论文基于MATLAB的高阶带通滤波器的设计与仿真》.doc
《论文基于MATLAB的高阶带通滤波器的设计与仿真》.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文基于MATLAB的高阶带通滤波器的设计与仿真》.doc（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业论文
题目：
基于MATLAB的高阶带通滤波
器的设计与仿真
学生姓名：
徐刚
学生学号：
0908030237
系（院）：
电气信息工程学院
专业：
电子信息工程
届别：
2013届
指导教师：
张大雷
完成时间：
2013年5月
目录
摘要
（1）
前言
（2）
1概述
（2）
1.1国内外发展现状
（2）
1.2数字滤波器的应用领域 （3）
1.3数字滤波器基本概念 （3）
2基于MATLAB的高阶带通滤波器设计方法 （4）
2.1数字滤波器的设计步骤 （4）
2.2数字滤波器的设计方法 （5）
2.2.1FIR滤波器的特点 （5）
2.2.2窗函数设计法 （6）
2.2.3频率抽样设计法 （7）
2.2.4最优化设计法 （8）
3基于MATLAB的设计与仿真 （9）
3.1MATLAB简介 （9）
3.2Simulink简介 （10）
3.2.1Simulink的功能 （10）
3.3基于MATLAB的设计与仿真 （11）
3.3.1窗函数法的设计与仿真 （12）
3.3.2频率抽样法的设计与仿真 （14）
3.3.3最优化设计法 （15）
4利用SIMULINK对带通滤波器的实现 （16）
结论 （18）
参考文献 （18）
附录 （19）
致谢 （21）
淮南师范学院本科2013届毕业论文21
基于MATLAB的高阶带通滤波器的设计与仿真
学生：
徐刚
指导老师：
张大雷
淮南师范学院电气信息工程学院
摘要：
随着滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域的广泛应用，各种滤波器的设计方法层出不穷，考虑到传统的数字滤波器的设计过程复杂，计算工作量大，滤波特性调整困难的缺点，本文旨在通过研究有限长单位冲击响应（FIR）数字滤波器的设计方法，利用MATLAB进行高阶带通滤波器的设计与仿真，对比窗函数法、频率抽样法、最优化设计法三种方法的特点。
寻找一种最佳设计方法。
关键词：
数字滤波器；MATLAB；窗函数法；频率抽样法；最优化设计法
DesignandSimulationofhighorderbandpassfilterbasedonMATLAB
Students:
Xugang
Instructor:
ZhangDalei
ElectricalandInformationEngineeringDepartmentHuainanNormalUniversity
Abstract:
Withthewideapplicationoffilterinthefieldofcommunication,imageprocessing,patternrecognition,emergeinanendlessstreamofvariousfilterdesignmethod,consideringthetraditionaldigitalfilterdesignprocessiscomplex,theheavyworkload,thefiltercharacteristicadjustmentisdifficult,thispaperthroughtheresearchoffiniteimpulseresponse（FIR）digitalfilterdesignmethods,designandSimulationofhighorderbandpassfilterusingMATLAB,comparingtothecharacteristicsofthewindowfunctionmethod,frequencysamplingmethod,theoptimizationdesignmethodofthreekindsofmethods.Lookingforanoptimumdesignmethod.
Keywords:
DigitalFilter;MATLAB;WindowFunctionMethod;FrequencySamplingMethod;OptimizationDesignMethod
前言
滤波器就是一种用来消除干扰信号的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电，其主要作用就是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的反射。
数字滤波技术是数字信号分析、处理技术的重要分支。
无论是信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号安全可靠和有效灵活的传输是至关重要的，在所有的电子系统和各类控制系统中，数字滤波器的优劣直接决定产品的优劣。
带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。
当所需要的信号的频率既不属于最高的频率带，又不属于最低的频率带，而处于一个中间的地带，如果想要得到这部分信号，就需要带通滤波器把这个中间频率的信号之外的其他信号滤除掉。
带通滤波器通过设置通带最低截止频率和通带最高截止频率，只要频率位于通带最低截止频率和通带最高截止频率之间的信号都可以通过该滤波器，而在这之外的频率信号都无法通过该滤波器，从而得到所需要的频率信号。
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，有源带通滤波器电路并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。
实际上，并不存在理想的带通滤波器。
滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。
数字滤波器在工程技术的各个领域内都有着广泛的应用，其具体表现在电、磁、光以及热等信号的收集与分析，对于收集到的信号需要从中筛选出所需的信号，包含某些频率成分的信号。
尤其在通信领域内，更需要滤波器对以收信号进行滤波。
空气中掺杂着大量的不同频率的信号，当携带所需的信息的某种频率的电磁波发送到空气中，这时想要接收到我们需要的信息，就需要对空气的各种不同频率的信号进行滤波，这样才能接收到所需的信息，如果没有滤波器进行滤波，所接受到的信息将会掺杂其他的信息，干扰所得到的信息的真实性。
所以研究数字滤波器是很有意义，它对通信和其它领域都有很重要的作用。
1概述
1.1国内外发展现状
目前数字滤波器的设计有许多现成的高级语言设计程序，但他们的设计效率都比较低，存在一些缺点——没有可视化的图形，不易修改参数等，而MATLAB提供了一个直观、高效、便捷的工具，方便了数字滤波器的研究和应用。
以往的滤波器大多采用模拟电路技术，然而，模拟电路技术存在许多问题难以解决，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。
而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。
1.2数字滤波器的应用领域
数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛应用于各个学科技术领域，例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。
在近代设备和各类控制系统中，数字滤波器的应用十分广泛；滤波器在所有的电子部件中，使用最多，技术也是最为复杂。
在实际的通信过程中，滤波器是非常重要的，是不可缺少的一环，只有在滤波器的作用下，才能接收到所需的信号。
主要应用如下：
（1）语音处理
滤波器的最早应用领域之一是语音处理，也是推动数字信号处理发展重要领域。
（2）雷达
数字信号处理是现在雷达不可或缺的一部分，从信号的采集、传输、接收、加工以及信号的分析都离不开滤波器的支持。
（3）电视
音视频的压缩技术所取得的成就以及标准化工作，使得电视领域的一些列产业蓬勃发展，而数字滤波器及其相关技术构成了音视频压缩技术的重要基础。
（4）通信
数字滤波器几乎涉及了现代通信技术的所有分支。
（5）生物医学信号处理
心电图和脑电图的分析、胎儿心音的自适应检测等等都需要数字滤波器的支撑。
此外，滤波器在音乐、声纳、图像处理以及其他领域都有着不可或缺的作用。
1.3数字滤波器基本概念
所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，或者滤除某些频率成分的数字期间或程序。
因此，数字滤波器的概念和模拟滤波器的概念相同，只是信号的形式和实现滤波的方法不同。
正因为数字滤波器通过数值运算实现滤波，所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能。
由于数字滤波器是一个离散时间系统，应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换，同样可以使用数字滤波器对模拟信号进行滤波。
2基于MATLAB的高阶带通滤波器设计方法
2.1数字滤波器的设计步骤
数字滤波器按频率特性划分有低通、高通、带通、带阻、全通等类型。
由于频率响应的周期性，频率变量以数字频率ω来表示，所以数字滤波器的设计中必须给出抽样频率。
图1为各种数字滤波器对的理想幅度频率响应（至表示了正频率部分）。
图1各种数字滤波器的理想幅度频率响应
一般情况下，数字滤波器是一个线性移（时）不变离散时间系统利用有限精度算法来实现。
数字滤波器的设计一般包括以下四个步骤：
（1）按任务要求确定滤波器性能要求。
（2）用一个因果稳定的离散线性移不变的系统函数去逼近这一性能要求。
这是因为图1的理想频率响应是不可能实现的，由于它的幅度响应在个频带之间是突变的，因
而其单位抽样响是非因果的、不可实现的，只能对其逼近。
逼近所用的系统函数有无限长单位冲激响应（IIR）系统函数和有限长单位冲激响应（FIR）系统函数两种。
（3）利用有限精度算法来实现这个系统函数。
这里包括选择运算结构、选择合适的字长（包括系数量化及输入变量、中间变量和输出变量的字长）以及有效数字的处理方法（舍入、截尾）等。
（4）实际的技术实现，包括采用通用计算机软件或专用数字滤波器硬件来实现，或采用专用的或通用的数字信号处理器来实现。
2.2数字滤波器的设计方法
2.2.1FIR滤波器的特点
所谓数字滤波器设计，简单地说，就是要找到一组能满足特定滤波要求的系数向量a和b。
而滤波器设计完成后还需要进一步考虑如何将其实现，即选择什么样的滤波器结构来完成滤波运算。
FIR数字滤波器的设计方法很多，其中较为常用的是窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计法。
FIR滤波器设计的任务是选择有限长度的，使传输函数满足一定的幅度特性和线性相位要求。
由于FIR滤波器很容易实现严格的线性相位，所以FIR数字滤波器设计的核心思想是求出有限的脉冲响应来逼近给定的频率响应。
设计过程一般包括以下三
升级会员 