数字滤波器MATLAB大学本科方案设计书.docx

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数字滤波器MATLAB大学本科方案设计书

摘要

本文研究了IIR数字滤波器和FIR数字滤波器在Matlab环境下的设计方法及仿真分析。

在无限脉冲响应（IIR）数字滤波器设计中，先采用脉冲响应不变法及双线性Z变化法设计数字滤波器，最后进行滤波器的频带转换，即进行模拟滤波器的设计，然后进行模拟-数字滤波器转换。

在有限脉冲响应（FIR）数字滤波器设计中，研究了FIR线性相位滤波器的特点和用窗函数法设计FIR滤波器两个问题。

这两类滤波器全部设计过程都是由理论分析、编程设计、具体实现的步骤进行的。

数字滤波器的单位冲激响应是有限长的，可以用一个因果系统来实现，因而数字滤波器可以做成即是因果又是稳定的系统。

关键词：

数字滤波器,Matlab,无限脉冲响应,有限脉冲响应

ABSTRACT

Inthispaper,designsoftheInfiniteImpulseResponsedigitalfilter（IIR）andFiniteImpulseResponsedigitalfilter（FIR）underMatlabarestudied.ThedesignofIIRfilterscanbeachievedthroughthreesteps:

firstly,thedesignofanaloglow-passfilter;secondly,itisanalog-to-digitalfilterconversion;lastly,itistheconversionoffilterfrequencyband.IndesignofFIRfilters,twoquestionsarediscussed:

thecharacteristicsofFIRlinearphasefilterandreasoningofrelatedformulas;theotherisaboutthedesignoftheFIRfiltersbymeansofwindowfunctions.ThedesignofFIRandIIRfollowstheproceduresoftheoreticalanalysis,programmingdesignandrealization.Theunitimpulseresponseofdigitalfilterislimited,canbeachievedbyacausalsystem,sodigitalfiltercanmakeitthatiscausalandstablesystem.

KEYWORDS:

DigitalFilter,Matlab,IIR,FIR

目录

第一章 前言

1.1MATLAB软件简介…………………………………………………………（4）

1.2数字滤波器技术的发展状况……………………………………………（5）

第二章 数字滤波器的基本概念

2.1数字滤波器的概况…………………………………………………………（6）

2.2FIR数字滤波器的基本概念………………………………………………（6）

2.2.1FIR数字滤波器的窗函数设计法………………………………（7）

2.2.2窗函数设计法的步骤………………………………………（7）

2.3MATLAB环境下的实例……………………………………………………（9）

2.3.1高通滤波器的设计…………………………………………………（9）

2.3.2低通滤波器的设计………………………………………………（10）第三章 IIR数字滤波器的设计过程及方法

3.2IIR滤波器的设计思路与步骤…………………………………………（14）

3.3IIR滤波器的设计………………………………………………………（14）

3.4IIR滤波器设计方法MATLAB的实现………………………………………（15）

3.4.1基于模拟低通原型的MATLAB实现…………………………………（15）

3.4.2基于合适类型模拟滤波器的MATLAB实现…………………………（16）

3.4.3基于直接原型变换法的MATLAB实现………………………………（18）

总 结……………………………………………………………………………（19）

参考文献…………………………………………………………………………（20）

致谢……………………………………………………………………………（21）

毕业设计小结………………………………………………………………（22）

第一章 前言

1.1.MATLAB简介

MATLAB（MatrixLaboratory）为美国Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级，1992年推出划时代的4.0版，1993年推出了可以配合MicrosoftWindous使用的微机版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的浏览。

至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，继而推出6.5.1版,2004年7月MATLAB7和Simulink6.0被推出，目前的最新版本为7.1版。

   MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。

   MATLAB已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。

在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。

成为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。

在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。

在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能。

MATLAB6.1的新功能

（1）全新的开发环境GUIDE（GUIDevelopmentEnvironment）：

由早期的单一命令窗口发展为将一些常用的交互式工作界面高度的集中于操作桌面；

（2）在命令窗口增加了错误跟踪功能（errordisplaymessageandabortfunction）；

（3）提供了许多新的数值处理功能（numericalTreatmentTechniques），更新了部分函数的功能和算法，增加了许多新函数；

（4）在图形窗口增加了曲线拟合、数据统计等交互工具；（CurveFitting,DataAnalyzing）

（5）引入了类与对象及函数句柄等概念;（Object，Handle）用户可以创建自己定义的类函数和函数句柄；

（6）改进了编辑/调试器的界面及功能;（Editor/Debugger）增加了行号和书签等功能；

（7）属性编辑器功能更强（PropertyDebugger），使用更方便；

（8）建立了一个与以前完全不同的图形用户界面（GUI）图形窗口，（GraphicalWindow）使用更加方便灵活；

（9）增加了虚拟现实工具箱，（VirtualRealityToolbox）使用标准的虚拟现实建模语言（VRML）技术，可以创建由MATLAB和simulink环境驱动的三维动画场景；

在应用程序接口方面增加了与Java的接口（InterfaceforJava），并为二者的数据交换提供了相应的程序库。

1.2数字滤波器技术的发展状况及简介

   数字滤波器是数字信号处理理论的一部分。

数字信号处理主要是研究用数字或符号的序列来表示信号波形，并用数字的方式去处理这些序列，把它们改变成在某种意义上更为有希望的形式，以便估计信号的特征参量，或削弱信号中的多余分量和增强信号中的有用分量。

具体来说，凡是用数字方式对信号进行滤波、变换、调制、解调、均衡、增强、压缩、固定、识别、产生等加工处理，都可纳入数字信号处理领域。

滤波器的种类很多，从功能上可以分为低通、高通、带通和带阻滤波器，上述每种滤波器又可以分为模拟滤波器和数字滤波器。

如果滤波器的输入输出都是数字信号，则这样的滤波器称之为数字滤波器，它通常通过一定的运算关系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来实现滤波。

根据数字滤波器冲激响应的时域特性，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。

有数字信号处理的一般理论可知，IIR滤波器的特征是具有无限持续时间的冲激响应，而FIR滤波器使冲激响应只能持续一定的时间。

第二章数字滤波器的基本概念

2.1数字滤波器的概况

数字滤波技术是数字信号处理的一个重要组成部分，滤波器的设计是信号处理的核心问题之一。

根据FIR滤波器的原理，提出了FIR滤波器的窗函数设计法，并对常用的几种窗函数进行了比较。

给出了在MATLAB环境下，用窗函数法设计FIR滤波器的过程和设计实例。

仿真结果表明，设计的FIR滤波器的各项性能指标均达到了指定要求，设计过程简便易行。

该方法为快速、高效地设计FIR滤波器提供了一个可靠而有效的途径。

随着信息时代的到来，数字信号处理已经成为当今一门极其重要的学科和技术，并且在通信、语音、图像、自动控制等众多领域得到了广泛的应用。

在数字信号处理中，数字滤波器占有极其重要的地位，它具有精度高、可靠性好、灵活性大等特点。

现代数字滤波器可以用软件或硬件两种方式来实现。

软件方式实现的优点是可以通过滤波器参数的改变去调整滤波器的性能。

　　MATLAB是一种面向科学和工程计算的语言，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，具有编程效率高、调试手段丰富、扩充能力强等特点。

MATLAB的信号处理工具箱具有强大的函数功能，它不仅可以用来设计数字滤波器，还可以使设计达到最忧化，是数字滤波器设计的强有力工具。

2.2FIR数字滤波器的基本概念

R滤波器的数学表达式为：

式中，N是FIR滤波器的抽头数，x（n）表示第n时刻的输入样本；h（i）是FIR滤波器的第i级抽头系数。

普通的直接型FIR滤波器结构如图1所示。

FIR滤波器实质上是一个分节的延迟线，把每一节的输出加权累加，便得到滤波器的输出。

对于FIR滤波器，幅度上只需满足以下两个条件之一，就能构成线性相位FIR滤波器。

h（n）=h（N-1-n）（2-1）

h（n）=-h（N-1-n）（2-2）

式（2-1）称为第一类线性相位的幅度条件（偶对称），式（2-2）称为第二类线性相位的幅度条件（奇对称）。

2.2.1FIR滤波器的设计

　　根据冲激响应的时域特性，数字滤波器可分为无限长冲激响应滤波器（IIR）和有限长冲激响应滤波器（FIR）。

FIR的突出优点是：

系统总是稳定的、易于实现线性相位、允许设计多通带（或多阻带）滤波器，但与IIR相比，在满足同样阻带衰减的情况下需要的阶数较高。

滤波器的阶数越高，占用的运算时间越多，因此在满足指标要求的情况下应尽量减少滤波器的阶数。

　　FIR滤波器的基本结构可以理解为一个分节的延时线，把每一节的输出加权累加，可得