基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)，其中方法包括步驟：計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)；確定所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部，并根據(jù)所述實(shí)部和虛部獲取濾波器的頻譜主瓣寬度；求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值，獲得濾波器的旁瓣峰值；根據(jù)所述頻譜主瓣寬度和旁瓣峰值確定濾波器的濾波性能。本發(fā)明的技術(shù)方案，在基于窗函數(shù)的濾波器設(shè)計(jì)中，通過(guò)快速計(jì)算窗函數(shù)的頻譜的主瓣寬度和旁瓣峰值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器濾波性能的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器性能的客觀評(píng)價(jià)，有利于基于窗函數(shù)的濾波器的設(shè)計(jì)與選擇，有利于根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇不同的濾波器。
【專利說(shuō)明】基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理分析中主要的組成部分之一。與模擬濾波器相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模推廣和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]數(shù)字濾波器在信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)等方面起著重要的作用。在用戶接收端，其接收的信號(hào)往往夾雜著噪聲及無(wú)用信號(hào)成分，必須通過(guò)數(shù)字濾波器將這些干擾成分濾除。數(shù)字濾波器通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選得到適用于特定頻段的信號(hào)。具體而言，數(shù)字濾波器主要的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行改造。根據(jù)噪聲頻率分量的不同，可選用具有不同濾波特性的濾波器。當(dāng)噪聲的頻率高于信號(hào)的頻率時(shí)，應(yīng)選用低通濾波器，反之，選用高通濾波器。當(dāng)噪聲的頻率低于或高于信號(hào)的頻率時(shí)，應(yīng)選用帶通濾波器。當(dāng)噪聲的頻率處于信號(hào)的頻率范圍時(shí)，應(yīng)選用帶阻濾波器。
[0004]對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)處理來(lái)說(shuō)，理想濾波器因?yàn)槠浞且蚬匦裕礊V波器的頻率響應(yīng)特征H(W)從通帶到阻帶，不能無(wú)限急劇的截止，也就是說(shuō)，不能從I突變到0，這使得理想濾波器在工程上是不可能實(shí)現(xiàn)的。為此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般按照一定的約定條件對(duì)因果濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而最大幅度地接近理想濾波器的性能。
[0005]目前，關(guān)于有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋逼近法。等波紋逼近法能使特定頻帶上的波紋均勻，但不能精確控制特定頻率點(diǎn)上的響應(yīng)，而且其設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，并不適合快速工程實(shí)現(xiàn)。頻率采樣法是一種頻域的濾波器設(shè)計(jì)方法，該方法能夠精確實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)的頻率響應(yīng)，但需要插入過(guò)渡點(diǎn)以改善紋波，同時(shí)，截止頻率不易控制，過(guò)渡點(diǎn)也需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。與前兩者相對(duì)應(yīng)，窗函數(shù)法是一種時(shí)域的濾波器設(shè)計(jì)方法。其主要是通過(guò)利用大于濾波器長(zhǎng)度的頻率采樣點(diǎn)數(shù)，加載窗函數(shù)截取單位脈沖響應(yīng)來(lái)改善紋波。窗函數(shù)在數(shù)字通信領(lǐng)域有很多應(yīng)用，如快速傅里葉變換、有限沖擊響應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)等等，特別是濾波器設(shè)計(jì)，利用窗函數(shù)可以減小頻譜泄漏，但同時(shí)降低了頻譜分辨率。實(shí)際上，減少頻譜泄露與提高分辨率是互相矛盾的，因此，設(shè)計(jì)一種合理的窗函數(shù)對(duì)解決這個(gè)矛盾非常重要。在設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器時(shí)，廣泛應(yīng)用窗函數(shù)法。窗函數(shù)法因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義清晰、便于推廣實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。
[0006]基于窗函數(shù)法的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)算法，現(xiàn)有的研究主要集中在設(shè)計(jì)窗函數(shù)上。常規(guī)的做法有多項(xiàng)式法和基于進(jìn)化算法的求解方法。然而，現(xiàn)有的方法對(duì)于基于窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器，卻無(wú)法進(jìn)行快速精確的檢測(cè)其濾波性能。如果濾波器不滿足設(shè)計(jì)條件，難以做到快速的更改，導(dǎo)致在進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)時(shí)不能快速獲得高效的數(shù)字濾波器。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于此，有必要針對(duì)上述無(wú)法進(jìn)行快速精確的檢測(cè)濾波器的濾波性能的問(wèn)題，提供一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)。
[0008]一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法，包括如下步驟:
[0009]計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)；
[0010]確定所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部，并根據(jù)所述實(shí)部和虛部獲取濾波器的頻譜主瓣覽度；
[0011]求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值，獲得濾波器的旁瓣峰值；
[0012]根據(jù)所述頻譜主瓣寬度和旁瓣峰值確定濾波器的濾波性能。
[0013]一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0014]頻譜函數(shù)計(jì)算模塊，用于計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)；
[0015]主瓣寬度獲取模塊，用于確定所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部，并根據(jù)所述實(shí)部和虛部獲取濾波器的頻譜主瓣寬度；
[0016]旁瓣峰值求解模塊，用于求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值，獲得濾波器的旁瓣峰值；
[0017]濾波性能確定模塊，用于根據(jù)所述頻譜主瓣寬度和旁瓣峰值確定濾波器的濾波性倉(cāng)泛。
[0018]上述基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)，在基于窗函數(shù)的濾波器設(shè)計(jì)中，通過(guò)快速計(jì)算窗函數(shù)的頻譜的主瓣寬度和旁瓣峰值，進(jìn)而判斷濾波器的優(yōu)劣實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器的濾波性能的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器性能的客觀評(píng)價(jià)，有利于基于窗函數(shù)的濾波器的設(shè)計(jì)與選擇，有利于根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇不同的濾波器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為一個(gè)實(shí)施例的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法流程圖；
[0020]圖2為可實(shí)現(xiàn)的濾波器的幅度特性實(shí)例圖；
[0021]圖3為求解第一個(gè)零點(diǎn)而采取逐步求解和驗(yàn)證的算法流程圖；
[0022]圖4為求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值的算法流程圖；
[0023]圖5為一個(gè)實(shí)施例的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法和系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)描述。
[0025]參考圖1所示，圖1為一個(gè)實(shí)施例的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法流程圖，包括如下步驟:
[0026]步驟S10，計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)。
[0027]在本步驟中，主要是根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)的窗函數(shù)，對(duì)窗函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得到濾波器的頻譜函數(shù)。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，步驟SlO中計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)的方法，具體包括如下公式:[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: 計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)； 確定所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部，并根據(jù)所述實(shí)部和虛部獲取濾波器的頻譜主瓣寬度； 求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值，獲得濾波器的旁瓣峰值； 根據(jù)所述頻譜主瓣寬度和旁瓣峰值確定濾波器的濾波性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法，其特征在于，計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)的公式包括:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法，其特征在于，確定所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部，并根據(jù)所述實(shí)部和虛部獲取濾波器的頻譜主瓣寬度的步驟包括: 計(jì)算所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部； 求解所述實(shí)部和虛部的第一個(gè)相同零點(diǎn)； 根據(jù)所述第一個(gè)相同零點(diǎn)確定濾波器的頻譜主瓣寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法，其特征在于，求解所述實(shí)部和虛部的第一個(gè)相同零點(diǎn)的步驟包括: S201，獲取濾波器的階數(shù)Μ、搜索區(qū)間[0，π]、搜索間隔α以及誤差系數(shù)ε，設(shè)置i=2; S202，計(jì)算RIff(COi)}和RIff(G) i+1)};其中，RmcoiM為頻譜函數(shù)的實(shí)部； S203，若滿足RIff(G)iM ( ε，則ω κ= ω i，轉(zhuǎn)到步驟S206 ;否則轉(zhuǎn)步驟S204 ; 3204，若滿足1?{1(0^+1)} ( ε，則ω κ= ω i+1，轉(zhuǎn)到步驟S206 ;否則轉(zhuǎn)步驟S205 ;




S205，若滿足 RMoiM XR{ff(coi+1)}〈0，則
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)方法，其特征在于，求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值的步驟包括: S301，獲取濾波器的階數(shù)M、窗函數(shù)h(n)、PeakY=_inf、PeakX=O ;其中，PeakX表示旁瓣初始值，PeakY表示旁瓣最大峰值； S302，計(jì)算窗函數(shù)h(n)的頻率響應(yīng)，得到頻率響應(yīng)向量h和相應(yīng)的頻率向量w ； S303,對(duì)頻率響應(yīng)向量h和相應(yīng)的頻率向量w執(zhí)行歸一化
6.一種基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 頻譜函數(shù)計(jì)算模塊，用于計(jì)算基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器的頻譜函數(shù)； 主瓣寬度獲取模塊，用于確定所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部，并根據(jù)所述實(shí)部和虛部獲取濾波器的頻譜主瓣寬度； 旁瓣峰值求解模塊，用于求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值，獲得濾波器的旁瓣峰值； 濾波性能確定模塊，用于根據(jù)所述頻譜主瓣寬度和旁瓣峰值確定濾波器的濾波性能。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，頻譜函數(shù)計(jì)算模塊用于計(jì)算頻譜函數(shù)的公式包括:
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，主瓣寬度獲取模塊進(jìn)一步用于: 計(jì)算所述頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部； 求解所述實(shí)部和虛部的第一個(gè)相同零點(diǎn)； 根據(jù)所述第一個(gè)相同零點(diǎn)確定濾波器的頻譜主瓣寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，主瓣寬度獲取模塊用于求解所述實(shí)部和虛部的第一個(gè)相同零點(diǎn)的步驟包括: S201，獲取濾波器的階數(shù)Μ、搜索區(qū)間[0，π]、搜索間隔α以及誤差系數(shù)ε，設(shè)置i=2; S202，計(jì)算RIff(COi)}和RIff(G) i+1)};其中，RmcoiM為頻譜函數(shù)的實(shí)部； S203，若滿足RIff(G)iM ≤ε，則ω κ= ω i，轉(zhuǎn)到步驟S206 ;否則轉(zhuǎn)步驟S204 ; S204，若滿足1?{1(0^+1)} ≤ ε，則ω κ= ω i+1，轉(zhuǎn)到步驟S206 ;否則轉(zhuǎn)步驟S205 ;
S205，若滿足 R {W (ω J } X R {W (ω i+1)}〈O，則
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器性能檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，旁瓣峰值求解模塊用于求解頻譜函數(shù)的旁瓣峰值的步驟包括: S301，獲取濾波器的階數(shù)M、窗函數(shù)h(n)、PeakY=_inf、PeakX=O ;其中，PeakX表示旁瓣初始值，PeakY表示旁瓣最大峰值； S302，計(jì)算窗函數(shù)h(n)的頻率響應(yīng)，得到頻率響應(yīng)向量h和相應(yīng)的頻率向量w ;S303,對(duì)頻率響應(yīng)向量h和相應(yīng)的頻率向量w執(zhí)行歸一化:A= —以及
【文檔編號(hào)】G01R31/3181GK103823177SQ201410058979
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】李桂愉, 楊超, 肖恒輝, 陳運(yùn)動(dòng), 賴志堅(jiān) 申請(qǐng)人:廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司