¿Cómo implementar el filtro IIR Bandpass Butterworth usando Scipy – Python?

IIR significa Infinite Impulse Response. Es una de las características sorprendentes de muchos sistemas invariantes en el tiempo lineal que se distinguen por tener una respuesta de impulso h(t)/h(n) que no se vuelve cero después de algún punto, sino que continúa infinitamente . .

¿Qué es IIR Bandpass Butterworth?

Básicamente se comporta como un filtro Butterworth de paso de banda digital ordinario con una respuesta de impulso infinita.

Las especificaciones son las siguientes:  

  • Frecuencia de banda de paso: 1400-2100 Hz
  • Frecuencia de banda de parada: 1050-24500 Hz
  • Ondulación de banda de paso: 0.4dB
  • Atenuación de la banda de parada: 50 dB
  • Frecuencia de muestreo: 7 kHz

Graficaremos la magnitud, fase, impulso, respuesta de paso del filtro.

Enfoque paso a paso:

Paso 1: Importación de todas las bibliotecas necesarias.

Python3

# import required library
import numpy as np
import scipy.signal as signal
import matplotlib.pyplot as plt

Paso 2: Definición de funciones definidas por el usuario mfreqz() e impz() . [mfreqz es una función para la gráfica de magnitud y fase e impz es una función para la respuesta de impulso y paso]

Python3

def mfreqz(b, a, Fs):
   
    # Compute frequency response of the filter
    # using signal.freqz function
    wz, hz = signal.freqz(b, a)
 
    # Calculate Magnitude from hz in dB
    Mag = 20*np.log10(abs(hz))
 
    # Calculate phase angle in degree from hz
    Phase = np.unwrap(np.arctan2(np.imag(hz), np.real(hz)))*(180/np.pi)
 
    # Calculate frequency in Hz from wz
    Freq = wz*Fs/(2*np.pi)
 
    # Plot filter magnitude and phase responses using subplot.
    fig = plt.figure(figsize=(10, 6))
 
    # Plot Magnitude response
    sub1 = plt.subplot(2, 1, 1)
    sub1.plot(Freq, Mag, 'r', linewidth=2)
    sub1.axis([1, Fs/2, -100, 5])
    sub1.set_title('Magnitude Response', fontsize=20)
    sub1.set_xlabel('Frequency [Hz]', fontsize=20)
    sub1.set_ylabel('Magnitude [dB]', fontsize=20)
    sub1.grid()
 
    # Plot phase angle
    sub2 = plt.subplot(2, 1, 2)
    sub2.plot(Freq, Phase, 'g', linewidth=2)
    sub2.set_ylabel('Phase (degree)', fontsize=20)
    sub2.set_xlabel(r'Frequency (Hz)', fontsize=20)
    sub2.set_title(r'Phase response', fontsize=20)
    sub2.grid()
 
    plt.subplots_adjust(hspace=0.5)
    fig.tight_layout()
    plt.show()
 
# Define impz(b,a) to calculate impulse response
# and step response of a system
# input: b= an array containing numerator coefficients,
# a= an array containing denominator coefficients
def impz(b, a):
     
    # Define the impulse sequence of length 60
    impulse = np.repeat(0., 60)
    impulse[0] = 1.
    x = np.arange(0, 60)
 
    # Compute the impulse response
    response = signal.lfilter(b, a, impulse)
 
    # Plot filter impulse and step response:
    fig = plt.figure(figsize=(10, 6))
    plt.subplot(211)
    plt.stem(x, response, 'm', use_line_collection=True)
    plt.ylabel('Amplitude', fontsize=15)
    plt.xlabel(r'n (samples)', fontsize=15)
    plt.title(r'Impulse response', fontsize=15)
 
    plt.subplot(212)
    step = np.cumsum(response)  # Compute step response of the system
 
    plt.stem(x, step, 'g', use_line_collection=True)
    plt.ylabel('Amplitude', fontsize=15)
    plt.xlabel(r'n (samples)', fontsize=15)
    plt.title(r'Step response', fontsize=15)
    plt.subplots_adjust(hspace=0.5)
 
    fig.tight_layout()
    plt.show()

Paso 3: Definir variables con las especificaciones dadas del filtro.

Python3

# Given specification
Fs = 7000  # Sampling frequency in Hz
fp = np.array([1400, 2100])  # Pass band frequency in Hz
fs = np.array([1050, 2450])  # Stop band frequency in Hz
Ap = 0.4  # Pass band ripple in dB
As = 50  # stop band attenuation in dB

Paso 4: Cálculo de la frecuencia de corte

Python3

# Compute pass band and stop band edge frequencies
wp = fp/(Fs/2)  # Normalized passband edge frequencies w.r.t. Nyquist rate
ws = fs/(Fs/2)  # Normalized stopband edge frequencies

Paso 5: Calcular la frecuencia de corte y el orden

Python3

# Compute order of the digital Butterworth filter using signal.buttord
N, wc = signal.buttord(wp, ws, Ap, As, analog=True)
# Print the order of the filter and cutoff frequencies
print('Order of the filter=', N)
print('Cut-off frequency=', wc)

Producción:

Paso 6: Calcule el coeficiente de filtro 

Python3

# Design digital Butterworth band pass
# filter using signal.butter function
z, p = signal.butter(N, wc, 'bandpass')
 
# Print numerator and denomerator
# coefficients of the filter
print('Numerator Coefficients:', z)
print('Denominator Coefficients:', p)

Producción:

Paso 7: Calcule la respuesta de frecuencia usando la función signal.freqz()

Python3

# Compute frequency response of the filter using signal.freqz function
wz, hz = signal.freqz(z, p)

Paso 8: Trazado de la respuesta de fase y magnitud

Python3

# Call mfreqz to plot the magnitude and phase response
mfreqz(z, p, Fs)

Producción:

Paso 9: Trazar el impulso y la respuesta al paso

Python3

# Call impz function to plot impulse
# and step response of the filter
impz(z, p)

Producción:

A continuación se muestra la implementación:

Python3

# import required library
import numpy as np
import scipy.signal as signal
import matplotlib.pyplot as plt
 
# Compute magnitude and phase response
# using mfreqz function
def mfreqz(b, a, Fs):
 
    # Compute frequency response of the filter
    # using signal.freqz function
    wz, hz = signal.freqz(b, a)
 
    # Calculate Magnitude from hz in dB
    Mag = 20*np.log10(abs(hz))
 
    # Calculate phase angle in degree from hz
    Phase = np.unwrap(np.arctan2(np.imag(hz), np.real(hz)))*(180/np.pi)
 
    # Calculate frequency in Hz from wz
    Freq = wz*Fs/(2*np.pi)
 
    # Plot filter magnitude and phase responses using subplot.
    fig = plt.figure(figsize=(10, 6))
 
    # Plot Magnitude response
    sub1 = plt.subplot(2, 1, 1)
    sub1.plot(Freq, Mag, 'r', linewidth=2)
    sub1.axis([1, Fs/2, -100, 5])
    sub1.set_title('Magnitude Response', fontsize=20)
    sub1.set_xlabel('Frequency [Hz]', fontsize=20)
    sub1.set_ylabel('Magnitude [dB]', fontsize=20)
    sub1.grid()
 
    # Plot phase angle
    sub2 = plt.subplot(2, 1, 2)
    sub2.plot(Freq, Phase, 'g', linewidth=2)
    sub2.set_ylabel('Phase (degree)', fontsize=20)
    sub2.set_xlabel(r'Frequency (Hz)', fontsize=20)
    sub2.set_title(r'Phase response', fontsize=20)
    sub2.grid()
 
    plt.subplots_adjust(hspace=0.5)
    fig.tight_layout()
    plt.show()
 
# Define impz(b,a) to calculate impulse response
# and step response of a system
# input: b= an array containing numerator coefficients,
# a= an array containing denominator coefficients
def impz(b, a):
 
    # Define the impulse sequence of length 60
    impulse = np.repeat(0., 60)
    impulse[0] = 1.
    x = np.arange(0, 60)
 
    # Compute the impulse response
    response = signal.lfilter(b, a, impulse)
 
    # Plot filter impulse and step response:
    fig = plt.figure(figsize=(10, 6))
    plt.subplot(211)
    plt.stem(x, response, 'm', use_line_collection=True)
    plt.ylabel('Amplitude', fontsize=15)
    plt.xlabel(r'n (samples)', fontsize=15)
    plt.title(r'Impulse response', fontsize=15)
 
    plt.subplot(212)
    step = np.cumsum(response)  # Compute step response of the system
 
    plt.stem(x, step, 'g', use_line_collection=True)
    plt.ylabel('Amplitude', fontsize=15)
    plt.xlabel(r'n (samples)', fontsize=15)
    plt.title(r'Step response', fontsize=15)
    plt.subplots_adjust(hspace=0.5)
 
    fig.tight_layout()
    plt.show()
 
 
# Given specification
Fs = 7000  # Sampling frequency in Hz
fp = np.array([1400, 2100])  # Pass band frequency in Hz
fs = np.array([1050, 2450])  # Stop band frequency in Hz
Ap = 0.4  # Pass band ripple in dB
As = 50  # stop band attenuation in dB
 
 
# Compute pass band and stop band edge frequencies
wp = fp/(Fs/2)  # Normalized passband edge frequencies w.r.t. Nyquist rate
ws = fs/(Fs/2)  # Normalized stopband edge frequencies
 
# Compute order of the digital Butterworth filter using signal.buttord
N, wc = signal.buttord(wp, ws, Ap, As, analog=True)
 
# Print the order of the filter and cutoff frequencies
print('Order of the filter=', N)
print('Cut-off frequency=', wc)
 
# Design digital Butterworth band pass
# filter using signal.butter function
z, p = signal.butter(N, wc, 'bandpass')
 
 
# Print numerator and denomerator
# coefficients of the filter
print('Numerator Coefficients:', z)
print('Denominator Coefficients:', p)
 
# Compute frequency response of the filter
# using signal.freqz function
wz, hz = signal.freqz(z, p)
 
# Call mfreqz to plot the magnitude and phase response
mfreqz(z, p, Fs)
 
# Call impz function to plot impulse
# and step response of the filter
impz(z, p)

Producción:

Publicación traducida automáticamente

Artículo escrito por sagnikmukherjee2 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA

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