【正文】 大連交通大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論隨著信息時(shí)代與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理己逐漸發(fā)展成為當(dāng)今極其重要的學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域之一。數(shù)字信號(hào)處理在通信、語(yǔ)音、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。在數(shù)字信號(hào)處理的基本方法中，通常會(huì)涉及到變換、濾波、頻譜分析、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等處理。其中，濾波是應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)字濾波器的相關(guān)理論也一直都是人們研究的重點(diǎn)之一。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的重要基礎(chǔ)，在對(duì)信號(hào)的濾波、檢測(cè)及參數(shù)的估計(jì)等信號(hào)應(yīng)用中，數(shù)字濾波器是使用最為廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器根據(jù)其單位沖擊響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類：無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器。與IIR數(shù)字濾波器相比,FIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)是非遞歸的，穩(wěn)定性好，精度高；更重要的是FIR數(shù)字濾波器在滿足幅度響應(yīng)要求的同時(shí)，可以獲得嚴(yán)格的線性相位。因此，它在高保真的信號(hào)處理中，如數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。濾波在通信、圖像編碼、語(yǔ)音編碼、雷達(dá)等許多領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮等方面的應(yīng)用取得了令人矚目的進(jìn)展和成就。它是數(shù)字信號(hào)處理理論的一部分。數(shù)字信號(hào)處理主要是研究用數(shù)字或符號(hào)的序列來(lái)表示信號(hào)波形，并用數(shù)字的方式去處理這些序列，以便估計(jì)信號(hào)的特征參量，或削弱信號(hào)中的多余分量和增強(qiáng)信號(hào)中的有用分量。具體來(lái)說(shuō)，凡是用數(shù)字方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、調(diào)制、解調(diào)、均衡、增強(qiáng)、壓縮、固定、識(shí)別、產(chǎn)生等加工處理，都可納入數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科的一項(xiàng)重大進(jìn)展是關(guān)于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法的研究。關(guān)于數(shù)字濾波器，50年代已有人討論過(guò)數(shù)字濾波器，但直到60年代中期，才開(kāi)始形成關(guān)于數(shù)字濾波器的一整套完整的正規(guī)理論。在這一時(shí)期，提出了各種各樣的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，有的以運(yùn)算誤差最小為特點(diǎn)，有的則以運(yùn)算速度高見(jiàn)長(zhǎng)，而有的則二者兼而有之。出現(xiàn)了數(shù)字濾波器的各種實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)遞歸和非遞歸兩類濾波器作了全面的比較，統(tǒng)一了數(shù)字濾波器的基本概念和理論。數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比，具有精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配以及能實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法進(jìn)行的特殊濾波等優(yōu)點(diǎn)。 Matlab軟件介紹MATLAB 是美國(guó) Math Works 公司推出的一套用于工程計(jì)算的可視化高性能語(yǔ)言與軟件環(huán)境。MATLAB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。它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中。MATLAB 推出的工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以直觀方便地進(jìn)行科學(xué)研究、工程應(yīng)用，其中的信號(hào)處理(signal processing)、圖像處理 (image processing)、小波(wavelet)等工具箱為數(shù)字濾波研究的蓬勃發(fā)展提供了有力的工具。其特點(diǎn)歸納如下：簡(jiǎn)單易學(xué)：MATLAB不僅是一個(gè)開(kāi)發(fā)軟件，也是一門編程語(yǔ)言。其語(yǔ)法規(guī)則與結(jié)構(gòu)化高級(jí)編程語(yǔ)言(如 C 語(yǔ)言等)大同小異，而且使用更為簡(jiǎn)便。計(jì)算功能強(qiáng)大：MATLAB 擁有龐大的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)及工程函數(shù)，可使用戶立刻實(shí)現(xiàn)所需的強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算功能。由各領(lǐng)域的專家學(xué)者們開(kāi)發(fā)的數(shù)值計(jì)算程序，使用了安全、成熟、可靠的算法，從而保證了最快的運(yùn)算速度和可靠的結(jié)果。此外，MATLAB 還有數(shù)十個(gè)工具箱，可解決應(yīng)用中的大多數(shù)數(shù)學(xué)、工程問(wèn)題。先進(jìn)的可視化工具：MATLAB 提供功能強(qiáng)大的、交互式的二維和三維繪圖功能，可使用戶創(chuàng)建富有表現(xiàn)力的彩色圖形。可視化工具包括曲面渲染、線框圖、偽彩圖、光源、圖像顯示、動(dòng)畫等。 開(kāi)放性、可擴(kuò)展性強(qiáng)：M 文件是可見(jiàn)的MATLAB 程序，所以用戶可以查看源代碼。開(kāi)放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用戶能夠檢查算法的正確性，修改已存在的函數(shù)，或者加入自己的新部件。特殊應(yīng)用工具箱：MATLAB的工具箱加強(qiáng)了對(duì)工程及科學(xué)中特殊應(yīng)用的支持。工具箱也和MATLAB一樣是完全用戶化的，可擴(kuò)展性強(qiáng)。將某個(gè)或幾個(gè)工具箱與MATLAB聯(lián)合使用，可以得到一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算組合包，滿足用戶的特殊要求。MATLAB數(shù)字信號(hào)處理工具箱和濾波器設(shè)計(jì)工具箱專門應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域。工具箱提供了豐富而簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)，使原來(lái)繁瑣的程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成函數(shù)的調(diào)用。只要以正確的指標(biāo)參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)程序或工具箱函數(shù)，便可以得到正確的設(shè)計(jì)結(jié)果，使用非常方便。 Matlab軟件的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩rMATLAB軟件發(fā)展?fàn)顩r： MATLAB是美國(guó) MathWorks公司自20世紀(jì)80年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件，它優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。到目前為止，其最高版本R2011b版已經(jīng)推出。隨著版本的不斷升級(jí)，它在數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能上得到了進(jìn)一步完善。MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、 數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具，是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。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；基于HTML的完整的幫助功能；適合個(gè)人應(yīng)用的強(qiáng)有力的面向矩陣(向量)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；與其它語(yǔ)言編寫的程序結(jié)合和輸入輸出格式化數(shù)據(jù)的能力；有在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域解決難題的工具箱。MATLAB作為一個(gè)數(shù)值運(yùn)算軟件和仿真工具正在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到不同程度的應(yīng)用。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工程運(yùn)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DSP 系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)量與測(cè)試、圖形處理、金融建模與分析應(yīng)用等。 論文各章的內(nèi)容安排如下:第一章概括數(shù)字濾波器的意義，Matlab仿真軟件的概況及其在數(shù)字濾波器領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀和今后的研究趨勢(shì)，并簡(jiǎn)介本論文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章主要介紹了數(shù)字濾波器的概念、分類以及特點(diǎn)。第三章詳細(xì)介紹了窗函數(shù)法和頻率采樣法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，以及兩個(gè)方法的比較。第四章介紹了基于MATLAB的數(shù)字濾波器仿真實(shí)現(xiàn)。第二章? 數(shù)字濾波器所謂數(shù)字濾波器，是指輸入輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定的運(yùn)算關(guān)系，改變輸入信號(hào)中所含頻率成分的相對(duì)比例，或則濾除某些頻率成分的器件。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高，精度高，靈活性大等突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于數(shù)字濾波器而言，若系統(tǒng)函數(shù)為H（z），其沖脈響應(yīng)為h(n)，輸入時(shí)間序列為x(n),則他們?cè)跁r(shí)頻內(nèi)的關(guān)系式如下： （21）在Z域內(nèi)，輸入和輸出存在如下關(guān)系： （22）式中，X(z)，Y(z)分別為x(n)和y(n)的Z變換。在頻域內(nèi)，輸入和輸出則存在后述關(guān)系式：；式中，是數(shù)字濾波器的頻率特性，分別為x(n)和y(n)的頻譜，而為數(shù)字角頻率。數(shù)字濾波器可以有很多種分類方法，但總體上可分為兩大類。一類稱為經(jīng)典濾波器，即一般的濾波器，其特點(diǎn)是輸入信號(hào)中的有用成分和希望濾除的成分占用不同的頻帶，通過(guò)合適的選頻濾波器可以實(shí)現(xiàn)濾波。例如，若輸入信號(hào)中有干擾，信號(hào)和干擾的頻帶互不重疊，則可濾出信號(hào)中的干擾得到純信號(hào)。但是，如果輸入信號(hào)中信號(hào)和干擾的頻帶相互重疊，則干擾就不能被有效的濾除。另一類稱為現(xiàn)代濾波器，如維納濾波器、卡爾曼濾波器等，其輸入信號(hào)中有用信號(hào)和希望濾除的頻帶成分重疊。對(duì)于經(jīng)典濾波器，從頻域上也可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。從時(shí)域特性上看，數(shù)字濾波器還可以分為有限脈沖響應(yīng)（FIR，finite impulse response）數(shù)字濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR, infinite impulse response）數(shù)字濾波器。對(duì)于有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波