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

1、1、課題來源實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的方法一般有兩種：一種方法是設(shè)計(jì)專用的數(shù)字硬件、專用的數(shù)字信號(hào)處理器或采用通用的數(shù)字信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)；另一種方法是把濾波器所要完成的運(yùn)算編成程序并讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。但在高校課程教學(xué)中，均存在著實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備投資不能滿足當(dāng)前課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的需要。針對(duì)此問題本文采用第二種方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，這樣較好地解決了實(shí)驗(yàn)課程中缺設(shè)備或設(shè)備不足夠以及受制實(shí)驗(yàn)室環(huán)境限制等問題。本設(shè)計(jì)根據(jù) FIR濾波器的設(shè)計(jì)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(jì)FIR濾波器提供了一個(gè)可靠而有效的工作平臺(tái)。Mat

2、lab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。工程人員可以直觀方便地進(jìn)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(huì)涉及到信號(hào)的處理問題，其信號(hào)表現(xiàn)形式有電、磁、機(jī)械以及熱、光、聲等。信號(hào)處理的目的一般是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、綜合、估值與識(shí)別等。如何在較強(qiáng)的噪聲背景下提取出真正的信號(hào)或信號(hào)的特征，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際是信號(hào)處理的首要任務(wù)。而數(shù)字信號(hào)處理中一個(gè)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(jì)方法是利用模擬濾波器成熟的理論及設(shè)計(jì)圖表進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)中只考慮了幅度特性，沒考慮相位特性，所設(shè)計(jì)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(duì)IIR濾波器必須另外加相位校正網(wǎng)絡(luò)，使濾波器設(shè)計(jì)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(shí)，很容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性，同時(shí)為了使FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)更優(yōu)化，因而研究FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義。2 / 82. 本課題的實(shí)際意義 FIR濾波器是數(shù)字信號(hào)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(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)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(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 FIR數(shù)字濾波器用來對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾，檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)等處理，利用數(shù)字濾波器可改變信號(hào)中所含頻率分量的相對(duì)比例或?yàn)V除某些頻率分量，使其達(dá)到所需要的效果。它在通信、語言，圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)，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(jìn)展和成就。鑒于此，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)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(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，使得對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)功能的要求越來越強(qiáng)。數(shù)字濾波在語音信號(hào)、圖象處理、模式識(shí)別和譜分析等領(lǐng)域中的一個(gè)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(diǎn)，主要是因?yàn)閿?shù)字濾波器是過濾時(shí)間離散信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)，它可以用軟件（計(jì)算機(jī)程序）或用硬件來實(shí)現(xiàn)，而且在兩種情況下都可以用來過濾實(shí)時(shí)信號(hào)或非實(shí)時(shí)信號(hào)。盡管數(shù)字濾波器這個(gè)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(gè)新臺(tái)階，朝著低功耗、高精度、小體積、

6、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)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(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。4、本課題的主要研究?jī)?nèi)容及擬采取的技術(shù)路線、試驗(yàn)方案1.課題的主要內(nèi)容:首先，進(jìn)行文獻(xiàn)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(jì)動(dòng)態(tài)和方向。提出本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及實(shí)際意義。 其次，綜述FIR濾波器三種主要的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：窗函數(shù)法、

7、頻率采樣法、等波紋最佳逼近法。 通過對(duì)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(jìn)行仿真分析驗(yàn)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(duì)論文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行展望。2. 研究方法：利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)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(shí)域表達(dá),從時(shí)域出發(fā)設(shè)計(jì) h(n)逼近理想 。我們要設(shè)計(jì)的是FIR濾波器，其h（n）必然是有限長(zhǎng)的，所以要用有限長(zhǎng)的h（n）來逼近無限長(zhǎng)的。最有效的方法是將進(jìn)行截?cái)?，或者說，是用一個(gè)有限長(zhǎng)度的窗函數(shù)序列w（n）來截取，即利用截取為有限長(zhǎng)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(duì)稱的。矩形窗設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器，最大相對(duì)肩峰值為8.95%，N增加鉀時(shí)，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(jì)FIR濾波器有多種方法和對(duì)應(yīng)的函數(shù)。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法不僅在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中占有重要的地位，同時(shí)可以用于功率譜的估計(jì)，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?，F(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)M階的FIR濾波器hk，使得在M+1個(gè)抽樣點(diǎn)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(jì)要求給定，hk需要通過設(shè)計(jì)來確定。如果M+1個(gè)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(duì)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(jì)出的濾波器是實(shí)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(jì)的需要，必須將實(shí)驗(yàn)研究法、文獻(xiàn)研究法、定性分析法等相結(jié)合。通過理論思考和實(shí)驗(yàn)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(xiàn)資料，全面把握研究問題的現(xiàn)狀及問題，使研究有一個(gè)高的起點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究既要強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，突出特色，又要分層次進(jìn)行。通過實(shí)驗(yàn)研究為該課題研究

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

11、的完成我的這份畢業(yè)設(shè)計(jì)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(qǐng)教，不斷修改與提高。我對(duì)自己的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，并為各個(gè)任務(wù)合理分配時(shí)間。以通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，來達(dá)到對(duì)圖像處理與目標(biāo)識(shí)別技術(shù)更深入的理解，并能熟練運(yùn)用MATLAB軟件驗(yàn)證各種檢測(cè)技術(shù)達(dá)到不同效果的總目標(biāo)。最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)文檔一份、MATLAB程序設(shè)計(jì)及注釋一份。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)具體時(shí)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(bào)告第3周 復(fù)習(xí)數(shù)字信號(hào)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(jì)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(jìn)行程序的編譯第9周 通過實(shí)例設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法第10周 對(duì)FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行MATLAB仿真分析第11周 繼續(xù)利用matlab進(jìn)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(xiàn)1武曉春FIR數(shù)字濾波器的Matlab設(shè)計(jì)J甘肅科技縱橫，2005，34(1)：23，1712王宏Matlab 65及其在信號(hào)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(jì)

13、及實(shí)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(jì)FIR濾波器J2003(02) 6李春宇用Matlab設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器 J淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)2005,14(1) 7王寬福函數(shù)帶權(quán)的最佳逼近多項(xiàng)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(bào)（自然科學(xué)版）2007，28(3) 9丁玉美，高西全數(shù)字信號(hào)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(jì)對(duì)數(shù)FIR數(shù)