【正文】 畢業(yè)論文（ 設計） 1 湖北理工學院 本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目 ： 基于 MATLAB的 FIR 帶通數(shù)字濾波器設 計 姓 名： 鄭潔 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械電子工程 班 級： 2020 學 號： 202040140133 指導教師： 孫川 完成時間 ： 2020年 5 月 25 畢業(yè)論文（ 設計） 2 目 錄 摘要 ABSTRACT…………………………………………………………………………………… 4 第 1章 緒論 ……………………………………………………………………………… … … 6 課題背景 … …………………………………………………… ………… … 6 課題研究的目的和意義 …… ………………………………………… …… 7 MATLAB 概述 …………………………………………………………… 8 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 …… …………………………………… 9 論文的主要研究內(nèi)容 …… ………………………………………… 10 預期達到的目標 …… ……………………………………………… 11 第 2 章 濾波器的特性 數(shù)字濾波器的定義、分類及特點 …… ……………………………………… 12 FIR 濾波器的結(jié)構(gòu)特點 …… ……………………………………………… 13 FIR 線性相位濾波器的特點 …… ………………………………………… 14 實際濾波器的設計指標 …… ……………………………………………… 16 第 3 章 FIR 數(shù)字濾波器 主要設計方法的 比較 窗函數(shù)法 …… ……………………………………………………… 17 概述 …… ……………………………………………………… 17 優(yōu)缺點 …… ……………………………………………………… 18 頻率抽樣法 概述 …… ……………………………………………………… 19 優(yōu)缺點 …… …………………………………………………… 20 其它設計方法 …… ……………………………………………………… 22 設計方法的選定 …… …………………………………………………… 22 FIR 數(shù)字濾波器的最優(yōu)化設計 …… …………………………………… 23 第 4 章 FIR 濾波器的 MATLAB 設計 設計的基本思路 …… …………………………………………………… 25 設計的總流程圖 …… …………………………………… 26 窗函數(shù)的種類及理論特點 …… ………………………………………… 27 畢業(yè)論文（ 設計） 3 設計函數(shù) fir1 和 fir2…… …………………………………………… 28 FIR 數(shù)字濾波器的具體設計步驟 …… ………………………………… 29 線性相位 FIR 低通濾波器 的 設計 …… ………………………………… 31 帶通濾波器 的 設計 …… ………………………………………………… 37 概述 …… ……………………………………………………… 37 帶通濾波器的獲取 …… …………………………………… 40 結(jié)論分析 …… ……………………………………………………… 43 第 5 章 總結(jié)與展望 …… ……………………………………………………… 44 參考文獻 ……………………………………………………………………………………… 45 致謝 ……………………………………………………………………………………………… 46 畢業(yè)論文（ 設計） 4 摘 要 傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器的設計過程復雜計算工作量大，濾波特性調(diào)整困難，影響了它的應用。本文介紹了一種利用 MATLAB 信號處理 工具箱（ Signal Processing Toolbox）快速有效的設計由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器的設計方法。給出了使用 MATLAB 語言進行程序設計和利用信號處理工具箱的工具進行界面設計的詳細步驟。利用 MATLAB 設計濾波器，可以隨時對比設計要求和濾波器特性調(diào)整參數(shù)，直觀簡便，極大的減輕了工作量，有利于濾波器設計的最優(yōu)化。 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的組成部分之一。在許多科學技術領域中廣泛使用濾波器對信號進行處理。數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種裝置。它是一個離散時間系統(tǒng)，其功能 是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進行運算處理，以達到改變信號頻譜的目的?；?MATLAB 的數(shù)字濾波器有：界面設計與程序直接設計兩種方法。 關鍵詞 : 數(shù)字濾波器 ， MATLAB， 無限沖激響 應， 有限沖激響應 畢業(yè)論文（ 設計） 5 ABSTRACT Traditional digital filter design process plex, the putation workload is big, the filter characteristic adjustment difficulty, has affected its application. This article introduced one kind using the MATLAB signal processing toolbox (Signal Processing Toolbox) the fast effective design the conventional numeral filter design method which is posed by software. Produced has used the MATLAB language to carry on the programming and carries on contact surface design using the signal processing toolbox FDA Tool . the detailed step. Using the MATLAB design filter, may contrast the design request and the filter characteristic adjustment parameter as necessary directviewing is simple, enormous reduced the work load, is advantageous optimization which designs to the filter. Digital filter is one of the most important part of the digital signal Processing. In many fields of science and technology, it is widely used for signal processing. Digital filter is a kind of installation that is made of digital multiplier, adder and the unit of delay time. Digital filter is a discrete time system. Its function is to carry out the digital code of the input dispersed signal so as to change signal frequency spectrum. MATLABbased digital filter has two design methods: interface design and direct design. Key words :Digital filter。 MATLAB。 IIR 。 FIR 畢業(yè)論文（ 設計） 6 第 1 章 緒論 課題背景 數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號處理裝置 ,其輸入、輸出均為數(shù)字信號 ,實質(zhì)上是一個由有限 精度算法實現(xiàn)的線性時不變離散系統(tǒng)。它的基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性對系統(tǒng)輸入信號進行加工和變換 ,改變輸入序列的頻譜或信號波形 ,讓有用頻率的信號分量通過 ,抑制無用的信號分量輸出。數(shù)字濾波器和模擬濾波器有著相同的濾波概念 ,根據(jù)其頻率響應特性可分為低通、高通、帶通、帶阻等類型 ,與模擬濾波器相比 ,數(shù)字濾波器除了具有數(shù)字信號處理的固有優(yōu)點外 ,還有濾波精度高 (與系統(tǒng)字長有關 )、穩(wěn)定性好 (僅運行在 0與 l兩個電平狀態(tài) )、靈活性強等優(yōu)點。數(shù)字濾波器按單位脈沖響應的性質(zhì)可分為無限長單位脈沖響應濾波器 IIR 和有限長單位脈沖響應 濾波器 (FIR)兩種。 有限脈沖響應濾波器是數(shù)字濾波器的一種 ， 簡稱 FIR 數(shù)字濾波器（ finite impulse response filter）。這類濾波器對于脈沖輸入信號的響應最終趨向于 0，因此是有限的，而得名。它是相對于無限脈沖響應濾波器 (IIR)而言。 本課題根據(jù)理論科研需要設立。 課題研究的目的和意義 課題任務就是 利用 MATLAB 實現(xiàn)低通濾波器的設計，再通過頻率變換將低通濾波器轉(zhuǎn)換成希望類型的濾波器。利用所設計的濾波器對多個頻帶疊加的正弦信號進行處理，對比輸入輸出信號，分析濾波器特性。 另 外， 數(shù)字濾波器精確度高，使用靈活?？煽啃愿?，具有模擬設備所沒有的許多優(yōu)點。 數(shù)字濾波器是一種用來過濾時間離散信號的數(shù)字系統(tǒng)，通過對抽樣數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理來達到頻域濾波的目的。根據(jù)其單位沖激響應函數(shù)的時域特性可分為兩類：無限沖激響應（ IIR）濾波器和有限沖激響應（ FIR）濾波器。與 IIR濾波器相比， FIR 的實現(xiàn)是非遞歸的，總是穩(wěn)定的；更重要的是， FIR 濾波器在滿足幅頻響應要求的同時，可以獲得嚴格的線性相位特性。因此，它在高保真的信號處理，如數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學等領域得到廣泛應用。 畢業(yè)論文（ 設計） 7 隨著信息時代數(shù)字 的到來，數(shù)字濾波技術發(fā)揮的左右越來越廣泛。 所以，本課題是一個很實用，很有市場前景的項目。 MATLAB 概述 MATLAB 是由美國 MATNWORKS 公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、 矩陣計算 、科學數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動態(tài)系統(tǒng)的 建模 和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學 領域 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)非交互式程序設計語言（如 C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大 數(shù)學 軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在 數(shù)值計算 方面首屈一指。 MATLAB 可以進行 矩陣 運算、繪制 函數(shù) 和數(shù)據(jù)、實現(xiàn) 算法 、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、金融建 模設計與分析等領域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點， MATLAB 成為一個強大的 數(shù)學軟件 。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用 ,用戶也可以將自己編 寫的實用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器的設計過程復雜、計算工作量大，濾波特性調(diào)整困難，影響了它的應用。這里介紹了一