基于MATLAB的FIR数字滤波器仿真与设计(开题报告)

-.z.1、课题来源实现数字滤波器的方法一般有两种：一种方法是设计专用的数字硬件、专用的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来实现；另一种方法是把滤波器所要完成的运算编成程序并让计算机执行，也就是采用计算机软件来实现。但在高校课程教学中，均存在着实验教学设备投资不能满足当前课程教学实验环节的需要。针对此问题本文采用第二种方法来实现数字滤波器的设计和应用实验，这样较好地解决了实验课程中缺设备或设备缺乏够以及受制实验室环境限制等问题。本设计根据FIR滤波器的设计原理,提出了Matlab环境下FIR滤波器的窗函数法、频率抽样法,Matlab环境为设计FIR滤波器提供了一个可靠而有效的工作平台。Matlab软件以矩阵运算为根底，把计算、可视化及程序设计有机融合到交互式工作环境中，并且为数字滤波的研究和应用提供了一个直观、高效、便捷的利器。工程人员可以直观方便地进展科学研究与工程应用。2、研究目的和意义1.本课题的理论意义几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号的处理问题，其信号表现形式有电、磁、机械以及热、光、声等。信号处理的目的一般是对信号进展、变换、综合、估值与识别等。如何在较强的噪声背景下提取出真正的信号或信号的特征，并将其应用于工程实际是信号处理的首要任务。而数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术就是数字滤波。目前数字滤波器有FIR数字滤波器和IIR数字滤波器两种，IIR数字滤波器的设计方法是利用模拟滤波器成熟的理论及设计图表进展设计的，因而保存了一些典型模拟滤波器优良的幅度特性，但设计中只考虑了幅度特性，没考虑相位特性，所设计的滤波器一般是*种确定的非线性相位特性。为了得到线性相位特性，对IIR滤波器必须另外加相位校正网络，使滤波器设计变得复杂，本钱也高，又难以得到严格的线性相位特性。而FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到有严格的线性相位特性，同时为了使FIR数字滤波器的设计更优化，因而研究FIR数字滤波器的优化设计具有重要的理论意义。本课题的实际意义FIR滤波器是数字信号处理系统中最根本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位冲激响应是有限的，没有输入到输出的反应，是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。FIR数字滤波器用来对信号进展过滤，检测与参数估计等处理，利用数字滤波器可改变信号中所含频率分量的相比照例或滤除*些频率分量，使其到达所需要的效果。它在通信、语言，图像、自动控制、雷达，军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。尤其在图像处理、数据压缩等方面取得了令人瞩目的进展和成就。鉴于此，FIR数字滤波器的设计就显得尤为重要。3、国内外研究现状和开展趋势及综述随着集成电路技术的开展，各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现集成电路技术与计算机技术结合在一起，使得对数字信号处理系统功能的要求越来越强。数字滤波在语音信号、图象处理、模式识别和谱分析等领域中的一个根本的处理技术。数字滤波与模拟滤波相比数字滤波具有很多突出的优点，主要是因为数字滤波器是过滤时间离散信号的数字系统，它可以用软件〔计算机程序〕或用硬件来实现，而且在两种情况下都可以用来过滤实时信号或非实时信号。尽管数字滤波器这个名称一直到六十年代中期才出现，但是随着科学技术的开展及计算机的更新普及，数字滤波器有着很好的开展前景。20世纪60年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的开展，滤波器的开展上了一个新台阶，朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致数字滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速开展。到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成己被研制出来并得到应用，90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进展。4、本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案1.课题的主要内容:首先，进展文献综述，介绍当今国内外有关基于Matlab的FIR数字滤波器的设计动态和方向。提出本文的主要设计内容及实际意义。其次，综述FIR滤波器三种主要的优化设计方法：窗函数法、频率采样法、等波纹最正确逼近法。通过对这三种方法的研究分析，寻求最正确的优化方法。并利用Matlab进展仿真分析验证结论的正确性。最后，从仿真结果中，得出有关结论，并对论文研究内容进展展望。研究方法：利用窗函数法设计FIR滤波器的根本思路是：先给定频率响应函数，利用IDFT求出理想滤波器的单位响应在时域表达,从时域出发设计h(n)逼近理想。我们要设计的是FIR滤波器，其h〔n〕必然是有限长的，所以要用有限长的h〔n〕来逼近无限长的。最有效的方法是将进展截断，或者说，是用一个有限长度的窗函数序列w〔n〕来截取，即利用截取为有限长因果序列。按照线性相位滤波器的要求，线性相位FIR数字低通滤波器的单位抽样响应h(n)必须是偶对称的。矩形窗设计的FIR低通滤波器，最大相对肩峰值为8.95%，N增加钾时，2pi/N减小，故起伏振荡变密，最大肩峰则总是8.95%，这种现象称为吉布斯〔Gibbs〕现象。为了消除吉布斯效应，一般采用其他类型的窗函数，Matlab设计FIR滤波器有多种方法和对应的函数。窗函数设计法不仅在数字滤波器的设计中占有重要的地位，同时可以用于功率谱的估计，从根本上讲，使用窗函数的目的就是消除由无限序列的截短而引起的Gibbs现象所带来的影响。利用频率抽样法的根本思路是：设所需滤波器的频率响应为。现要求设计一个M阶的FIR滤波器h[k]，使得在M+1个抽样点上，FIR滤波器的频率响应与所需的频率响应相等，即由设计要求给定，h[k]需要通过设计来确定。如果M+1个方程是线性无关的，则可以通过求解M+1阶的线性方程得出FIR滤波器的h[k]。对的一些特殊抽样法，上式方程的解可以直接由IDFT得到。由于要求设计出的滤波器是实系数的线性相位FIR滤波器，所以的抽样值还需要满足线性相位滤波器的约束条件。鉴于本课题设计的需要，必须将实验研究法、文献研究法、定性分析法等相结合。通过理论思考和实验分析，边研究边边思考，以提高研究效益。首先通过查阅文献资料，全面把握研究问题的现状及问题，使研究有一个高的起点。实验研究既要强调重点，突出特色，又要分层次进展。通过实验研究为该课题研究提供坚实的实践根底。5、研究根底要完本钱次毕业设计，首先应该端正态度，充分认识到毕业设计的重要性，在思想上和行动上予以高度重视；其次是对设计任务和研究方向进展系统的归纳整理；再次就是对有关专业知识和设计方法进展搜集学习。务必做到以下几点：认真阅读指导教师下发的设计任务书和相关材料，不理解的地方及时向指导教师请教；上网或在图书馆收集相关方面的资料对论文进展更进一步的补充和深化；在实验室对所做的设计进展验证或调试；合理安排自己的时间；通过对原始资料进展系统、全面的分析，结合所学专业理论知识综合考虑经济、技术等方面的因素，拟定实验总体方案。6、预期到达的目标及进度安排为了顺利的完成我的这份毕业设计论文，我将通过阅读大量的相关材料，上图书馆和资料室查资料，在网上收索相关信息，分析材料，与同学讨论，向教师请教，不断修改与提高。我对自己的设计任务进展了详细的规划，并为各个任务合理分配时间。以通过这次毕业设计，来到达对图像处理与目标识别技术更深入的理解，并能熟练运用MATLAB软件验证各种检测技术到达不同效果的总目标。最终完成毕业设计文档一份、MATLAB程序设计及注释一份。我的毕业设计具体时间安排如下：第1周根据任务书，查阅相关资料第2周完成开题报告第3周复习数字信号处理中关于FIR数字滤波器的内容第4周了解FIR数字滤波器的意义第5周了解FIR数字滤波器的几种不同设计方法第6周完成外文第7周复习matlab课程中的笔记，熟悉matlab的使用第8周开场利用matlab进展程序的编译第9周通过实例设计进一步稳固FIR数字滤波器的设计方法第10周对FIR数字滤波器的设计实例进展MATLAB仿真分析第11周继续利用matlab进展程序的编译和修改，并完善程序注释第12周完成毕业论文第13周制作，准备辩论第14周辩论7、参考文献[1]武晓春．FIR数字滤波器的Matlab设计[J]．**科技纵横，2005，34(1)：23，171．[2]王宏．Matlab6．5及其在信号处理中的应用[M]．：清华大学，2004．[3]黎雄．数字滤波器的最优化设计及实现[J]．信息技术2004(10)．[4]MIROSI．AVI．D，DEJANTV．FilterdesignforsignalprocessingusingMATIABandmathematica[M]．Beijing：PublishingHouseofElectronicsIndustry，2002．[5]侯志荣，吕振萧．基于雷米兹交换算法设计FIR滤波器[J]．2003(02)．[6]李春宇．用Matlab设计FIR数字滤波器[J]．**工学院学报2005,14(1)．[7]王宽福．函数带权的最正确逼近多项式的存在唯一性定理[J]．科学技术与工程2009(5)．[8]李国林．切比雪夫最正确一致逼近法及误差函数特性研究[J]．西华师范大学学报〔自然科学版〕2007，28(3)．[9]丁玉美，高西全．数字信号处理[M]．：**电子科技大学，2000．[10]SCpei，JJShyu．DesignofArbitraryFIRLogFilterbyWeightedLeastSquareTechnique[J]．IEEETans．SignalProcessing1994，(9):2495~2499.[11]江大辉．一种设计对数FIR数字滤波器的方法[J]．电路与系统学报，1999．[12]李茂清，王洁，陈强等.基于MATLAB程序的FIR滤波器实现[J].电力学报,2008,23(2):87~90[13]杨大柱.MATLAB在IIR滤波器设计中的应用[J].现代机械2006(5):15-16[14]傅广操,樊明捷.MATLAB在现代功率谱估计中的应用[J].电脑学习2003(6):6~7[15]黄志宇,*保华等.随机信号的功率谱估计及MATLAB的实现[J].现代电子技术,2002(3):21~23