【正文】 唐 山 學(xué) 院 數(shù)字信號處理 課 程 設(shè) 計 題 目 基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計 系 (部) 信息工程系 班 級 10通信本2 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2013 年 1 月 7 日至 1 月 11 日 共 1 周 數(shù)字信號處理 課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目、內(nèi)容及要求設(shè)計題目：基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計設(shè)計內(nèi)容：所設(shè)計的數(shù)字濾波器應(yīng)完成以下功能：（1）設(shè)計低通、帶通、高通數(shù)字濾波器；（2）可以對合成信號（含低頻、中頻、高頻分量）、語音信號進行濾波；（3）通過GUI界面進行控制。設(shè)計要求：根據(jù)題目要求進行數(shù)字濾波器總體設(shè)計。 2. 完成數(shù)字濾波器具體設(shè)計。（1）輸入信號的選定。（2）確定設(shè)計方法、設(shè)計指標(biāo)。3. 濾波器程序的設(shè)計。（1）完整源程序。（2）運行結(jié)果圖。4．書寫設(shè)計說明書。二、設(shè)計原始資料范壽康主編，DSP技術(shù)與DSP芯片，電子工業(yè)出版社。三、要求的設(shè)計成果（課程設(shè)計說明書、設(shè)計實物、圖紙等） 設(shè)計結(jié)果能正確仿真演示設(shè)計說明書一份（包括總體設(shè)計、算法原理圖及說明、系統(tǒng)GUI演示、源程序清單等）四、進程安排 周一：資料收集周二：利用MATLAB完成GUI界面繪制周三：程序調(diào)試 周四：書寫課程設(shè)計說明書周五：答辯五、主要參考資料樓順天,—子科技大學(xué)出版社，19982000宗孔德,，1997 指導(dǎo)教師（簽名）：教研室主任（簽名）：課程設(shè)計成績評定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績評定出勤情況及設(shè)計過程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）設(shè)計成果（60分）總成績（100分）提問（答辯）問題情況綜合評定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1 緒論 12數(shù)字濾波器的設(shè)計 2 數(shù)字濾波器的基本概念 2 利用雙線性變換法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器 23 課程設(shè)計的具體實現(xiàn) 3 3 IIR數(shù)字濾波器的流程圖 3 IIR低通濾波器設(shè)計 3 IIR高通濾波器設(shè)計 5 IIR帶通濾波器設(shè)計 7 對合成信號進行濾波的濾波器設(shè)計 8 8 8 9 10 IIR帶通濾波器設(shè)計 11 IIR高通濾波器濾波 134軟件簡介 15—GUI概述 15 155 結(jié)論 176 致謝 18參考文獻 19附錄 20課程設(shè)計說明書1 緒論與模擬濾波器相對應(yīng)，在離散系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用數(shù)字濾波器。它的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形或頻率進行加工處理?；蛘哒f，把輸入信號變成一定的輸出信號，從而達到改變信號頻譜的目的。數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種方法是用數(shù)字硬件裝配成一臺專門的設(shè)備，這種設(shè)備稱為數(shù)字信號處理機；另一種方法就是直接利用通用計算機，將所需要的運算編成程序讓通用計算機來完成，即利用計算機軟件來實現(xiàn)。模擬濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中是一種常用的變換裝置。例如：帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置；低通濾波器用作數(shù)字信號分析系統(tǒng)中的抗頻混濾波；高通濾波器被用于聲發(fā)射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲；帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器，等等。MATLAB是由美國Mathworks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)環(huán)境。MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩形實驗室）的縮寫。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設(shè)計，數(shù)值計算，圖形繪制，輸入輸出，文件管理等各項操作。除此之外，MATLAB還具有很強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。目前，Mathworks公司推出了18種工具箱。用戶可以根據(jù)自己的工作任務(wù)，開發(fā)自己的工具箱。2數(shù)字濾波器的設(shè)計 數(shù)字濾波器的基本概念濾波器從功能上分類可以分為經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器，經(jīng)典濾波器主要用于在頻率域的濾波選取，現(xiàn)代濾波器是通過復(fù)雜的統(tǒng)計學(xué)理論，用于在大量的同頻率信號中選取需要的信號數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波器從實現(xiàn)方法上可以分為無限沖擊響應(yīng)濾波器和有限沖擊響應(yīng)濾波器。它們是用單位采樣響應(yīng)h(n)的特性來區(qū)分的，IIR濾波器的h(n)是無限長序列，而FIR濾波器的h(n)是有限長序列。 利用雙線性變換法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器變換原理：雙線性變換法是使數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)與模擬濾波器的頻率響應(yīng)相似的一種變換方法。為了克服脈沖響應(yīng)不變法的多值映射這一缺點，首先把整個s平面壓縮變換到某一中介的s1平面的一橫帶里，然后再通過標(biāo)準(zhǔn)變換關(guān)系將此橫帶變換到整個z平面上去，這樣就使s平面與z平面是一一對應(yīng)關(guān)系，消除了多值變換性，同時也就消除了頻譜混疊現(xiàn)象。IIR濾波器的設(shè)計原理IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計一般是利用目前已經(jīng)很成熟的模擬濾波器的設(shè)計方法來進行設(shè)計，通常采用模擬濾波器原型有butterworth函數(shù)、chebyshev函數(shù)、bessel函數(shù)、橢圓濾波器函數(shù)等。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟：；；；、帶通或帶阻濾波器，則首先把它們的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計為數(shù)字低通濾波器，最后通過頻率轉(zhuǎn)換的方法來得到所要的濾波器。本課程設(shè)計設(shè)計思想：首先利用MATLAB分別產(chǎn)生低頻中頻高頻信號，然后進行疊加得到連續(xù)時間信號；對所產(chǎn)生的連續(xù)時間信號進行采樣，得到數(shù)字信號；對信號進行FFT頻譜分析，繪制其頻譜圖；根據(jù)信號頻譜分析的結(jié)果，分別設(shè)計高通，低通，帶通濾波器，得到濾波器的幅頻及相頻特性。3 課程設(shè)計的具體實現(xiàn) IIR數(shù)字濾波器的流程圖開始讀入數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)將指標(biāo)轉(zhuǎn)換成歸一化模擬濾波器的指標(biāo)計算歸一化的模擬濾波器階數(shù)N和3db截止頻率模擬域頻率變換，將信號變換成模擬濾波器H（s）用雙線性變換法將H(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器H(z)輸入信號后顯示相應(yīng)結(jié)果結(jié)束 IIR數(shù)字濾波器流程圖 IIR低通濾波器設(shè)計根據(jù)數(shù)字濾波器的設(shè)計原理，首先將數(shù)字域的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模擬域的指標(biāo)設(shè)計模擬低通濾波器，然后應(yīng)用雙線性變換法將模擬濾波器轉(zhuǎn)化為數(shù)字濾波器將指標(biāo)轉(zhuǎn)換成歸一化模擬低通濾波器的指標(biāo)，通過歸一化的模擬低通濾波器階數(shù)N和3dB截止頻率的計算，將模擬域頻率變換成模擬低濾波器H(s),并用雙線性變換法將H(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器H(z)，由此得到低通數(shù)字濾波器。IIR低通濾波器的設(shè)計程序為：wb=fb*2*pi/fs。 wc=fc*2*pi/fs。 Wb=2*fs*tan(wb/2)。Wc=2*fs*tan(wc/2)。[n,wn]=buttord(Wb,Wc,Ap,As,39。s39。)。[b,a]=butter(n,wn,39。s39。)。 [bd,ad]=bilinear(b,a,fs)。 [h,w]=freqz(bd,ad,1024)。 figure(1)。subplot(1,1,1)。plot(w*fs/(2*pi),20*log10(abs(h)))。 title(39。IIR低通濾波器幅頻特性39。)。 IIR低通濾波器的幅頻特性讀入信號對信號傅里葉變換進行頻譜分析，利用filter函數(shù)濾波，對得到的信號傅里葉變換進行頻譜分析，與濾波前進行比較。并在濾波前后用sound函數(shù)播放語音信號，觀察濾波前后的變化。 分析濾波前后信號的變化，波形圖變窄，頻譜變化表明:信號的低頻率段被保留，高頻率段被濾除。分析濾波前后的聲音變化，濾波后聲音明顯變低而沉悶，這說明濾波器設(shè)計基本符合指標(biāo)要求 IIR高通濾波器設(shè)計與低通濾波器的設(shè)計原理相似，首先將數(shù)字域的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模擬域的指標(biāo)設(shè)計模擬低通濾