IIR数字滤波器材料清单及表格概论.docx
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IIR数字滤波器材料清单及表格概论
2013届毕业设计（论文）
材料
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
职称：
讲师
专业：
电子信息工程
班级：
学号：
2013年5月
材料清单
1、任务书
2、开题报告
3、进度检查表
4、指导教师评阅表
5、评阅评语表
6、答辩资格审查表
7、答辩及最终成绩评定表
8、毕业设计说明书
9、附录
湖南工学院2013届毕业设计（论文）课题任务书
学院：
电气与信息工程学院专业：
电子信息工程
指导教师
学生姓名
课题名称
IIR数字滤波器的设计
内容及任务
巩固所学习过的关于数字信号处理的滤波器的设计,学习使用MATLABGUI设计工具应用平面。
（1）通过对IIR滤波器的基本原理的学习，应用Matlab语言编程实现IIR数字滤波器，并依据滤波器的性能指标，对结果进行分析。
（2）利用Matlab提供的Simulink模块，完成滤波器的仿真，依据性能指标，调节滤波器的参数，并对结果进行分析。
熟悉Simulink模块的应用。
（3）设计一个可操作的GUI图形界面，使得滤波器的应用操作简单化，可视化，直接在图形界面上改变参数，分析滤波器的性能。
拟达到的要求或技术指标
本课题要求熟悉IIR数字滤波器的设计方法，采用不同的方法设计滤波器。
使用MATLAB提供的GUI工具，实现方便用户使用的数字滤波器交互界面的开发。
具体的设计要求和指标为：
1、能够利用GUI设计出用户图形界面。
2、在下拉菜单中，能够选择巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ滤波器、切比雪夫Ⅱ滤波器、椭圆滤波器。
3、设计滤波器类型可选，能够选择Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop等类型。
4、在下拉菜单中可选择图形显示类型，能够选择Linear、Logarithmic两种类型。
5、在设计滤波器阶数时，可选择自定义阶数和利用最小阶数设计滤波器，并显示最小阶数。
6、在参数输入中，可输入抽样频率Fs、滤波器通带临界频率（Fp1、Fp2）、滤波器阻带临界频率（Fst1、Fst2）、通带内的最大衰减Rp、通带内的最小衰减Rs。
7、能够同时将滤波器的幅频响应曲线和相频响应曲线显示在设计的用户界面中。
进度安排
起止日期
工作内容
备注
2013.1.13-2013.2.28
2013.3.1-2013.4.25
2013.4.26-2013.5.9
2013.5.10-2013.6.2
2013.6.3-2013.6.4
2013.6.5-2013.6.9
查阅相关资料，了解数字滤波器的发展历史和研究应用现状，确定课题总体方案，明确课题任务、撰写开通报告。
学习并掌握应用MATLAB工具箱进行设计,要求能够使用MATLAB语言进行程序设计并设计相应的滤波器界面。
完成论文的初稿，交指导老师进行初步的检查。
根据指导老师的指导要求，修改论文，完成论文正稿，并再次交指导老师评审。
论文定稿。
准备答辩。
毕业设计（论文）答辩。
主要参考资料
[1]程佩青编著．数字信号处理教程．第三版．北京：
清华大学出版社，2007.2
[2]徐成波 陶红艳 杨菁 杨如明编著．数字信号处理及MATLAB实现．第二版．北京：
清华大学出版社，2008.1
[3]王宏．MATLAB6.5及其在数字信号处理中的应用．北京：
清华大学出版社
[4]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用.北京：
清华大学出版社，2003
[5]徐成波,陶红艳,杨菁,杨如明编著．数字信号处理及MATLAB实现．第二版．北京：
清华大学出版社，2008.1
[6]王宏．MATLAB6.5及其在数字信号处理中的应用．北京：
清华大学出版社，2009
[7]施晓红等.MATLAB精通GUI图形界面编成，北京大学出版社，2003
教研室
意见
年月日
学院主管领导意见
年月日
湖南工学院毕业设计（论文）开题报告
题 目
IIR数字滤波器的设计
学生姓名
班级学号
专业
电子信息工程
一、对课题任务的学习与理解
数字滤波在DSP（数字信号处理）中占有重要地位。
数字滤波器按实现的网络结构或者从单位脉冲响应，分为IIR（无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）滤波器。
如果IIR滤波器和FIR滤波器具有相同的性能，那么通常IIR滤波器可以用较低的阶数获得高的选择性，执行速度更快，所有的储存单元更少，所以既经济又高效。
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，已广泛地应用于各个科学技术领域，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。
随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门及其重要的科学和技术领域。
以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，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都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。
MATLAB是“矩阵实验室”（MATrixLABoratoy）的缩写，它是由美国Mathworks公司于1984年正式推出的一种面向科学与工程的计算软件，是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，专门针对科学、工程计算及绘图的需求。
随着版本的不断升级，内容不断扩充，功能更加强大，从而被广泛应用于仿真技术、自动控制和数字信号处理等领域。
全球现有超过五十万的企业用户和上千万的个人用户，广泛分布在航空航天、金融财务、机械化工、电信、教育等各个行业。
通过matlab和相关工具箱，工程师、科研人员、数学家和教育工作者可以在统一的平台下完成相应的科学计算工作。
matlab本身包含了600余个用于数学计算、统计和工程处理的函数，这样，就可以迅速完成科学计算任务而不必进行额外的开发。
业内领先的工具箱算法极大的扩展了matlab的应用领域，所以matlab自推出以来就受到广泛的关注，信号处理工具箱就是其中之一，在信号处理工具箱中，matlab提供了滤波器分析、滤波器实现、fir滤波器实现、iir数字滤波器设计、iir数字滤波器阶次估计等方面的函数命令。
由于我们所面对的工程问题越来越复杂，过去所依赖分析的技术已逐渐不敷使用。
利用电脑来分析及解决工程问题已是当今工程师的必要工具。
使用matlab软件进行科学计算，能够极大加快科研人员进行研究开发的进度，减少在编写程序和开发算法方面所消耗的时间和有限的经费，从而获得最大的效能。
其次，利用Matlab强大的信号分析和工程计算能力，可以充分发挥Matlab的平台良好的扩展性，以及对硬件和数据库的操作性，实现更高级的功能。
二、阅读文献资料进行调研的综述
数字滤波器发展及应用现状：
滤波器在数值信号处理中有广泛的应用，为此我们将滤波器作简单介绍，达到抛砖引玉的作用。
若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么，该滤波器的冲击响应（或滤波因子）也必然是离散的，我们称这样的滤波器为数字滤波器（DigitalFilter，DF）。
当用硬件实现一个DF时，所需的元件是延迟器、乘法器和加法器。
当在计算机上用软件实现时，它就是一段线性褶积（或卷积）的程序。
我们知道，模拟滤波器（AnalogFilter，AF）只能用硬件来实现，其元器件是R，L，C及运算放大器或开关电路。
因此，DF的实现要比AF容易的多，而且易获得较为理想的效果。
滤波器的种类很多，分类方法也不同，如可以从功能上分，也可以从实现方法上分，或从设计方法上来分等等。
但总的来说，滤波器可以分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。
经典滤波器是假定输入信号x（n）中的有效信号和噪声（或干扰）信号成分各在不同的频带，当x（n）通过一个线性滤波系统后，可以将欲噪声信号成分有效地去除。
可是，如果有效信号和噪声信号的频率带相互重叠，那么经典的滤波器将无能为力。
现在的地质雷达信号处理中的滤波器主要采用经典的滤波器进行处理。
因此有时滤波效果较好，有时较差。
现代滤波理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称为时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。
一旦信号被估计出，那么估计出的信号将比原信号会有高的信噪比。
现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征（如自相关函数、功率谱函数等等）导出一套最佳的估值算法，然后用硬件和软件实现。
目前现代滤波器主要有：
维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适应滤波器等，很多专家将基于特征分解的频率估计及奇异值分解算法都归入现代滤波器的范畴。
三、主要研究内容、初步拟定的设计思路及方案
1、主要研究内容：
数字滤波器的设计对工程、应用数学及计算机科学都是非常重要的。
滤波器是控制、信号处理和通信领域的重要组成部分,广泛应用于各种系统中。
其中无限冲激响应（IIR）数字滤波器和有限冲激响应（FIR）数字滤波器是目前人们使用较多的两种。
IIR滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应。
这种滤波器也称之为递归型滤波器。
IIR数字滤波器的设计常采用两种方法：
一、冲激响应不变法二、双线性变换法。
要求设计IIR滤波器的原理，步骤。
并用MATLAB进行仿真实现。
利用Simulink模块建立仿真框图，并使用MATLAB提供的GUI工具，实现方便用户使用的数字滤波器交互界面的开发。
2、设计思路及方案
设计一个数字滤波器去仿真一个模拟滤波器有脉冲响应不变法和双线性变换法。
其设计过程都是由给定的模拟滤波器的系统函数Ha（s）去变换出相应的数字滤波器的系统函数H（z）。
脉冲响应不变法的设计原理如下：
脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤波器的单位脉冲响应序列
模仿模拟滤波器的冲激响应
，即对
进行等间隔采样,采样间隔为T，使h（n）正好等于
的采样值，满足
=
因此脉冲响应不变法是一种时域逼近方法。
双线性变换法的设计原理如下：
脉冲响应不变法的主要缺点是产生频率响应的混叠失真。
这是因为从s平面到z平面是多值的映射关系所造成的。
为了克服这一缺点，可以采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到-
/T～
/T之间，再用z=esT转换到z平面上。
也就是说，第一步先将整个s平面压缩映射到s
平面的-
/T～
/T一条横带里；第二步再通过标准变换关系z=e
将此横带变换到整个z平面上去。
这样就使s平面与z平面建立了一一对应的单值关系，消除了多值变换性，也就消除了频谱混叠现象。
3、存在的问题及采取的解决措施
（1）确定指标。
在设计一个滤波器之前，必须首先确定一些技术指标。
这些技术指标需要来制定。
在很多实际应用中，例如语音或音频信号处理中，数字滤波器常用来实现选频操作。
因此，指标的形式一般确定为频域中幅度和相位的响应。
（2）逼近。
确定了滤波器的技术指标后，就可以利用数学和DSP的基本原理提出一个滤波器模型。
之后，利用数字滤波器的设计方法设计出一个过渡滤波器来逼近给定的目标。
这一步是滤波器设计的所要研究的主要问题，是整个设计过程的重中之重。
（3）软件实现。
上两步的结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器，根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求，或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。
4、IIR数字滤波器的初步设计
利用MATLAB信号处理工具箱函数可以通过编程实现IIR数字滤波器的设计；而滤波器设计和分析工具（FDATool）可以很方便地设计出符合应用要求IIR滤波器。
然后建立Simulink仿真框图仿真出滤波后的效果。
Matlab可视化界面的设计，则通过Matlab图形用户界面开发环境GUIDE来形成相应文件。
Matlab软件GUIDE为用户提供了一个方便高效的集成环境，所有GU1支持的用户控件都集成在这个环境中，并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。
GUIDE将用户保存设计好的GUI界面保存在一个FIG资源文件中，同时自动生成包含GUI初始化和组件界面布局控制代码的M文件，为实现回调函数提供了一个参考框架。
四、进度安排
2013年1月13日-2月28日：
查阅相关资料，了解数字滤波器的发展历史和研究应用现状，确定课题总体方案，明确课题任务、撰写开题报告。
2013年3月1日-4月25日：
学习并掌握应用MATLAB工具箱进行设计,要求能够使用MATLAB语言进行程序设计并设计相应的滤波器界面。
2013年4月26日-5月9日：
完成论文的初稿，并交指导老师进行初步的检查。
2013年5月10日-6月2日：
根据指导老师的指导要求，修改论文，完成论文正稿，并再次交指导老师评审。
论文定稿。
2013年6月3日-6月4日：
准备答辩。
2013年6月5日-6月9日：
毕业设计（论文）答辩。
五、参考文献
[1] 倪养华，等．数字信号处理与实现．上海：
上海交通大学出版社，1998
[2]施阳．等．MATLAB语言工具箱．西安：
西北工业大学出版社，1991
[3]董长虹等.MATLAB信号处理与应用.北京：
国防工业出版社，2005
[4][美]M.H.海因斯著，张建华等译.数字信号处理.北京：
科学出版社，2002
[5]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用.北京：
清华大学出版社，2003
[6]楼顺天，李博菡．基于MATLAB的系统分析与设计.西安：
西安电子科技大学出版社，1998
[7]程佩青编著．数字信号处理教程．第三版．北京：
清华大学出版社，2007.2
[8]徐成波,陶红艳,杨菁,杨如明编著．数字信号处理及MATLAB实现．第二版．北京：
清华大学出版社，2008.1
[9]王宏．MATLAB6.5及其在数字信号处理中的应用．北京：
清华大学出版社，2009
[10]施晓红等.MATLAB精通GUI图形界面编成，北京大学出版社，2003
指导教师批阅意见
指导教师（签名）：
年月日
湖南工学院毕业设计（论文）工作进度检查表
题目
IIR数字滤波器的设计
学生姓名
班级学号
专业
电子信息工程
指
导
教
师
填
写
学生开题情况
学生调研及查阅文献情况
毕业设计（论文）原计划有无调整
学生是否按计划执行工作进度
学生是否能独立完成工作任务
学生的英文翻译情况
学生每周接受指导的次数及时间
毕业设计（论文）过程检查记录情况
学生的工作态度在相应选项划“√”
□认真
□一般
□较差
尚存在的问题及采取的措施：
1、用脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器时,应注意哪些问题?
答：
脉冲响应不变法是一种时域上的转换方法，这种方法适用于系统函数H（z）可以用部分分式分解成单阶极点和滤波器是一个带限系统的情况，它使数字滤波器的冲击响应h（n）等于模拟滤波器的单位冲击响应h（t）的采样值。
脉冲响应不变法是使数字滤波器在时域上模仿模拟滤波器，由于s平面到z平面的多值映射关系，会导致数字滤波器频率响应出现混叠现象，要特别注意。
2、在设计可操作的GUI图形界面，有什么应该注意的？
答：
GUI即人机交互图形化用户界面设计。
主要的界面设计原则：
1．简洁性2．规范性3．合理性4．人性化。
遵从的流程：
（1）明确界面设计的目标。
（2）合理构思界面的布局，可在演算纸上先绘制界面的草图，明确各界面之间如何的衔接。
（3）在MATLAB中设计图形界面，设计相应对象的参数，并力图使界面简洁、美观、易操作。
（4）编写相应的回调函数。
（5）调试GUI界面的执行。
3、怎样快速计算IIR数字滤波器的群延迟？
答：
描述相位变化随着频率变化的快慢程度的量称为群延迟。
是相频特性的负导数τ（ω）=-dφ（ω）/dω。
群延迟直观上就是信号波形包络的时延，单个频率是不存在群延时的；从公式来看是相频特性曲线的斜率，反映的是一个器件对带内每个频点信号相位的影响，群延迟恒定时传输波形失真最小。
4、如何用matlb实现基于双线性变换法的iir数字巴特沃思带通滤波器设计
答：
巴特沃斯模拟低通滤波器的特性完全由3dB截止频率Wc和阶数N两个参数决定，参数Wc和N由所给的通带截止频率Wp，阻带截止频率Ws，通带最大衰减Rp，阻带最小衰减Rs决定，巴特沃斯模拟低通滤波器系统函数经计算可得。
根据得到的数字指标，用双线性变换为模拟低通指标，归一化模拟指标，得到想要的滤波器类型（比如说高通，带通），再用双线性变换法转换为数字滤波器。
5、如何在GUI界面改变控件的属性，如标识属性？
答：
各种不同的控件由属性Style的值来控制。
6、关于IIR数字滤波器的设计哪方法最适宜，各自在设计中又要注意些什么？
答：
（1）、调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数设计各种IIR数字滤波器；
（2）、利用滤波器设计分析工具FDATool设计各种IIR数字滤波器。
指导教师签字：
年月日
学院意见：
负责人签字：
年月日
湖南工学院2013届毕业设计（论文）指导教师评阅表
学院：
电气与信息工程学院专业：
电子信息工程
学生姓名
学号
班级
专业
电子信息工程
指导教师姓名
课题名称
IIR数字滤波器的设计
评语：
是否同意参加答辩：
是□否□
指导教师评定成绩
分值：
指导教师签字：
年月日
湖南工学院毕业设计（论文）评阅评语表
题 目
IIR数字滤波器的设计
学生姓名
班级学号
专业
电子信息工程
评阅
教师姓名
职称
工作单位
湖南工学院
评分内容
具体要求
总分
评分
开题情况
调研论证
能独立查阅文献资料及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。
10
外文翻译
摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。
10
设计质量
论证、分析、设计、计算、结构、建模、实验正确合理。
35
创新
工作中有创新意识，有重大改进或独特见解，有一定实用价值。
10
撰写质量
结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，书写格式规范，符合规定字数要求。
15
综合能力
能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题。
20
总评分
评阅教师
评阅意见
评阅成绩
评阅教师签名
日期
湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表
题目
IIR数字滤波器的设计
学生姓名
学 号
专业
电子信息工程
指导教师
通过长时间的充分准备，关于毕业设计的所有工作都已经做到最好了。
现在早已完成了毕业设计。
本设计选题依据：
滤波器的作用主要是选择所需频带的信号内容而抑制不需要的其他频带的信号内容。
数字滤波器因其精度高、可靠性好、灵活性大等优点,在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。
而IIR滤波器实现的阶次要求较低，所用的存储单元也较少，并且具有效率高，精度高的优点，除此还能够保留一些模拟滤波器的优良特性，所以应用领域广阔。
本设计主要研究内容是：
IIR数字滤波器的设计。
利用MATLAB函数语言编程，用Simulink模块仿真IIR数字滤波器。
在此基础上，使用MATLAB提供的GUI工具，实现方便用户使用的数字滤波器交互界面的开发。
本设计的研究思路及方案是：
因为模拟滤波器的设计方法已经很成熟，不仅有完整设计公式，还有完善的图表和曲线供查阅；所以IIR数字滤波器的设计一般采用间接法，借助模拟滤波器来设计数字滤波器。
具体的方案是：
利用已有的模拟滤波器设计理论，首先根据设计指标设计一个合适的模拟滤波器，然后再通过脉冲响应不变法或双线性变换法，完成从模拟到数字的变换。
常用的模拟滤波器有巴特沃斯（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebyshev）滤波器、椭圆（Ellipse）滤波器等，这些滤波器各有特点，供不同设计要求选用。
滤波器的模拟数字变换，通常是复变函数的映射变换。
根据我的设计思路，我已经完成了毕业设计的基本工作，而且已经具备参加答辩能力，现向答辩老师提出正式申请，望老师批准。
申请人签名：
日期：
资 格 审 查 项 目
是
否
01
工作量是否达到所规定要求
02
文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等）
03
是否完成任务书规定的任务
04
完成的成果是否达到验收要求
05
是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文）
指导教师签名：
毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见：
符合答辩资格，同意答辩□ 不符合答辩资格，不同意答辩□
审查小组成员签名：
年 月 日
湖南工学院2013届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表
学院：
电气与信息工程学院专业：
电子信息工程
学生姓名
学号
班级
答辩
日期
课题名称
IIR数字滤波器的设计
指导
教师
成绩评定
分值
评定
小计
课题介绍
思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。
30
答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。
必
答
题
40
自
由
提
问
30
合计
100
答辩评分
分值：
答辩小组长签名：
答辩成绩a：
×20％＝
指导教师评分
分值：
指导教师评定成绩b：
×60％＝
评阅教师评分
分值：
评阅教师评定成绩c：
×20％＝
最终评定成绩：
分数：
等级：
答辩委员会主任签名：
年月日
说明：
最终评定成绩＝a+b+c，三个成绩的百分比由各学院自己确定，但应控制在给定标准的10％左右。
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