基于 MATLAB 的IIR濾波器的設(shè)計(jì)與仿真_圖文

1、 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)材料題目:基于MATLAB的IIR濾波器的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名:米婷學(xué)生學(xué)號(hào):0908030224系別:電氣信息工程學(xué)院專業(yè):電子信息工程屆別:2013指導(dǎo)教師:張大雷填寫說明1、本材料包括淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)任務(wù)書、開題報(bào)告以及畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)評(píng)審表三部分內(nèi)容。2、本材料填寫順序依次為:(1指導(dǎo)教師下達(dá)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)任務(wù)書;(2學(xué)生根據(jù)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,在文獻(xiàn)查閱的基礎(chǔ)上撰寫開題報(bào)告,送交指導(dǎo)教師審閱并簽字認(rèn)可;(3畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)工作后期,學(xué)生填寫畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)主要內(nèi)容,連同畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)全文一并送交指導(dǎo)教師審閱,指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生實(shí)際完成的論文(設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)

2、價(jià);(4指導(dǎo)教師將此表連同學(xué)生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)全文一并送交評(píng)閱教師評(píng)閱。3、指導(dǎo)教師、評(píng)閱教師對(duì)學(xué)生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)的成績(jī)?cè)u(píng)定均采用百分制。4、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)答辯記錄不包括在此表中。一、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)任務(wù)書要求完成的主要任務(wù)及達(dá)到的目標(biāo)熟悉數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)個(gè)數(shù)字濾波器的基本原理及設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合具體要求用MATLAB語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,由于信號(hào)中經(jīng)常混有各種復(fù)雜成分,所以很多信號(hào)分析都是基于濾波器而進(jìn)行的,而數(shù)字濾波器是通過數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波,具有處理精度高、穩(wěn)定、靈活、不存在阻抗匹配問題,可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)

3、函數(shù)的時(shí)域特性,可分為兩種,即無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR數(shù)字濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR數(shù)字濾波器。實(shí)現(xiàn)IIR濾波器的階次較低,所用的存儲(chǔ)單元較少,效率高,精度高,而且能夠保留一些模擬濾波器的優(yōu)良特性,因此應(yīng)用很廣。MATLAB軟件以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ),把計(jì)算、可視化及程序設(shè)計(jì)有機(jī)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(gè)直觀、高效、便捷的利器。尤其是MATLAB種的心好處理工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以直觀方便地進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用。工作進(jìn)度要求指導(dǎo)教師簽名:年月日二、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)開題報(bào)告課題研究目的熟悉數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)個(gè)數(shù)字濾波器的基本原理及設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合

4、具體要求用MATLAB語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器。IIR濾波器設(shè)計(jì)的目的1.掌握雙線性變換法及脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的具體設(shè)計(jì)方法及其原理,熟悉用雙線性變換法及脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)低通、高通和帶通IIR數(shù)字濾波器的計(jì)算機(jī)編程。2.觀察雙線性變換及脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)的濾波器的頻率特性,了解雙線性變換法及脈沖響應(yīng)不變法的特點(diǎn)。3.熟悉Butterworth濾波器、Chebyshev濾波器和橢圓濾波器的頻率特性。課題研究計(jì)劃根據(jù)課題的實(shí)際需要和研究現(xiàn)狀,為更好地高效地保證完成論文,擬如下具體安排:第一階段:查閱資料,了解相關(guān)知識(shí),進(jìn)行總體規(guī)劃,擬定論文進(jìn)度和設(shè)計(jì)方案,完成開題報(bào)告。第二階

5、段:學(xué)習(xí)基本原理,進(jìn)行深入分析研究。第三階段:撰寫論文,修整論文結(jié)果與分析、參考文獻(xiàn)等。第四階段:整理文檔資料與答辯。工作進(jìn)度本課題研究現(xiàn)狀(需附適量參考文獻(xiàn)一、MATLAB現(xiàn)狀MATLAB是美國(guó)Mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境,主要包括MATLAB和Simulink 兩大部分。MATLAB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,并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非

6、交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如C、Fortran的編輯模式,代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等,主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。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(lái)解算問題要比C,FORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多,并且MATLAB 也吸收了像Maple等軟件的

7、優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C,FORTRAN,C+,JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用。MATLAB的優(yōu)勢(shì)1.編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件,其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身不斷升級(jí),MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致,更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面,人機(jī)交互性更強(qiáng),操作更簡(jiǎn)單。而且新

8、版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng),極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng),程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行,而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。2.簡(jiǎn)單易用MATLAB是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言,它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步,也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序(M文件后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C+語(yǔ)言基礎(chǔ)上的,因此語(yǔ)法特征與C+語(yǔ)言極為相似,而且更加簡(jiǎn)單,更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且

9、這種語(yǔ)言課移植性好、可拓展性極強(qiáng),這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。3.強(qiáng)處理能力MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù),可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果,而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下,可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言,如C和C+。在計(jì)算要求相同的情況下,使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣,特征向量、快速傅里葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性組的求解、微分方程及偏

10、微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅里葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。4.圖形處理MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能,以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái),并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖像處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能做了很大的改進(jìn)和完善,使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能(例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等方面更加完善,而且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能(例如圖形的光照處理、色度處理以及思

11、維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等,MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求,例如圖形對(duì)話等,MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù),保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面的制作上作了很大的改善,對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。5.模塊集合工具箱MATLAB對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說,它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的,用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前,MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域,諸多數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解。神經(jīng)

12、網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制。魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等,都在工具箱(Toolbox家族中有了自己的一席之地。6.程序接口和發(fā)布平臺(tái)新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù),將自己的MATLAB 程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLABA運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語(yǔ)言程序。另外,MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB

13、的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù),每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的,主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。7.應(yīng)用軟件開發(fā)在開發(fā)環(huán)境中,使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口;在編程方面支持了函數(shù)嵌套,有條件中斷等;在圖形化方面,有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能,包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等;在輸入輸出方面,可以直接向Excel和DF5進(jìn)行連接。8.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、MATLAB語(yǔ)言。MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLA

14、B應(yīng)用程序接口(API五大部分構(gòu)成。9.開發(fā)環(huán)境MATLAB開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的MATLAB函數(shù)和文件工具集,其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個(gè)集成的用戶工作空間,允許用戶輸入輸出數(shù)據(jù),并提供了M 文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境,包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件編輯調(diào)試器、MATLAB 工作空間和在線幫助文檔。10.數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)包括了大量的計(jì)算算法。從基本算法如加法、正弦,到復(fù)雜算法如矩陣求逆、快速傅里葉變換等。11.語(yǔ)言MATLAB語(yǔ)言是一種高級(jí)的基于矩陣/數(shù)組的語(yǔ)言,它有程序流控制、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入/輸出和面向?qū)ο缶幊痰忍厣?2.圖形處理系統(tǒng)圖形處理系

15、統(tǒng)使得MATLAB能方便的圖形化顯示向量和矩陣,而且能對(duì)圖形添加標(biāo)注和打印。它包括強(qiáng)大的二維三維圖形函數(shù)、圖像處理和動(dòng)畫顯示等函數(shù)。MATLAB的主要特點(diǎn)是:有高性能數(shù)值計(jì)算的高級(jí)算法,特別適合矩陣代數(shù)領(lǐng)域;有大量事先定義的數(shù)學(xué)函數(shù),并且有很強(qiáng)的用戶自定義函數(shù)的能力;有強(qiáng)大的繪圖功能以及具有教育、科學(xué)和藝術(shù)學(xué)的圖解和可視化的二維、三維圖。二、數(shù)字濾波器現(xiàn)狀數(shù)字濾波器是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)(按預(yù)定的算法,將輸入離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時(shí)間信號(hào)特定功能裝置。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號(hào)時(shí),首先須對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號(hào)的抽樣率應(yīng)大于被處理信號(hào)帶寬的兩倍,其頻率

16、響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性,且以折疊頻率即1/2抽樣頻率點(diǎn)呈鏡像對(duì)稱。為得到模擬信號(hào),數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號(hào)須經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在語(yǔ)言信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或是時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。數(shù)字濾波器的特點(diǎn)IIR數(shù)字濾波器的最通用的方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法。模擬濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的技術(shù)和方法,有完整的設(shè)計(jì)公式,還有比較完整的圖表可以查詢,因此設(shè)計(jì)數(shù)字濾波

17、器可以充分利用這些豐富的資源來(lái)進(jìn)行。對(duì)于IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)具體步驟如下:(1按照一定得規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。(2根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)模擬低通濾波器G(s(G(s是低通濾波器的傳遞函數(shù)。(3再按照一定得規(guī)則將G(s轉(zhuǎn)換成H(z(H(z是數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)。若設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器是低通的,上述過程可以結(jié)束,若設(shè)計(jì)的是高通、帶通或者帶阻濾波器,那么還需要下面步驟:將高通、帶通或帶阻數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo),然后設(shè)計(jì)出低通G(s,再將G(s轉(zhuǎn)換為H(z。IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu),即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成,可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式,都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理,使誤差不斷累積,有時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等,有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查,其設(shè)計(jì)工作量比較小,對(duì)計(jì)算工具的要求不高。在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí),我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式,然后通過一定得變換。將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制,對(duì)相位要求較高時(shí),需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)1倪養(yǎng)華.數(shù)字信號(hào)處理與實(shí)現(xiàn)M.上海交通大學(xué)出版