【正文】 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基 于 MATLAB 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 摘 要 本文分別研究了在 MATLAB 環(huán)境下 IIR數(shù)字濾波器和 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計(jì)，以顯示本文所介紹濾波器的特性。 在無限脈沖響應(yīng)（ IIR） 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行模擬濾波器的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行模擬 數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換，即采用脈沖響應(yīng)不變法及雙線性 Z 變化法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，最后進(jìn)行濾波器的頻帶轉(zhuǎn)換。在有限脈沖響應(yīng)（ FIR） 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中，討論了 FIR 線性相位濾波器的特點(diǎn)和用窗函數(shù)法設(shè)計(jì) FIR 濾波器兩個(gè)問題。兩類濾波器整個(gè)設(shè)計(jì)過程都 是按照理論分析、編程設(shè)計(jì)、具體實(shí)現(xiàn)的步驟進(jìn)行的。 為方便分析者直觀，形象，方便的分析濾波器的特性，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)出了圖形用戶界面 —— 濾波器分析系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)界面，其內(nèi)容主要包含四部分：System(系統(tǒng) )、 Analysis(分析 )、 Tool(工具 )、 Help(幫助 )。 關(guān)鍵詞 ：數(shù)字濾波器、 MATLAB、無限脈沖響應(yīng)、有限脈沖響應(yīng)、 圖形用戶界面 柯進(jìn)進(jìn)：基 于 MATLAB 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) II Matlabbased digital filter design Abstract In this thesis, designs of the Infinite Impulse Response digital filter (IIR) and Finite Impulse Response digital filter (FIR) under MATLAB are studied. And the Graphical User Interfaces (GUI) to analysis the characteristics of filter is designed. The design of IIR filters can be achieved through three steps: firstly, the design of analog lowpass filter。 secondly, it is analogtodigital filter conversion。 lastly, it is the conversion of filter frequency band. In design of FIR filters, two questions are discussed: the characteristics of FIR linear phase filter and reasoning of related formulas。 the other is about the design of the FIR filters by means of window functions. The design of FIR and IIR follows the procedures of theoretical analysis, programming design and realization. We design the Graphical User Interfaces (GUI) of the digital filter analysis system makes sure of people can analysis the characteristics of the design directly and easily. The whole system divide into two graphical interfaces, it contains four parts: System, Analysis, Tool and Help. Keywords: Digital Filter, MATLAB, IIR, FIR, Graphical User Interfaces 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 引言 ??????????????????????????????? ?? 1 第 1 章 緒論 ?????????????????????????????? 2 數(shù)字濾波技術(shù)??????????????????????????? 2 濾波器原理? ?????????????????????????? 3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法概述????????????????????? 3 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介?????????????????????????? 4 第 2 章 IIR 濾波器概況及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ???????????????? 6 模擬濾波器 及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ??????????????????? 6 巴特沃斯低通濾波器????????????????????? 6 切比雪夫低通濾波器????????????? ???????? 7 橢圓低通濾波器??????????????????????? 8 模擬 — 數(shù)字濾波器變換 及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ??????????????? 8 脈沖響應(yīng)不變法????????????????????????? 9 雙線性 Z 變換法????????????????????????? 10 小結(jié)??????????????????????????????? 11 第 3 章 FIR 濾波器設(shè)計(jì)及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ????????????????? 12 線 性相位 FIR 數(shù)字濾波器的條件和特點(diǎn)???????????????? 12 線性相位條件?????????????????????????? 12 線性相位 FIR 濾波器幅度特性的特點(diǎn)???????????????? 13 線性相位 FIR 濾波器零點(diǎn)分布特點(diǎn)????????????????? 13 常用窗函數(shù)及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ???????????????????? 13 常用窗函數(shù)介紹????????????????????????? 13 各種窗函數(shù)的 實(shí)現(xiàn)與比較????????????????????? 15 基于窗函數(shù)的 FIR數(shù)字 濾波器 設(shè)計(jì)及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ??????????? 16 海明窗設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器??????????????????? 17 漢寧窗設(shè)計(jì)數(shù)字高通濾波器??????????????????? 19 布拉克曼窗及三角窗設(shè)計(jì)數(shù)字帶通濾波器????????????? 21 漢寧窗設(shè)計(jì)數(shù)字帶阻濾波器?????????????????? 23 小結(jié)?????????????????? ????????????? 24 第 4 章 圖形用戶界面設(shè)計(jì) 濾波器分析系統(tǒng) ??????????????? 25 柯進(jìn)進(jìn)：基 于 MATLAB 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) IV MATLAB 中 GUI 設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)???????????????????? 25 GUIDE 簡(jiǎn)介??????????????????????????? 25 GUI 設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)步驟????????????????????? 25 濾波器分析系統(tǒng)及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn)?????????????????? 26 濾波器分析系統(tǒng)的初始界面???????????? ???????? 27 濾波器分析系統(tǒng)的主界面????????????????????? 28 小結(jié)??????????????????????????????? 34 總結(jié)與展望 ??????????????????????????? 35 致謝 ??????????????????????????????? 36 參考文獻(xiàn) ??????????????????????????????? 37 附錄 ???????????????? ? ?? ? ? ? ??????????? 39 附錄 A 外文文獻(xiàn)及譯文 ?????? ?????????? ? ?? ? ? ? ??? 39 附錄 B 主要參考文獻(xiàn) ????????????????? ??? ? ? ?? ?? 44 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 插圖清單 圖 11 LIS系統(tǒng) ???????????????????????????? 3 圖 21 理想切比雪夫 I型濾波器的幅頻特性 ???????????????? 7 圖 22 理想切比雪夫 I 型濾波器的幅頻特性 ???????????????? 8 圖 23 雙性線 Z 變換法的映射關(guān)系??????????????????? 10 圖 31 常用窗函數(shù)時(shí)域幅度曲線比較 ?????????????????? 15 圖 32 常用窗函數(shù)頻域幅度曲線比較 ?????????????????? 10 圖 33 FIR數(shù)字低通濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng) ?????????????? 16 圖 34 FIR數(shù)字低通濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng) ?????????????? 19 圖 35 FIR數(shù)字帶通濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng) ?????????????? 20 圖 36 FIR數(shù)字帶阻濾波器脈沖響應(yīng)與幅度響應(yīng) ?????????????? 22圖 41 設(shè)計(jì)步驟 ???? ? ??????????? ???????????? 24 圖 42屬性編輯控制器?? ????????? ? ????????????? 26 圖 43 按下按鍵 CLOSE 后出現(xiàn)的問題顯示對(duì)話框?????????????? 27 圖 44濾波器分析系統(tǒng)的主界面的下拉式菜單??????????????? 28 圖 45菜單編輯器 ? ??????? ??????????????????? 29 圖 46 IIR 模擬帶通濾波器參數(shù)輸入選擇 ????????????????? 29 圖 47切比雪夫 I型帶阻模擬濾波器（階次 N=2,9） ? ??????????? 30 圖 48 IIR 數(shù)字濾波器 Analyze????????????????????? 32 圖 49 FIR 數(shù)字濾波器 Analyze????????????????????? 33 圖 410 錯(cuò)誤信息顯示對(duì)話框?????????????????????? 33 圖 411 信息顯示對(duì)話框???????????????????????? 34 柯進(jìn)進(jìn)：基 于 MATLAB 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) VI 表格清單 表 31 各種窗函數(shù)的性能比較 ????????????????????? 16 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引 言 隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號(hào)處理已成為當(dāng)今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。目前數(shù)字信號(hào)處理在通信、語音、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)處理中起著重要的作用并已獲得廣泛應(yīng)用的是數(shù)字濾波器（ DF， Digital Filter），根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類：無限沖激響應(yīng) IIR（ Infinite Impulse Response）濾波器和有限沖激響應(yīng) FIR（ Finite Impulse Response）濾波器。與 FIR 濾波器相比， IIR 的實(shí)現(xiàn)采用的是遞歸結(jié)構(gòu)，極點(diǎn)須在單位圓內(nèi)，在相同設(shè)計(jì)指標(biāo)下，實(shí)現(xiàn) IIR 濾波器的階次較低，即所用的存儲(chǔ)單元少，從而經(jīng)濟(jì)效率高。 MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫。它是美國的MathWork 公司推出的一套用于科學(xué)計(jì)算和圖形處理可視化、高性能語言與軟件環(huán)境。 MATLAB 的信號(hào)處理工具箱是專門應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域的專用工具箱，它的兩個(gè)基本組成就是濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分以及譜分析部分。工具箱提供了豐富而簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)，使原來繁瑣的程序設(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。 柯進(jìn)進(jìn)：基 于 MATLAB 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 2 第 1 章 緒論 數(shù)字濾波技術(shù) 數(shù) 字濾波是數(shù)字信號(hào)處理的重要基礎(chǔ)，數(shù)字信號(hào)處理主要是研究用數(shù)字或符號(hào)的序列來表示信號(hào)波形，并用數(shù)字的方式去處理這些序列，把它們改變成在某種意義上更希望的形式，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。數(shù)字濾波器在對(duì)信號(hào)的過濾、檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)等處理過