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基于MATLAB的数字滤波器设计.rar

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    编号:20180914220230825    类型:共享资源    大小:806.44KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 MATLAB 数字滤波器 设计
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    本 科毕业论文(设计)论文(设计)题目: 数字滤波器设计学 院: 明德学院 专 业: 电子信息工程 班 级: 电信 12151 学 号: 122003111452 学生姓名: 何 军 言 指导教师: 程 远 航 年 月 日贵州大学本科毕业论文(设计)诚信责任书本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文(设计) ,是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文(设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。特此声明。论文(设计)作者签名: 日 期: 贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 页目录目录 ......................................................................I摘要 .....................................................................IIAbstract ................................................................III第一章 绪论 ...............................................................11.1 研究目的及意义 .....................................................11.2 数字滤波器的应用现状与发展趋势 .....................................3第二章 数字滤波器及 MATLAB 语言概述 ........................................52.1 数字滤波器的定义和分类 .............................................52.2 常用滤波器的性能指标 ...............................................62.3 MATLAB 概述 ........................................................9第三章 II R 滤波器设计 .....................................................113.1 双线性变换法设计 IIR 滤波器设计 ....................................113.2 脉冲响应不变法 ....................................................153.3 完全设计函数法 ....................................................183.4 语言滤波实例 ......................................................19第四章 FIR 滤波器设计 .....................................................244.1 用窗函数设计 FIR 数字滤波器的基本方法 ..............................244.2 FIR 滤波器实例 ....................................................28第五章 总结 ..............................................................33参考文献 .................................................................34致谢 .....................................................................35贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 I 页基于 MATLAB 的数字滤波器设计摘 要随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已成为今一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信号处理应用中,数字滤波器十分重要并已获得广泛应用。数字滤波是数字信号处理的重要内容,数字滤波器可分为 IIR 和 FIR 两大类。对于 IIR 数字滤波器的设计,需要借助模拟原型滤波器,再将模拟滤波器转化为数字滤波器,文中采用的设计方法是脉冲响应不变法、双向性变换法和完全函数设计法;对于 FIR 数字滤波器的设计,可以根据所给定的频率特性直接设计,文中采用的设计方法是窗函数法。本文根据 IIR 滤波器和 FIR 滤波器的特点,在MATLAB 坏境下分别用双线性变换法设计 IIR 和用窗函数设计 FIR 数字滤波器,并对采集的语音信号进行分析,最后给出了 IIR 和 FIR 对语音滤波的效果。关键词 数字滤波器;IIR ;FIR ;MATLAB贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 II 页The Design of Digital Filter based on MATLABABSTRACTAlong with the information age and the digital world arrival, the digital signal processing has become a now extremely important discipline and the area of technology.The digital signal processing in the correspondence, the multitudinous domains the pronunciation such as the image, the automatic control, the radar, the military, the aerospace, the medical service and the domestic electric appliances and so on have obtained the widespread application.In the digital signal processing application, the digital filter are extremely important and have obtained the widespread application.The digital filter are the digital signal processing important content, the digital filter may divide into IIR and the FIR two main kinds. As for the IIR digital filter design, we need the help of analog prototype filter, and then transform analog filter into digital filter. In the paper we use the design of the pulse response invariable method, the bilinear method and full function design; as for the FIR filter, we can design it directly based on the giving frequency, in the paper it uses the design of the window function.This article according to the IIR filter and the FIR filter characteristic, uses the bilinearity method of transformation under the MATLAB bad boundary to design IIR and to design the FIR numeral filter separately with the window box number, and carries on the analysis to the gathering pronunciation signal, and finally gives IIR and FIR to the pronunciation filter effect.Keywords Digtial Filter;IIR;FIR;MATLAB 贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 0 页第一章 绪论1.1 研究目的与意义随着集成电路技术的发展,各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现集成电路技术与计算机技术结合在一起,使得对数字信号处理系统功能的要求越来越强。DSP 技术已在通信、控制、信号处理、仪器仪表、医疗、家电等很多领域得到了越来越广泛的应用.在数字信号处理中数字滤波占有极其重要的地位。数字滤波在语音信号、图象处理模式识别和谱分析等领域中的一个基本的处理技术。数字滤波与模拟滤波相比数字滤波具有很多突出的优点,主要是因为数字滤波器是过滤时间离散信号的数字系统,它可以用软件或用硬件来实现,而且在两种情况下都可以用来过滤实时信号或非实时信号。 尽管数字滤波器这个名称一直到六十年代中期才出现,但是随着科学技术的发展及计算机的更新普及,数字滤波器有着很好的发展前景。 几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号的处理问题,其信号表现形式有电、磁、机械以及热、光、声等。信号处理的目的一般是对信号进行分析、变换、综合、估值与识别等。如何在较强的噪声背景下提取出真正的信号或信号的特征,并将其应用于工程实际是信号处理的首要任务。根据处理对象的不同,信号处理技术分为模拟信号处理系统和数字信号处理系统。数字信号处理(Digital signal Processing,DSP)与模拟信号处理相比有许多优点,如相对于温度和工艺的变化数字信号要比模拟信号更稳健,在数字表示中,精度可以通过改变信号的字长来更好地控制,所以 DSP 技术可以在放大信号的同时去除噪声和干扰,而在模拟信号中信号和噪声同时被放大,数字信号还可以不带误差地被存储和恢复、发送和接收、处理和操纵。许多复杂的系统可以用高精度、大信噪比和可重构的数字技术来实现。 数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术就是数字滤波。所谓数字滤波,是指其输入、输出均为数字信号,通过一定的运算关系改变输入信号所含的频率成分的相对比例或滤除某些频率成分,达到提取和加强信号中的有用成份,消弱无用的干扰成份的目的。数字滤波与模拟滤波相比,有精度高、可靠性高、贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 1 页灵活性好等突出优点,可以满足对幅度和相位的严格要求,还能降低开发费用,缩短研制到应用的时间,在很多领域逐步代替了传统的模拟信号系统。 数字滤波器,在数字信号处理中有着广泛的应用,因此,无论是在理论研究上还是在如通讯、HDTV(高清晰度电视)、雷达、图象处理、数字音频等实际应用上都有着美好的技术前景和巨大的实用价值[3]。 基于 matlab 实现数字滤波设计,可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性,因此我们有必要对滤波器的设计方法进行研究,理解其工作原理优化设计方法,设计开发稳定性好的滤波器系统。掌握滤波器的设计技术和原理能为在通信领域、信号处理领域等诸多领域中对数字滤波器的设计提供技术和准备,这不仅具有重要的理论意义同时还具有重要的现实意义。贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 2 页1.2 数字滤波器的应用现状与发展趋势在信号处理过程中,所处理的信号往往混有噪音,从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音的不同特性,提取有用信号的过程称为滤波,实现滤波功能的系统称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中,数字滤波器应用极为广泛,这里只列举部分应用最成功的领域。 (1)语音处理 语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一,也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。该领域主要包括 5 个方面的内容:第一,语音信号分析。即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算;第二,语音合成。即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音;第三,语音识别。即用专用硬件或计算机识别人讲的话,或者识别说话的人;第四,语音增强。即从噪音或干扰中提取被掩盖的语音信号。第五,语音编码。主要用于语音数据压缩,目前已经建立了一系列语音编码的国际标准,大量用于通信和音频处理。近年来,这 5 个方面都取得了不少研究成果,并且,在市场上已出现了一些相关的软件和硬件产品,例如,盲人阅读机、哑人语音合成器、口授打印机、语音应答机,各种会说话的仪器和玩具,以及通信和视听产品大量使用的音频压缩编码技术。 (2) 图像处理 数字滤波技术以成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识别以及层析 X 射线摄影,还成功地应用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图像成像。 (3) 通信 在现代通信技术领域内,几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等,都广泛地采用数字滤波器,特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中,离开了数字滤波器,几乎是寸步难行。其中,被认为是通信技术未来发展方向的软件无线电技术,更是以数字滤波技术为基础。 贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 3 页(4)电视数字电视取代模拟电视已是必然趋势。高清晰度电视的普及指日可待,与之配套的视频光盘技术已形成具有巨大市场的产业;可视电话和会议电视产品不断更新换代。视频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作,促成了电视领域产业的蓬勃发展,而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。 (5) 雷达 雷达信号占有的频带非常宽,数据传输速率也非常高,因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。告诉数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。在现代雷达系统中,数字信号处理部分是不可缺少的,因为从信号的产生、滤波、加工到目标参数的估计和目标成像显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。 (6)声呐声呐信号处理分为两大类,即有源声呐信号处理和无源声呐信号处理,有源声呐系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。例如,他们都要产生和发射脉冲式探测信号,他们的信号处理任务都主要是对微弱的目标回波进行检测和分析,从而达到对目标进行探测、定位、跟踪、导航、成像显示等目的,他们要应用到的主要信号处理技术包括滤波、门限比较、谐估计等。贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4 页第二章 数字滤波器及 MATLAB 语言概述2.1 数字滤波器的定义和分类数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的,用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统,其输入是一组数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。因此,数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用的数字计算机,也可以将所需要的运算编成程序,让通用计算机来执行。数字滤波器,输入输出均为数字信号,通过一定的运算关系,改变输入信号中所含频率成分的相对比例,或则滤除某些频率成分的器件 。对于数字滤波器而言,若系统函数]2[为 H(z),其脉冲响应为 h(n),输入时间序列为 x(n),则它们在时域内的关系式如下:y(n)=h(n)﹡x(n) (2-1)在 Z 域内,输入和输出存在如下关系: Y(z)= H(z)X(z) (2-2)式中,X(z)、Y(z)分别为 x(n)和 y(n)的 Z 变换。在频域内,输入和输出则存在如下关系:Y(j )=H(j )X(j ) (2-3)式中,H(j )是数字滤波器的频率特性;X(j )Y(j )分别为 x(n)和 y(n)的频谱,而 为数字角频率。数字滤波器可以有很多种分类方法,但总体上可分为两大类。一类称为经典滤波器,即一般的滤波器,其特点是输入信号中的有用成分和希望滤除的成分占用不同的频带,通过合适的选频滤波器可以实现滤波 。例如,若输入信号中有]3[干扰,信号和干扰的频带互不重叠,则可滤出信号中的干扰得到纯信号。但是,如果输入信号中信号和干扰的频带相重叠,则干扰就不能被有效的滤出。另一类称为现代滤波器,如维纳滤波器、卡尔曼滤波器等,其输入信号中有用信号和希望滤除的成分频带重叠。对于经典滤波器,从频域上也可以分为低通、高通、带通和带阻滤波器。从时域特性上看,数字滤波器还可以分为有限冲激响应数字滤波器(FIR)和无限冲激响应数字滤波器(IIR) 。对于有限冲激响应数字滤波器(FIR) ,其输出 y(n)只取决于有限个过去和现在的输入,x(n),x(n-1),…,x(n-m), 滤波器的输入输出关系可表示为
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