基于MATLAB的FIR數(shù)字濾波器仿真與設(shè)計(開題報告)參考模板

1、1、課題來源實現(xiàn)數(shù)字濾波器的方法一般有兩種：一種方法是設(shè)計專用的數(shù)字硬件、專用的數(shù)字信號處理器或采用通用的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)；另一種方法是把濾波器所要完成的運算編成程序并讓計算機執(zhí)行，也就是采用計算機軟件來實現(xiàn)。但在高校課程教學(xué)中，均存在著實驗教學(xué)設(shè)備投資不能滿足當(dāng)前課程教學(xué)實驗環(huán)節(jié)的需要。針對此問題本文采用第二種方法來實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計和應(yīng)用實驗，這樣較好地解決了實驗課程中缺設(shè)備或設(shè)備不足夠以及受制實驗室環(huán)境限制等問題。本設(shè)計根據(jù) FIR濾波器的設(shè)計原理,提出了Matlab環(huán)境下FIR濾波器的窗函數(shù)法、頻率抽樣法, Matlab環(huán)境為設(shè)計FIR濾波器提供了一個可靠而有效的工作平臺。Mat

2、lab軟件以矩陣運算為基礎(chǔ)，把計算、可視化及程序設(shè)計有機融合到交互式工作環(huán)境中，并且為數(shù)字濾波的研究和應(yīng)用提供了一個直觀、高效、便捷的利器。工程人員可以直觀方便地進行科學(xué)研究與工程應(yīng)用。2、研究目的和意義1.本課題的理論意義 幾乎在所有的工程技術(shù)領(lǐng)域中都會涉及到信號的處理問題，其信號表現(xiàn)形式有電、磁、機械以及熱、光、聲等。信號處理的目的一般是對信號進行分析、變換、綜合、估值與識別等。如何在較強的噪聲背景下提取出真正的信號或信號的特征，并將其應(yīng)用于工程實際是信號處理的首要任務(wù)。而數(shù)字信號處理中一個非常重要且應(yīng)用普遍的技術(shù)就是數(shù)字濾波。目前數(shù)字濾波器有FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種，IIR

3、數(shù)字濾波器的設(shè)計方法是利用模擬濾波器成熟的理論及設(shè)計圖表進行設(shè)計的，因而保留了一些典型模擬濾波器優(yōu)良的幅度特性，但設(shè)計中只考慮了幅度特性，沒考慮相位特性，所設(shè)計的濾波器一般是某種確定的非線性相位特性。為了得到線性相位特性，對IIR濾波器必須另外加相位校正網(wǎng)絡(luò)，使濾波器設(shè)計變得復(fù)雜，成本也高，又難以得到嚴(yán)格的線性相位特性。而FIR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時，很容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性，同時為了使FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計更優(yōu)化，因而研究FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論意義。2 / 82. 本課題的實際意義 FIR濾波器是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性

4、的同時具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時其單位沖激響應(yīng)是有限的，沒有輸入到輸出的反饋，是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 FIR數(shù)字濾波器用來對信號進行過濾，檢測與參數(shù)估計等處理，利用數(shù)字濾波器可改變信號中所含頻率分量的相對比例或濾除某些頻率分量，使其達到所需要的效果。它在通信、語言，圖像、自動控制、雷達，軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮等方面取得了令人矚目的進展和成就。鑒于此，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的設(shè)計就顯得尤為重要。3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及綜述 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種新型的大規(guī)模和超大規(guī)模集

5、成電路不斷涌現(xiàn)集成電路技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合在一起，使得對數(shù)字信號處理系統(tǒng)功能的要求越來越強。數(shù)字濾波在語音信號、圖象處理、模式識別和譜分析等領(lǐng)域中的一個基本的處理技術(shù)。數(shù)字濾波與模擬濾波相比數(shù)字濾波具有很多突出的優(yōu)點，主要是因為數(shù)字濾波器是過濾時間離散信號的數(shù)字系統(tǒng)，它可以用軟件（計算機程序）或用硬件來實現(xiàn)，而且在兩種情況下都可以用來過濾實時信號或非實時信號。盡管數(shù)字濾波器這個名稱一直到六十年代中期才出現(xiàn)，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及計算機的更新普及，數(shù)字濾波器有著很好的發(fā)展前景。20世紀(jì)60年代起，由于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器的發(fā)展上了一個新臺階，朝著低功耗、高精度、小體積、

6、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉等方向努力，其中高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致數(shù)字濾波器、RC有源濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展。到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成己被研制出來并得到應(yīng)用，90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。4、本課題的主要研究內(nèi)容及擬采取的技術(shù)路線、試驗方案1.課題的主要內(nèi)容:首先，進行文獻綜述，介紹當(dāng)今國內(nèi)外有關(guān)基于Matlab的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計動態(tài)和方向。提出本文的主要設(shè)計內(nèi)容及實際意義。 其次，綜述FIR濾波器三種主要的優(yōu)化設(shè)計方法：窗函數(shù)法、

7、頻率采樣法、等波紋最佳逼近法。 通過對這三種方法的研究分析，尋求最佳的優(yōu)化方法。并利用Matlab進行仿真分析驗證結(jié)論的正確性。 最后，從仿真結(jié)果中，得出有關(guān)結(jié)論，并對論文研究內(nèi)容進行展望。2. 研究方法：利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器的基本思路是：先給定頻率響應(yīng)函數(shù)，利用IDFT求出理想濾波器的單位響應(yīng)在時域表達,從時域出發(fā)設(shè)計 h(n)逼近理想 。我們要設(shè)計的是FIR濾波器，其h（n）必然是有限長的，所以要用有限長的h（n）來逼近無限長的。最有效的方法是將進行截斷，或者說，是用一個有限長度的窗函數(shù)序列w（n）來截取，即利用截取為有限長因果序列。按照線性相位濾波器的要求，線性相位FIR數(shù)字低通

8、濾波器的單位抽樣響應(yīng)h(n)必須是偶對稱的。矩形窗設(shè)計的FIR低通濾波器，最大相對肩峰值為8.95%，N增加鉀時，2pi/N減小，故起伏振蕩變密，最大肩峰則總是8.95%，這種現(xiàn)象稱為吉布斯（Gibbs）現(xiàn)象。為了消除吉布斯效應(yīng)，一般采用其他類型的窗函數(shù)，Matlab設(shè)計FIR濾波器有多種方法和對應(yīng)的函數(shù)。窗函數(shù)設(shè)計法不僅在數(shù)字濾波器的設(shè)計中占有重要的地位，同時可以用于功率譜的估計，從根本上講，使用窗函數(shù)的目的就是消除由無限序列的截短而引起的Gibbs現(xiàn)象所帶來的影響。利用頻率抽樣法的基本思路是：設(shè)所需濾波器的頻率響應(yīng)為。現(xiàn)要求設(shè)計一個M階的FIR濾波器hk，使得在M+1個抽樣點上，F(xiàn)IR濾波

9、器的頻率響應(yīng)與所需的頻率響應(yīng)相等，即 由設(shè)計要求給定，hk需要通過設(shè)計來確定。如果M+1個方程是線性無關(guān)的，則可以通過求解M+1階的線性方程得出FIR濾波器的hk。對的一些特殊抽樣法，上式方程的解可以直接由IDFT得到。由于要求設(shè)計出的濾波器是實系數(shù)的線性相位FIR濾波器，所以的抽樣值還需要滿足線性相位濾波器的約束條件。鑒于本課題設(shè)計的需要，必須將實驗研究法、文獻研究法、定性分析法等相結(jié)合。通過理論思考和實驗分析，邊研究邊總結(jié)邊思考，以提高研究效益。首先通過查閱文獻資料，全面把握研究問題的現(xiàn)狀及問題，使研究有一個高的起點。實驗研究既要強調(diào)重點，突出特色，又要分層次進行。通過實驗研究為該課題研究

10、提供堅實的實踐基礎(chǔ)。5、研究基礎(chǔ)要完成本次畢業(yè)設(shè)計，首先應(yīng)該端正態(tài)度，充分認識到畢業(yè)設(shè)計的重要性，在思想上和行動上予以高度重視；其次是對設(shè)計任務(wù)和研究方向進行系統(tǒng)的歸納整理；再次就是對有關(guān)專業(yè)知識和設(shè)計方法進行搜集學(xué)習(xí)。務(wù)必做到以下幾點：1） 認真閱讀指導(dǎo)教師下發(fā)的設(shè)計任務(wù)書和相關(guān)材料，不理解的地方及時向指導(dǎo)教師請教；2） 上網(wǎng)或在圖書館收集相關(guān)方面的資料對論文進行更進一步的補充和深化；3） 在實驗室對所做的設(shè)計進行驗證或調(diào)試；4） 合理安排自己的時間；通過對原始資料進行系統(tǒng)、全面的分析，結(jié)合所學(xué)專業(yè)理論知識綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)等方面的因素，擬定實驗總體方案。6、預(yù)期達到的目標(biāo)及進度安排為了順利

11、的完成我的這份畢業(yè)設(shè)計論文，我將通過閱讀大量的相關(guān)材料，上圖書館和資料室查資料，在網(wǎng)上收索相關(guān)信息，分析材料，與同學(xué)討論，向老師請教，不斷修改與提高。我對自己的設(shè)計任務(wù)進行了詳細的規(guī)劃，并為各個任務(wù)合理分配時間。以通過這次畢業(yè)設(shè)計，來達到對圖像處理與目標(biāo)識別技術(shù)更深入的理解，并能熟練運用MATLAB軟件驗證各種檢測技術(shù)達到不同效果的總目標(biāo)。最終完成畢業(yè)設(shè)計文檔一份、MATLAB程序設(shè)計及注釋一份。我的畢業(yè)設(shè)計具體時間安排如下：第1周 根據(jù)任務(wù)書，查閱相關(guān)資料第2周 完成開題報告第3周 復(fù)習(xí)數(shù)字信號處理中關(guān)于FIR數(shù)字濾波器的內(nèi)容第4周 了解FIR數(shù)字濾波器的意義第5周 了解FIR數(shù)字濾波器的幾

12、種不同設(shè)計方法第6周 完成外文翻譯第7周 復(fù)習(xí)matlab課程中的筆記，熟悉matlab的使用第8周 開始利用matlab進行程序的編譯第9周 通過實例設(shè)計進一步鞏固FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法第10周 對FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計實例進行MATLAB仿真分析第11周 繼續(xù)利用matlab進行程序的編譯和修改，并完善程序注釋第12周 完成畢業(yè)論文第13周 制作PPT，準(zhǔn)備答辯第14 周 答辯7、參考文獻1武曉春FIR數(shù)字濾波器的Matlab設(shè)計J甘肅科技縱橫，2005，34(1)：23，1712王宏Matlab 65及其在信號處理中的應(yīng)用M北京：清華大學(xué)出版社，2004 3黎雄數(shù)字濾波器的最優(yōu)化設(shè)計

13、及實現(xiàn)J信息技術(shù) 2004(10) 4MIROSIAV ID，DEJANTVFilter design for signal processing using MATIAB and mathematicaMBeijing：Publishing House of Electronics Industry，20025侯志榮，呂振蕭 基于雷米茲交換算法設(shè)計FIR濾波器J2003(02) 6李春宇用Matlab設(shè)計FIR數(shù)字濾波器 J淮陰工學(xué)院學(xué)報2005,14(1) 7王寬福函數(shù)帶權(quán)的最佳逼近多項式的存在唯一性定理J科學(xué)技術(shù)與工程 2009(5) 8李國林切比雪夫最佳一致逼近法及誤差函數(shù)特性研究 J 西華師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2007，28(3) 9丁玉美，高西全數(shù)字信號處理M西安：西安電子科技大學(xué)出版社，200010 S C pei，J J ShyuDesign of Arbitrary FIR Log Filter by Weighted Least Square TechniqueJIEEE TansSignal Processing 1994，(9):24952499.11江大輝一種設(shè)計對數(shù)FIR數(shù)