窗函数法设计窄带数字微分器班级学号学生姓名专业通信工程专业系别信息工程学院指导教师张老师用窗函数法设计宽带数字微分器1．设计目的1.培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。2.学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。3.进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器1备进行调试和数据处理等。4.培养学生的创新能力。2．设计要求1.要求微分器的截至频率ｗp≤0.1π；2.编写设计窄带数字微分器的MALAB程序并仿真；3.比较用各种常用窗函数（Hanning，Hamming，Blackman，Kaiser窗）及其他窗函数设计宽窄带数字微分器的性能：通带最大相对误差以及过渡带宽与微分器长度的关系；4.通过比较给出在性能上最优的窗函数；5.完成设计报告并在报告中提供程序清单;3.实验原理理想的数字微分器的频率响应为jwjweH，-〈W〈对应的脉冲响应为dwjwnjwe-21nh0nnn1--2jn1-nwjwne0n0，）（）］（［，理想数字微分器是非因果系统。一个因果的可实现数字微分器可表示为L)-L))./(n-(n*cos(wc*wc/pi*nwnhn=0,1,....N-1式中，N=2L+1，w（n）为窗函数，如汉宁窗、汉明窗、布莱克曼窗、凯塞窗等。截止频率和窗函数的选择微分效果好坏在一定程度上取决于截止频率fs，若截止频率选得过小会导致信号失真，若截止频率选得过大仍会引入干扰信号。确定截止频率前应对速班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器2度信号进行谱分析，根据分析确定速度信号的有效频率范围，一般选取截止频率大于等于速度信号的有效频率范围的上限。对测得的速度信号进行谱分析，选取微分器截止频率fs=1kHz。选择窗函数的原则通常有两点:其一是尽量减小微分器幅频谱的吉布斯现象，选用边瓣小且少的汉宁窗则效果较好;其二是尽量减少通带和阻带内的振荡现象，以改善微分特性。半窗宽度M0的选取对微分器的频率特性也有一定的影响。M0取值越大,微分器幅频谱过度带越窄,微分器的低通滤波性能越好，因此为提高微分器的微分性能应尽量增大M0，但M0取值越大卷积计算工作量越大，若采用快速卷积法进行计算，可以适当增加M0的取值以改善微分特性，而计算量不会增加。快速卷积算法需做两次FFT和一次IF-FT。4.程序设计：Hanninga窗wc=0.143N=41%总点数L=(N-1)/2n=0:N-1%取样N-1个点hn=wp/pi*cos(wp*(n-L))./(n-L)-1/pi*sin(wp*(n-L))./(n-L)./(n-L);%窄带脉冲响应公式班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器3hn(L+1)=0wn=hann(N)'%hanning窗hn=hn.*wn%原函数与窗卷积figure(1)%图1stem(hn)%产生时序图title('时序图(hanning)')%图1标题xlabel('n')%x轴单位ylabel('幅度')%y轴单位[mag1,rad]=freqz(hn,1,4096);%计算频率响应m=20*log10(abs(mag1));holdofffigure(2)%图2plot(rad,m),gridon%显示频率幅度特性title('幅度特性(hanning)')xlabel('频率')ylabel('幅度')gridon%网格显示a=angle(mag1)%相角转换figure(3)%图3班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器4plot(rad,a)%显示相位特性图title('相位特性(hanning)')xlabel('频率')ylabel('相位')gridonHamming窗wc=0.143N=41%总点数L=(N-1)/2n=0:N-1%取样N-1个点hn=wp/pi*cos(wp*(n-L))./(n-L)-1/pi*sin(wp*(n-L))./(n-L)./(n-L)%窄带脉冲响应公式hn(L+1)=0wn=hamming(N)'%hamming窗hn=hn.*wn%原函数与窗卷积figure(1)%图1stem(hn)%产生时序图title('时序图(hamming)')%图1标题班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器5xlabel('n')%x轴单位ylabel('幅度')%y轴单位[mag1,rad]=freqz(hn);%计算频率响应m=20*log10(abs(mag1));holdofffigure(2)%图2plot(rad,m),gridon%显示频率幅度特性title('幅度特性(hamming)')xlabel('频率')ylabel('幅度')gridon%网格显示a=angle(mag1)%相角转换figure(3)%图3plot(rad,a)%显示相位特性图title('相位特性(hamming)')xlabel('频率')ylabel('相位')gridon布莱克曼窗班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器6wc=0.143N=41%总点数L=(N-1)/2n=0:N-1%取样N-1个点hn=wp/pi*cos(wc*(n-L))./(n-L)-1/pi*sin(wp*(n-L))./(n-L)./(n-L);%窄带脉冲响应公式hn(L+1)=0wn=blackman(N)'%blackman窗hn=hn.*wn%原函数与窗卷积figure(1)%图1stem(hn)%产生时序图title('时序图(blackman)')%图1标题xlabel('n')%x轴单位ylabel('幅度')%y轴单位[mag1,rad]=freqz(hn);%计算频率响应m=20*log10(abs(mag1));holdofffigure(2)%图2plot(rad,m),gridon%显示频率幅度特性班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器7title('幅度特性(blackman)')xlabel('频率')ylabel('幅度')gridon%网格显示a=angle(mag1)%相角转换figure(3)%图3plot(rad,a)%显示相位特性图title('相位特性(blackman)')xlabel('频率')ylabel('相位')gridon凯塞窗N=41%总点数L=(N-1)/2n=0:N-1%取样N-1个点wc=0.143hn=wc/pi*cos(wp*(n-L))./(n-L)-1/pi*sin(wp*(n-L))./(n-L)./(n-L);%窄带脉冲响应公式班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器8hn(L+1)=0wn=kaiser(N)'%kaiser窗hn=hn.*wn%原函数与窗卷积figure(1)%图1stem(hn)%产生时序图title('时序图(kaiser)')%图1标题xlabel('n')%x轴单位ylabel('幅度')%y轴单位[mag1,rad]=freqz(hn,1,4096);%计算频率响应m=20*log10(abs(mag1));holdofffigure(2)%图2plot(rad,m),gridon%显示频率幅度特性title('幅度特性(kaiser)')xlabel('频率')ylabel('幅度')gridona=angle(mag1)figure(3)班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器9plot(rad,a)title('相位特性(kaiser)')xlabel('频率')ylabel('相位')gridon5.图形显示1.汉宁窗设计图：班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器102.汉明窗（Hamming）设计图班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器113.布莱克曼窗设计图班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器124.凯塞窗设计图班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器136.设计总结通过2.5周的课程设计，我首先要感谢这个学校给我们这次机会将理论与实践操作结合起来。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的王老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指班级：电子3081姓名：朱学号：课题：用窗函数法设计窄带数字微分器14教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。7.参考文献1．康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）.北京：高等教育出版社，1999.62．郭仕剑，王宝顺，贺志国MATLAB7.X数字信号处理.北京：人民邮电出版社，20063．王宏MATLAB6.5及其在信号处理中的应用.北京：清华大学出版社，20044．PauloS.R.DinizDigitalSignalProcessingSystemAnalysisandDesignPublishingHouseofElectronicsIndustry，2002