基于MATLAB的fir数字滤波器设计及simulink仿真实现设计.docx
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基于MATLAB的fir数字滤波器设计及simulink仿真实现设计
2012届毕业设计
题目基于Matlab的FIR低通滤波器设计及simulink仿真实现
学院自动化与电气工程学院
专业测控技术与仪器
班级083
学号108034063
学生姓名乔静兵
指导教师施秧
完成日期2012年5月25日
浙江科技学院
本科毕业论文
（2012届）
题目基于Matlab的FIR低通滤波器设计及simulink仿真实现
学院自动化与电气工程学院
专业测控技术与仪器
班级083
学号108034063
学生姓名乔静兵
指导教师施秧
完成日期2012年5月25号
浙江科技学院毕业设计、学位论文
版权使用授权书
本人乔静兵学号108034063声明所呈交的毕业设计、学位论文《基于Matlab的FIR低通滤波器设计及simulink仿真实现》，是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的人员对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
本毕业设计、学位论文作者愿意遵守浙江科技学院关于保留、使用学位论文的管理办法及规定，允许毕业设计、学位论文被查阅。
本人授权浙江科技学院可以将毕业设计、学位论文的全部或部分内容编入有关数据库在校园网内传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计、学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
论文作者签名：
乔静兵导师签名：
施秧
签字日期：
2012年5月25日签字日期：
2012年5月25日
摘要
数字滤波器是数字信号处理的一个重要的技术分支。
在现代电子系统中，FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用，属于数字信号处理的基本模块之一。
在工程实践中，一般对信号处理要求有实时性和灵活性，而已有的一些软件和硬件计算和实现方式则难以同时达到这两方面的要求。
而随着EDA技术和可编程逻辑器件的发展，使用MATLAB计算及实现FIR滤波的技术已经非常成熟。
随着滤波技术的发展，给人们带来了很多方便不论是学习、生活还是工作中，都有着不可小觑的作用。
在设计滤波器中，首先是基于Matlab软件，然后再利用Matlab里的simulink平台进行实现。
本次毕业设计首先对滤波器的现状和已有的技术进行了深入的研究，在研究的基础上开发出一个基于MATLAB的FIR低通滤波器，通过编写程序，得到滤波器的仿真图，进行比较、分析。
在这次毕业设计中，针对IIR和FIR滤波器各自的优点和缺点进行比较、分析，得出FIR的优点，得到最终设计FIR滤波器更为实用。
实践证明，与其他的滤波器相比，FIR低通滤波器应用更为广泛。
关键词：
MATLAB；FIR；低通滤波器
Abstract
Digitalfilterisanimportanttechnicalbranchofadigitalsignalprocessing.Inmodernelectronicsystems,theFIRdigitalfilterwithgoodlinearityiswidelyused,whichbelongstooneofthebasicdigitalsignalprocessingmodule.Inengineeringpractice,thegeneralsignalprocessingneedrequiretherealtimeandflexibility,andsomesoftwareandhardwarecomputingandrealizationwayisdifficultytoachievethesetworequirementsatthesametime.AsEDAtechnologyandprogrammablelogicdevicedevelopment,theuseofMATLABalgorithmandRealizationofFIRfilterhasaverysophisticatedtechnology.Withthefiltertechnologydevelopment,bringingconveniencetopeoplewhetheritislearning,lifeandwork,haveanessentialrole.Inthedesignoffilter,thefirstisbasedontheMatlabsoftware,andthenusingtheMatlabsimulinkplatformtoachieve.
MATLABbasedontheFIRlow-passfilter,thefilterisobtainedbywritingaprogram,thesimulationmap,comparative,analysis.Inthisgraduationdesign,IIRandFIRfilterfortherespectiveadvantagesanddisadvantagesarecompared,analysis,obtainstheadvantagesofFIR,togetthefinalFIRfilterdesignismorepractical.Practicehasprovedthat,comparedwithotherfilters,theFIRlow-passfilterismorewidelyapplied.
Keywords：
MATLAB；FIR；Lowpassfilter
摘要...........................................................................................................................Ⅰ
Abstract...................................................................................................................Ⅱ
1绪论....................................................................................................................1
1.1课题研究背景..............................................................................................................1
1.2国内外现状和发展趋势.............................................................................................1
1.3MATLAB概述............................................................................................................2
1.3.1MATLAB发展历史..........................................................................................2
1.3.2MATLAB的语言优势......................................................................................3
2滤波器技术概述...............................................................................................................5
2.1滤波器概述.................................................................................................................5
2.2滤波器的工作原理....................................................................................................5
2.2.1模拟滤波器的工作原理.................................................................................5
2.2.2数字滤波器的工作原理.................................................................................6
2.3FIR低通滤波器....................................................................................................7
2.3.1FIR滤波器的原理............................................................................................7
2.3.2FIR滤波器的应用及特点................................................................................8
2.4滤波器的基本特性.....................................................................................................9
2.4.1模拟滤波器与数字滤波器的基本特性..........................................................9
3FIR低通滤波器设计......................................................................................................12
3.1FIR低通滤波器设计.................................................................................................12
3.1.1FIR低通滤波器设计原理................................................................................12
3.1.2窗函数法设计及MATLAB实现原理.............................................................12
3.1.3FIR数字滤波系统............................................................................................13
3.2窗函数法设计及MATLAB仿真..............................................................................13
3.3基于Matlab仿真系统...............................................................................................15
3.3.1simulink仿真系统原理....................................................................................15
3.3.2simulink仿真系统.........................................................................................16
3.3.3模型的创建和模型文件.................................................................................16
3.3.4simulink仿真..................................................................................................17
4总结.....................................................................................................................................21
致谢............................................................................................................................................22
参考文献...................................................................................................................................23
1绪论
1.1课题研究背景
随着21世纪经济全球化的到来，人们的生活水平不断的提高，人们对精神文化的要求也越来越高，对周边环境的要求也日益提上了日程。
喜欢高质量的影碟，安静的锻炼环境，修身养性的休憩场所，等等[1]。
然而，不尽人愿的是，在现如今的一个高科技发展的世界中，在任何一个场所，都离不开各种机器设备的应用系统的运作。
而在一个实际的应用系统中,由于设备本身的缺陷和外界环境的无常变化,总存在着各种干扰的影响,使信号中掺杂了各种噪音。
比如音频信号中的混杂的高频成分的噪声使得音乐听起来非常刺耳,失去了原有的悦耳的音质。
为了提高理想信号的信噪比,可以对理想信号进行滤波,尽可能的将信号滤除掉。
滤波有模拟滤波和数字滤波之分,但是随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已经成为当今一门非常重要的学科和技术领域,它在图像、语音、通信、军事、雷达、自动控制、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。
而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。
在数字滤波中，又有IIR和FIR滤波器之分[2]，IIR数字滤波器的设计保留了一些典型的模拟滤波器优良的幅度特性，但它所涉及的滤波器相位特性通常情况下都是非线性的，而FIR滤波器则可以在即保证幅度特性又满足技术要求的同时，也很容易地做到严格的线性的相位特性[3]。
因此，FIR高度的线性和稳定性使其受到了使用者很大的欢迎，将其广泛的应用在实际设计中。
低通滤波对人们的生活如此重要，所以，进一步加深对低通滤波的研究将有及其重要的意义。
1.2国内外现状和发展趋势
随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已成为当今一门及其重要的学科和技术领域。
数字信号处理在通信、军事、医疗、自动控制、雷达、语音、航空航天、图像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井已获得广泛应用。
数字滤波是数字信号处理的一种重要算法，在数字信号处理应用中，滤波占有十分重要的地位，如对信号的过滤、检测、预测等，都要广泛地用到滤波器。
数字滤波器是使用最为广泛的装置，在工业、农业和其他行业均有应用。
数字滤波器按其单位脉冲响应的长度可分为有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器两类。
IIR数字滤波器的设计保留了一些典型模拟滤波器优良的幅度特性，但所涉及的滤波器相位特性一般是非线性的，而FIR滤波器则可在保证幅度特性并满足技术要求的同时，也很容易做到严格的线性相位特性。
FIR滤波器的线性与稳定性使其应用更为广泛，这对于要求高保真度的信号处理有很重要意义。
利用MATLAB实现FIR低通数字滤波器的设计，并对被高频干扰的信号进行滤波，达到了预期结果。
因而，不少学者针对MATLAB本身的特点及低通滤波器的特点和性能先后提出了许多针对性的想法。
使得FIR低通滤波器的设计有了很大的改善。
然而，随着数字信号的处理和EDA技术的发展，将对低通滤波器的设计提出更高的要求，因而，进一步加深对低通滤波器的研究是很有必要的。
1.3MATLAB概述
1.3.1MATLAB发展历史
MATLAB是“矩阵实验室”MATrixLABoratory的缩写，是由美国MathWorks公司开发的集符号计算、可视化和图形数值计算三大基本功能于一体，操作简单、功能强大的语言。
MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，此系统的基本数据结构是矩阵，在生成矩陈对象时，不要求作明确的维数说明。
MATLAB语言的创造者是CleveMoler教授，CleveMoler教授在数值分析，特别是在线性代数的领域中有很大影响，他参与并编写了数值分析领域中的一些著名的著作和两个重要的Fortran程序：
EISPACK和LINPACK。
他曾经在斯坦福大学、密西根大学和新墨西哥大学担任数学与计算机科学教授。
1980年前后，当时的新墨西哥大学计算机系主任Moler教授在教授线性代数时，发现用其他高级语言编程很不方便，因而构思并开发了MATLAB（MATrixLABoratory，即矩阵实验室）,此软件利用当时的数值线性代数领域里最高水平的EISPACK和LINPACK两大软件包中可靠的子程序，用Fortran语言编写了集科学计算、命令翻译于一身的一套交互式软件系统[4]。
所谓交互式语言，指的是人们给出一条命令，立即就可以得出该命令的结果。
该语言无需像C语言那样，先是要求人们去编写源程序，再对之进行编译、连接，最终才能形成可执行文件。
这无疑会给使用者带来极大的方便。
早期的MATLAB是用Fortran语言编写的，只能作矩阵运算；绘图也只能用极其原始的方法，即用星号描点的形式画图；内部函数也只提供了几十个。
但即使其当时的功能十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。
1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，CleveMoler一直担任该公司的首席科学家。
发行了Matlab第1版（DoS版本1.0）。
正式把MATLAB推向市场。
MATLAB的第一个商业化版本是同年推出的是3.0的DOS版本。
并继续进行MATLAB的研究和开发，逐步将其发展成为一个集符号计算、数学建模、图像处理、数值处理、文字处理、图形处理、实时控制、信号处理、动态仿真为一体的数学应用软件。
Matlab以商业形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如德国的KEDDC，瑞典的LUND和SIMNON，）纷纷淘汰，而改以Matlab为平台加以重建。
TheMathWorks公司于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版本，并于1993年推出了其微机版,可以配合MicrosoftWindows一起使用，推出了MATLAB4.1版。
也是在这年（1993年）MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为“引擎”开发了SymbolicMathToolbox1.0。
MathWorks公司因此加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算互补发展的新时代。
1994年推出了4.2版本，其扩充了4.0版本的功能，尤其在图形界面的设计方面提供了新的方法。
1997年推出的MATLAB5.0版本允许了更多的数据结构，如数据结构体、单元数据、对象与类、多维矩阵等，使其成为一种更方便编程的语言。
1999年初推出的MATLAB5.3版在许多方面又改进了MATLAB语言的功能。
2000年10月底推出了其全新的MATLAB6.0正式版（Release12），在核心数值算法、外部接口、应用桌面、界面设计等诸多方面有了很大的改进。
虽然MATLAB语言是计算数学专家倡导并开发的，但其普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献。
甚至可以说，MATLAB语言是自动控制领域学者和工程技术人员捧红的，因为在MATLAB语言的发展进程中，很多有代表性的成就和控制界的要求与贡献是分不开的。
至今为止，大多数工具箱也都是控制方面的。
MATLAB有很强大的方便实用的绘图功能、数学运算能力及语言的高度集成性，它在其他科学与工程领域的应用也是越来越广，并且有着更广阔的应用前景和无穷无尽的潜能。
如果说有一种十分有效的工具能解决在教学和研究中遇到的问题，那么这种工具正是MATLAB。
它可以帮助使用者从繁琐、无谓的底层编程中解放出来，把宝贵时间更多地花在解决问题中，这样肯定会提高工作效率。
现在，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB已经不单单是一个“矩阵实验室”了，它已成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。
1.3.2MATLAB的语言优势
概括的讲，整个MATLAB系统由两部分组成，即MATLAB内核及辅助工具箱，两者的调用构成了MATLAB的强大功能。
MATLAB语言以矩阵为基本单位，包括输入输出、函数、数据结构、控制流语句及面向对象等特点的高级语言。
MATLAB语言之所以能如此迅速地普及并被人们应用，显示出如此旺盛的生命力，是因为它有着不同于其他语言的特点。
被称作第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，帮助编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。
MATLAB的最突出的特点是简洁。
MATLAB用直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和Fortran语言的冗长代码。
MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。
以下简单介绍一下MATLAB的主要特点：
（1）语
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