信號與系統實驗箱--三種數字濾波器的比較實驗

一、實驗目的
了解無源濾波器、RC有源濾波器及數字濾波器三種濾波器各自的優缺點。
二、實驗原理說明
1、無源濾波器
濾波器的功能是讓指定的頻率范圍內的信號通過，而將其它頻率的信號加以抑制或使之急劇衰減。最初的濾波器主要是采用無源無件R、L、C組成，稱為無源濾波器。由于無源濾波器中使用了電感元件，因而需要磁屏蔽，且電感元件會產生非線性影響。特別是在低頻段，含有電感元件的無源濾波器體積較大，使用不便。
2、RC有源濾波器
隨著集成運放的迅速發展，出現了由集成運放的R、C組成的有源濾波器電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。此外，由于集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。與無源濾波器相比，有源濾波器輸入阻抗大，輸出阻抗小，能在負載和信號之間起隔離作用。同時濾波性能也比無源濾波器好。
但是，集成運放的帶寬有限，所以目前有源濾波器電路的工作頻率難以做得很高，這是它的不足之處。
3、數字濾波器
與模擬濾波器相對應，在離散信號系統中廣泛地應用“數字濾波器”。數字濾波器的作用是利用離散時間系統的特性對輸入信號波形或頻譜進行加工處理，或者說利用數字的方法對信號進行變換，把輸入信號變成一定的輸出信號，從而達到改變信號頻譜的目的。因此，從廣義上講，數字濾波器是具有某種“算法”的數字處理過程。
數字濾波器是一種對輸入信號進行離散時間處理的系統，輸入信號可以是抽樣序列、數字序列或連續信號，取決于數字濾波器的具體構成。
利用硬件或軟件都能實現數字濾波器的功能。如果利用軟件，則需要編出計算機程序，由數字計算機或微處理機去完成濾波器功能；如果利用硬件，則濾波器由數字部件聯接而成。數字濾波器可根據以下兩種觀點來進行分類：
（1）按單位樣值響應的時間特性可分為兩種類型：無限沖激響應（IIR）濾波器及有限沖激響應（FIR）濾波器。
（2）按濾波器的構成方式也可分為兩類：遞歸式實現與非遞歸式實現。
濾波器的設計方法也有多種多樣，一般可以分成兩類：無限長沖激響應（IIR）濾波器與有限長單位樣值響應（FIR）濾波器設計法。根據這兩類濾波器的特點，它們各自又有幾種具體的方法。前者包括“沖激（樣值）響應不變法”、“階躍響應不變法”、“雙線性變換法”等；后者包括“窗口法”、“頻率抽樣法”等。
數字濾波器與模擬濾波器比較，在很多方面都有它的優越性，如：數字濾波器穩定性好，準確性高，改變特性比較靈活、方便，適用頻率范圍寬，不存在阻抗匹配問題，以及易于實現集成體、一型化、標準化等。
三、實驗內容
自行設計一個濾波器的參數，分別用三種方法實現并測定其各自指標，驗證三種濾波器的各自特點，記錄各濾波器幅頻特性參數。
四、實驗報告要求
1、分別描述三種濾波器的特點；
2、給出三種濾波器的幅頻特性參數；
3、畫出三種濾波器幅頻特性圖。