MATLA在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用課程設(shè)計(jì)

1、matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用課 程 論 文matla在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用課 程 名 稱 matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用 考 查 學(xué) 期 第三學(xué)年第一學(xué)期 考 查 方 式 課程論文 姓 名 陳婉 學(xué) 號(hào)專 業(yè) 通行工程 成 績 指 導(dǎo) 教 師 萬力 摘要：傳統(tǒng)的數(shù)字濾波方法僅僅依靠外部信號(hào)的正負(fù)信息，根本沒有辦法對信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的濾波處理，得不到真正的外部信號(hào)信息，而且設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，計(jì)算工作量大，濾波特性調(diào)整困難，影響了它的應(yīng)用。然而數(shù)字濾波是語音和圖像處理、模式識(shí)別、頻譜分析等應(yīng)用中的一個(gè)基本處理算法，在數(shù)字信號(hào)處理中占有極其重要的地位。本文利用matlab設(shè)計(jì)fir濾波

2、器，可以隨時(shí)對比設(shè)計(jì)要求和濾波器特性調(diào)整參數(shù)，直觀簡便，極大的減輕了工作量，有利于濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。本文還介紹了如何利用matlab環(huán)境下的仿真軟件simulink對所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行模擬仿真。 關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波器 fdatool matlab 濾波 simulink引言 濾波器的設(shè)計(jì)方法分為傳統(tǒng)的濾波方法和數(shù)字濾波方法。傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)使用繁瑣的公式計(jì)算，改變參數(shù)后需要重新計(jì)算，在設(shè)計(jì)濾波器尤其是高階濾波器時(shí)工作量很大。利用matlab信號(hào)處理工具箱（signal processing toolbox）和simulink可以快速有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字

3、濾波器在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。一 數(shù)字濾波器、matlab和simulink的簡要介紹數(shù)字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。數(shù)字濾波器有多種分類，根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)（iir）濾波器和有限長沖激響應(yīng)（fir）濾波器。iir數(shù)字濾波器具有無限寬的沖激響應(yīng)，與模擬濾波器相匹配。所以iir濾波器的設(shè)計(jì)可以采取在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步變換的方法。fir數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長序列。它的設(shè)計(jì)問題實(shí)質(zhì)上是確定能滿足所要

4、求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問題，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用matlab來解算問題要比用c，fortran等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像maple等

5、軟件的優(yōu)點(diǎn),使matlab成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。simulink是matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真

6、結(jié)果。二 fdatool的介紹fdatool（filter design & analysis tool）是matlab信號(hào)處理工具箱里專用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具，可以設(shè)計(jì)幾乎所有的基本的常規(guī)濾波器，包括fir和iir的各種設(shè)計(jì)方法。它操作簡單，方便。fdatool界面總共分兩大部分，一部分是design filter，在界面的下半部，用來設(shè)置濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，另一部分則是特性區(qū)，在界面的上半部分，用來顯示濾波器的各種特性。design filter部分主要分為：filter type（濾波器類型）選項(xiàng)，包括lowpass（低通）、highpass（高通）、bandpass（帶通）、bandst

7、op（帶阻）和特殊的fir濾波器。design method（設(shè)計(jì)方法）選項(xiàng)，包括iir濾波器的butterworth（巴特沃思）法、chebyshev type i（切比雪夫i型）法、 chebyshev type ii（切比雪夫ii型） 法、elliptic（橢圓濾波器）法和fir濾波器的equiripple法、least-squares（最小乘方）法、window（窗函數(shù)）法等。filter order（濾波器階數(shù)）選項(xiàng)，定義濾波器的階數(shù)，包括specify order（指定階數(shù)）和minimum order（最小階數(shù)）。在specify order中填入所要設(shè)計(jì)的濾波器的階數(shù)（n階濾波

8、器，specify ordern-1），如果選擇minimum order則matlab根據(jù)所選擇的濾波器類型自動(dòng)使用最小階數(shù)。frenquency specifications選項(xiàng)，可以詳細(xì)定義頻帶的各參數(shù)，包括采樣頻率fs和頻帶的截止頻率。它的具體選項(xiàng)由filter type選項(xiàng)和design method選項(xiàng)決定，例如bandpass（帶通）濾波器需要定義fstop1（下阻帶截止頻率）、fpass1（通帶下限截止頻率）、fpass2（通帶上限截止頻率）、fstop2（上阻帶截止頻率），而lowpass（低通）濾波器只需要定義fstop1、fpass1。采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，由于過渡帶是

9、由窗函數(shù)的類型和階數(shù)所決定的，所以只需要定義通帶截止頻率，而不必定義阻帶參數(shù)。magnitude specifications選項(xiàng)，可以定義幅值衰減的情況。例如設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，可以定義wstop1（頻率fstop1處的幅值衰減）、wpass（通帶范圍內(nèi)的幅值衰減）、wstop2（頻率fstop2處的幅值衰減）。當(dāng)采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，通帶截止頻率處的幅值衰減固定為6db，所以不必定義。window specifications選項(xiàng)，當(dāng)選取采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，該選項(xiàng)可定義，它包含了各種窗函數(shù)。三 帶阻濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例本文將以一個(gè)iir 濾波器的設(shè)計(jì)為例來說明如何使用matlab設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器:設(shè)計(jì)一個(gè)

10、橢圓帶阻濾波器。參數(shù)要求：系統(tǒng)采樣頻率fs=8000hz，要求濾除2025-2225hz頻段的頻率成分，保留0-1500hz和2700hz以上頻段的頻率成分，衰減大于40db。首先在response type中選擇bandstop（帶阻濾波器）；在design method選項(xiàng)中選擇iir 和elliptic（橢圓濾波器）,指定filter order項(xiàng)中的specify order6，在frequency specifications中把units設(shè)置為hz,fpass1=2025,fpass2=2500,設(shè)置完以后點(diǎn)擊design filter即可得到所設(shè)計(jì)的橢圓帶阻濾波器。通過菜單選項(xiàng)a

11、nalysis可以在特性區(qū)看到所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)、零極點(diǎn)配置和濾波器系數(shù)等各種特性。設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖:在設(shè)計(jì)過程中，可以對比濾波器幅頻相頻特性和設(shè)計(jì)要求，隨時(shí)調(diào)整參數(shù)和濾波器類型，以便得到最佳效果。其它類型的fir濾波器和iir濾波器也都可以使用fdatool來設(shè)計(jì)。四 程序設(shè)計(jì)法上例的帶阻濾波器用程序設(shè)計(jì)：fsl=2025;fsu=2225;fpl=1500;fpu=2700;fs=8000;ws=2*fsl/fs,2*fsu/fs;wp=2*fpl/fs,2*fpu/fs; %計(jì)算濾波器的邊界頻率rp=1;rs=40;n,wpo=ellipord(wp,ws,rp,rs)%調(diào)用

12、計(jì)算濾波器階數(shù)n和通帶截止頻率wpob,a=ellip(n,rp,rs,wpo,stop)%調(diào)用ellip計(jì)算帶阻濾波器系統(tǒng)函數(shù)系數(shù)向量b和a freqz(b,a);用matlab運(yùn)行，結(jié)果如下：n =3wpo =0.3750 0.6750b = 0.3521 0.1819 1.0416 0.3576 1.0416 0.1819 0.3521a =1.0000 0.3531 1.0547 0.3038 0.7232 0.0645 0.0095五 simulink仿真 本文通過調(diào)用simulink中的功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的仿真框圖，在仿真過程中，可以雙擊各功能模塊，隨時(shí)改變參數(shù)，獲得不同狀態(tài)下

13、的仿真結(jié)果。例如構(gòu)造以基波為主的原始信號(hào)，通過simulink環(huán)境下的digital filter design（數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)）模塊，把digital filter design模塊放到*mdl文件中，雙擊設(shè)置上例中所設(shè)置的帶阻濾波器，然后把我所需要的模塊一一添加進(jìn)去。仿真圖和濾波效果圖如圖2。 仿真圖 濾波之前的信號(hào)濾波之后的信號(hào)結(jié)束語利用matlab的強(qiáng)大運(yùn)算功能，基于matlab信號(hào)處理工具箱（signal processing toolbox）的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)法可以快速有效的設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器，設(shè)計(jì)方便、快捷，極大的減輕了工作量。在設(shè)計(jì)過程中可以對比濾波器特性，隨時(shí)更改參

14、數(shù)，以達(dá)到濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。參考文獻(xiàn)：1 樓順天、李博菡. 基于matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)信號(hào)處理【m】西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.2 高西全、丁玉美. 數(shù)字信號(hào)處理：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.3 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心. matlab7基礎(chǔ)與提高：電子工業(yè)出版社，2005.ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5

15、fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvsm6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vsur9zpfzfmfsjhcfca37lnw2vvlrkn7r8psz1bn6oric5hu5z6hcxayq

16、ynpog8duybawqsl20csg06dh2sm8hltgpkicskrgopdpuhbj1lmpk7lydvc6nnmwl3fwhzftfvyaary7lhssxj10v3ph3y19bxyr77ib7cpzsu2tijqe3hkqkkau9kskcphkxuikvvyjzpg2yijrkqfbggovyqkuxnwi9omnjtt6qilzxtyrf7d20fbmabcfiixrqkusvnxbppfuxyq1fjskfsubkgs2duvqc9sz4jkbgn4qqv66pyoarjurnfj3txyfclzieeptwfjthpheipdfnqnr2hjqkv2dzwtmpdjq

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18、mtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvsm6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vs