基于matlab的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(已修改)

　

【正文】 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I基于MATLAB的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)摘 要本文分別研究了在MATLAB環(huán)境下IIR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計(jì)，以顯示本文所介紹濾波器的特性。在無限脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行模擬濾波器的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行模擬數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換，即采用脈沖響應(yīng)不變法及雙線性Z變化法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，最后進(jìn)行濾波器的頻帶轉(zhuǎn)換。在有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，討論了FIR線性相位濾波器的特點(diǎn)和用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器兩個(gè)問題。兩類濾波器整個(gè)設(shè)計(jì)過程都是按照理論分析、編程設(shè)計(jì)、具體實(shí)現(xiàn)的步驟進(jìn)行的。為方便分析者直觀，形象，方便的分析濾波器的特性，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)出了圖形用戶界面——濾波器分析系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)界面，其內(nèi)容主要包含四部分：System(系統(tǒng))、Analysis(分析)、Tool(工具)、Help(幫助)。關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波器、MATLAB、無限脈沖響應(yīng)、有限脈沖響應(yīng)、圖形用戶界面Matlabbased digital filter design AbstractIn this thesis, designs of the Infinite Impulse Response digital filter (IIR) and Finite Impulse Response digital filter (FIR) under MATLAB are studied. And the Graphical User Interfaces (GUI) to analysis the characteristics of filter is designed. The design of IIR filters can be achieved through three steps: firstly, the design of analog lowpass filter。 secondly, it is analogtodigital filter conversion。 lastly, it is the conversion of filter frequency band. In design of FIR filters, two questions are discussed: the characteristics of FIR linear phase filter and reasoning of related formulas。 the other is about the design of the FIR filters by means of window functions. The design of FIR and IIR follows the procedures of theoretical analysis, programming design and realization.We design the Graphical User Interfaces (GUI) of the digital filter analysis system makes sure of people can analysis the characteristics of the design directly and easily. The whole system divide into two graphical interfaces, it contains four parts: System, Analysis, Tool and Help. Keywords: Digital Filter, MATLAB, IIR, FIR, Graphical User Interfaces目 錄引言……………………………………………………………………………………… 1第1章 緒論………………………………………………………………………………2 數(shù)字濾波技術(shù)………………………………………………………………………2 濾波器原理………………………………………………………………………3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法概述………………………………………………………3 MATLAB軟件簡介……………………………………………………………………4第2章 IIR濾波器概況及其MATLAB實(shí)現(xiàn)…………………………………………6 模擬濾波器及其MATLAB實(shí)現(xiàn)…………………………………………………6 巴特沃斯低通濾波器………………………………………………………6 切比雪夫低通濾波器………………………………………………………7 橢圓低通濾波器……………………………………………………………8 模擬—數(shù)字濾波器變換及其MATLAB實(shí)現(xiàn)………………………………………8 脈沖響應(yīng)不變法…………………………………………………………………9 雙線性Z變換法…………………………………………………………………10…………………………………………………………………………………11第3章 FIR濾波器設(shè)計(jì)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)……………………………………………12 線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點(diǎn)…………………………………………12 線性相位條件……………………………………………………………………12 線性相位FIR濾波器幅度特性的特點(diǎn)…………………………………………13 線性相位FIR濾波器零點(diǎn)分布特點(diǎn)……………………………………………13 常用窗函數(shù)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)……………………………………………………13 常用窗函數(shù)介紹…………………………………………………………………13 各種窗函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與比較………………………………………………………15 基于窗函數(shù)的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)……………………………16 海明窗設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器…………………………………………………17 漢寧窗設(shè)計(jì)數(shù)字高通濾波器…………………………………………………19 布拉克曼窗及三角窗設(shè)計(jì)數(shù)字帶通濾波器…………………………………21 漢寧窗設(shè)計(jì)數(shù)字帶阻濾波器………………………………………………23 小結(jié)…………………………………………………………………………………24第4章 圖形用戶界面設(shè)計(jì)濾波器分析系統(tǒng)………………………………………25 MATLAB中GUI設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)……………………………………………………25 GUIDE簡介………………………………………………………………………25 GUI設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)步驟………………………………………………………25 濾波器分析系統(tǒng)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)………………………………………………26 濾波器分析系統(tǒng)的初始界面……………………………………………………27 濾波器分析系統(tǒng)的主界面………………………………………………………28 小結(jié)…………………………………………………………………………………34總結(jié)與展望………………………………………………………………………35致謝…………………………………………………………………………………36參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………37附錄………………………………………………………………………………………39附錄A 外文文獻(xiàn)及譯文…………………………………………………………………39附錄B 主要參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………44插圖清單圖 11 LIS系統(tǒng) …………………………………………………………………………3圖 21 理想切比雪夫I型濾波器的幅頻特性………………………………………… 7圖 22 理想切比雪夫I型濾波器的幅頻特性…………………………………………8圖 23 雙性線Z變換法的映射關(guān)系………………………………………………… 10圖 31 常用窗函數(shù)時(shí)域幅度曲線比較……………………………………………… 15圖 32 常用窗函數(shù)頻域幅度曲線比較……………………………………………… 10圖 33 FIR數(shù)字低通濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng)……………………………………16圖 34 FIR數(shù)字低通濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng)……………………………………19圖 35 FIR數(shù)字帶通濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng)……………………………………20圖 36 FIR數(shù)字帶阻濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng)……………………………………22圖41 設(shè)計(jì)步驟…………………………………………………………………………24圖42屬性編輯控制器…………………………………………………………………26圖43 按下按鍵CLOSE后出現(xiàn)的問題顯示對話框……………………………………27圖44濾波器分析系統(tǒng)的主界面的下拉式菜單………………………………………28圖45菜單編輯器………………………………………………………………………29圖 46 IIR模擬帶通濾波器參數(shù)輸入選擇……………………………………………29圖 47切比雪夫I型帶阻模擬濾波器（階次N=2,9）………………………………30圖 48 IIR數(shù)字濾波器Analyze………………………………………………………32圖 49 FIR數(shù)字濾波器Analyze………………………………………………………33圖 410 錯(cuò)誤信息顯示對話框…………………………………………………………33圖 411信息顯示對話框………………………………………………………………34表格清單表 31 各種窗函數(shù)的性能比較……………………………………………………… 16VII引 言隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為當(dāng)今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。目前數(shù)字信號處理在通信、語音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號處理中起著重要的作用并已獲得廣泛應(yīng)用的是數(shù)字濾波器（DF，Digital Filter），根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類：無限沖激響應(yīng)IIR（Infinite Impulse Response）濾波器和有限沖激響應(yīng)FIR（Finite Impulse Response）濾波器。與FIR濾波器相比，IIR的實(shí)現(xiàn)采用的是遞歸結(jié)構(gòu)，極點(diǎn)須在單位圓內(nèi)，在相同設(shè)計(jì)指標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)IIR濾波器的階次較低，即所用的存儲(chǔ)單元少，從而經(jīng)濟(jì)效率高。MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫。它是美國的MathWork公司推出的一套用于科學(xué)計(jì)算和圖形處理可視化、高性能語言與軟件環(huán)境。MATLAB的信號處理工具箱是專門應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域的專用工具箱，它的兩個(gè)基本組成就是濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分以及譜分析部分。工具箱提供了豐富而簡便的設(shè)計(jì)，使原來繁瑣的程序設(shè)計(jì)簡化成函數(shù)的調(diào)用。只要以正確的指標(biāo)參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)程序或工具箱函數(shù)，便可以得到正確的設(shè)計(jì)結(jié)果，使用非常方便。第1章 緒論 數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的重要基礎(chǔ)，數(shù)字信號處理主要是研究用數(shù)字或符號的序列來表示信號波形，并用數(shù)字的方式去處理這些序列，把它們改變成在某種意義上更希望的形式，以便估計(jì)信號的特征參量，或削弱信號中的多余分量和增強(qiáng)信號中的有用分量。數(shù)字濾波器在對信號的過濾、檢測與參數(shù)估計(jì)等處理過程中，是使用最為廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器（Digital Filter，簡稱為DF）是指完成信號濾波處理功能的、用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)。數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)運(yùn)算通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一種是頻域法，即利用FFT快速運(yùn)算辦法對輸入信號進(jìn)行離散傅立葉變換，分析其頻譜，然后根據(jù)希望的頻率特性進(jìn)行濾波，再利用傅立葉反變換恢復(fù)出時(shí)域信號。這種方法具有較好的頻域選擇特性和靈活性，并且由于信號頻率與所希望的頻譜特性是簡單的相乘關(guān)系，所以它比計(jì)算等價(jià)的時(shí)域卷積要快得多。另一種方法是時(shí)域法，這種方法是通過對離散抽樣數(shù)據(jù)作差分?jǐn)?shù)學(xué)運(yùn)算來達(dá)到濾波目的的。數(shù)字濾波器的輸入是一組（由模擬信號取樣和量化的）數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過數(shù)字變換的另一組數(shù)字量。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的功能愈來愈受到人們的重視，并得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號處理學(xué)科的一項(xiàng)重大進(jìn)展是關(guān)于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法的研究。60年代中期，開始形成關(guān)于數(shù)字濾波器的一套完整的正規(guī)理論。這一時(shí)期，提出了各種各樣的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，有的以運(yùn)算誤差最小為特點(diǎn)，有的則以運(yùn)算速度高見長；出現(xiàn)了數(shù)字濾波器的各種逼近方法和實(shí)現(xiàn)方法，對遞歸和非遞歸兩類濾波器作了全面的比較；統(tǒng)一了數(shù)字濾波器的基本概念和理論，對無限沖激響應(yīng)（IIR）和有限沖激響應(yīng)（FIR）的認(rèn)識有了完整理論。70年代后，科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，數(shù)字信號處理開始與大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)、微處理技術(shù)等新工藝新技 術(shù)結(jié)合起來，并引進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，大大豐富了數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)，各種新的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，也都能用專用數(shù)字硬件實(shí)時(shí)加以實(shí)現(xiàn)。相信在未來，隨著電子儀器與電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)朝著數(shù)字化、小型化、自動(dòng)化以及多功能化等方向發(fā)展，包括數(shù)字濾波器在內(nèi)的數(shù)字信號處理技術(shù)會(huì)有以驚人的速度進(jìn)行飛躍式發(fā)展。 濾波器原理