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基于matlab的數(shù)字濾波器設計畢業(yè)論文(參考版)

2025-06-21 14:42本頁面
  

【正文】 在設計此圖形用戶界面時,把濾波器分析系統(tǒng)分成兩個界面進行設計,第一個是濾波器分析系統(tǒng)的初始界面,包括了此次設計的標題,歡迎圖形,及進入下一個界面的按鈕(WELCOM)及退出按鈕(CLOSE);第二個界面是濾波器分析系統(tǒng)的主界面。下面將具體的介紹此圖形用戶界面——濾波器分析系統(tǒng)。正是由于MATLAB中的圖形用戶界面(GUI)有強大的功能、顯著的優(yōu)點、方便快捷的設計方法、簡單明了的顯示方式,所以在討論了IIR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器設計及其MATLAB實現(xiàn)以后,制作了一個圖形用戶界面——濾波器分析系統(tǒng),這個圖形界面內容包含了上述各章介紹的各種濾波器,還添加了IIR濾波器和FIR濾波器的分析和比較,目的是更加清晰的介紹各種濾波器,并加以直觀形象的分析和選擇。而GUI實現(xiàn)了開發(fā)者與使用者間進行交流的橋梁。設計檢查功能分析編寫代碼程序測試需求分析 圖41 設計步驟 濾波器分析系統(tǒng)及其MATLAB實現(xiàn)對開發(fā)者來說,由于MATLAB強大的工程運算、仿真能力,使得越來越多的用戶從原先的開發(fā)環(huán)境中轉到MATLAB上來,他們不需花大量的時間進行編程,因為MATLAB提供一個簡便的開發(fā)環(huán)境,可使研究者很快上手,提高研究者的效率。一般的設計過程是按照圖41所示步驟來實現(xiàn)的。這樣設計出來的程序不但不易出錯,而且易于維護和改正。GUI的關鍵是使人與計算機之間能夠準確的交流信息,一方面,人向計算機輸入時應當盡量采取自然的方式,另一方面,計算機向人傳遞的信息必須準確,不致引起誤解或混亂。 GUI設計規(guī)范及設計步驟設計GUI時,應力求簡潔、直接、清晰地反映界面的功能和特性。使用M文件編輯器,可以向回調事件中添加代碼,運行相關函數(shù)??梢杂肎UIDE完成下面的任務:● 輸出GUI 使用GUIDE輸出編輯器,通過單擊和拖拉組件很容易的創(chuàng)建GUI● GUI編程 GUIDE自動生成一個控制GUI如何操作的M文件。 GUIDE簡介MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境(Graphical User Interface development environment, GUIDE)提供了一系列創(chuàng)建用戶圖形界面(GUI)的工具。其中,uicontrol對象能建立按鈕、列表框、編輯框等圖形用戶界面對象,uimenu能建立下拉式菜單和子菜單等圖形用戶界面對象,uicontexmenu能建立內容式菜單用戶界面對象(類似于Visual C++等程序設計軟件中的彈出式菜單)。 MATLAB中GUI設計技術特點作為強大的科學計算軟件,MATLAB也提供了圖形用戶界面的設計與開發(fā)功能。最常見的激活方式是用鼠標或其他單擊設備去控制屏幕上的鼠標指針的運動,單擊鼠標,標志著對象的選擇或其他動作。GUI是包含圖形對象(如窗口、圖標、菜單和文本)的用戶界面。整個設計過程都是在理論分析的基礎上,用MATLAB語言來進行編程設計,最終實現(xiàn)了FIR數(shù)字低通、高通、帶通、帶阻四種濾波器的設計。本章FIR濾波器的設計包括三部分:線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點,常用窗函數(shù)及其MATLAB實現(xiàn),基于窗函數(shù)的FIR數(shù)字濾波器設計及其MATLAB實現(xiàn)。hd=(sin (Wcl*m) + sin(pi*m)sin(Wch*m) ) ./(pi*m)。 n=0:1:N1。FIR漢寧窗數(shù)字帶阻濾波器幅度響應(dB)39。實際單位脈沖響應h(n)39。漢寧窗w(n)39。理想單位脈沖響應hd(n)39。 %計算實際濾波器的幅度響應delta_w=2*pi/1000。 %漢寧窗h=hd.*w_hann。 %理想帶阻濾波器的上截至頻率 hd=ideal_bs(Wcl,Wch,N)。Wcl= (Wsl+Wpl) /2。tr_width=min((WslWpl),(WphWsh))。 Wsl=*pi。Wpl=*pi。hd=(sin (pi*m) sin(Wc*m) ) ./(pi*m)。n=0:1:N1。三角窗數(shù)字帶通濾波器幅度響應(dB)39。布拉克曼窗數(shù)字帶通濾波器幅度響應(dB)39。三角窗截到的實際單位脈沖響應h2(n)39。布拉克曼窗截到的實際單位脈沖響應h1(n)39。理想單位脈沖響應hd(n)39。三角窗w(n)39。布拉克曼窗w(n)39。delta_w=2*pi/1000。 [db1,mag1,pha1,w1]=freqz_m6 (h1,[1])。 %三角窗h1=hd.*w_bman。 %理想帶通濾波器的單位沖激響應w_bman= (blackman(N))39。 %理想帶通濾波器的下截至頻率 Wch= (Wsh+Wph) /2。 %過渡帶寬度N=ceil (11*pi/tr_width) +1 %濾波器長度n=0:1:N1。Wsh=*pi。Wph=*pi。要求用布萊克曼窗和三角窗分別設計,并分析比較設計出的帶通濾波器的區(qū)別。hd=(sin (pi*m)sin(Wc*m))./(pi*m)。n=0:1:N1。FIR數(shù)字高通濾波器幅度響應(dB)39。實際單位脈沖響應h(n)39。漢寧窗w(n)39。理想單位脈沖響應hd(n)39。 %計算實際濾波器的幅度響應delta_w=2*pi/1000。 %漢寧窗h=hd.*w_han。 %理想高通濾波器的截至頻率 hd=ideal_hp(Wc,N)。 %過渡帶寬度N=ceil (*pi/tr_width) +1 %濾波器長度n=0:1:N1。 Ws=*pi。pha=angle(H)。mag=abs(H)。H=(H(1:1:501))。whole39。hd=sin (Wc*m)./(pi*m)。n=0:1:N1。幅度響應(dB)39。實際單位脈沖響應h(n)39。海明窗w(n)39。理想單位脈沖響應hd(n)39。 %計算實際濾波器的幅度響應delta_w=2*pi/1000。 %海明窗h=hd.*w_ham。 %理想低通濾波器的截至頻率 hd=ideal_lp(Wc,N)。 %過渡帶寬度N=ceil(*pi/tr_width)+1 %濾波器長度n=0:1:N1。Ws=*pi。 海明窗設計數(shù)字低通濾波器設計一個FIR低通濾波器,要求Wp=,Ws=,Ap=,As=50dBclear all。從而有: (318)式中N表示窗口長度,這樣H(z)就是物理可實現(xiàn)的系統(tǒng)了。求得理想濾波器的單位脈沖響應后,可得到該離散濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù): (316)但該為無限長序列,因此是物理不可實現(xiàn)的。窗函數(shù)法又稱為傅立葉級數(shù)法,它是在時域進行的,因而必須由理想濾波器的頻率響應推導出其單位脈沖響應,再設計一個FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應去逼近??梢钥闯?,隨著旁瓣的減小,主瓣寬度相應增加了。在MATLAB中,各個窗函數(shù)的調用函數(shù)均已給出()且用法比較簡單,所以為了更好的比較、區(qū)別、分析及選擇各個窗函數(shù),特對各函數(shù)的幅度特性進行比較。如果找到的窗函數(shù)形狀,使其譜函數(shù)的主瓣包含更多的能量,則相應的旁瓣幅度就能減小,而旁瓣的減小可使通帶阻帶波動減小,加大阻帶衰減,但這樣總是以加寬過渡帶為代價的。在MATLAB中,實現(xiàn)矩形窗的函數(shù)為blackman,其調用格式為w=blackman(N)。布拉克曼(Blackman window) (314)布拉克曼的主瓣寬度是矩形窗主瓣寬度的三倍,為12π/N。海明窗(Hamming window)海明窗函數(shù)是一種改進的升余弦函數(shù),其時域表達式為: (312)其幅度頻率特性為: (313)其主瓣寬度為8π/N,能量更集中在主瓣之中,%,第一旁瓣的峰值比主瓣小40dB。漢寧窗(Hanning window)漢寧窗函數(shù)又稱升余弦函數(shù),其時域表達式為: (310)其頻率響應為: (311)其主瓣寬度為8π/N,能量更集中在主瓣之中。三角形窗(Triangular window) (38)其頻率響應為: (39)其主瓣寬度為8π/N,第一副瓣比主瓣低26dB。它的定義為: (36)其頻率響應為: (37)主瓣寬度為4π/N,第一副瓣比主瓣低13dB。因此必須對各種窗函數(shù)有相應的了解。這樣,線性相位FIR濾波器零點分布特點是零點必須是互為倒數(shù)的共軛對,確定其中一個,另外三個零點也就確定了。(4) h(n)=h(Nn1),N=偶數(shù),其幅度特性在ω=0,2π處為零,即在z=1處有一個零點,且對ω=0,2π奇對稱,對ω=π呈偶對稱。(2) h(n)=h(Nn1),N=偶數(shù),其幅度特性的特點是對ω=π奇對稱的,且在ω=π處有一零點,使,這樣,對于高通和帶阻不適合采用這種情況。因此,對于兩類線性相位,下面將分四種情況討論其幅度特性特點。第二類線性相位特性是h(n)是實序列且對(N1)/2奇對稱,即h(n)=h(Nn1)。的線性相位是指是的線性函數(shù),即,為常數(shù) (33)如果滿足下式:,是起始相位 (34)以上兩種情況都滿足群延遲是一個常數(shù),即一般稱滿足(33)為第一類線性相位;滿足(34)為第二類線性相位。FIR濾波器的設計任務是選擇有限長度的h(n),使傳遞函數(shù)滿足技術要求。穩(wěn)定和線性相位特性是FIR濾波器突出的特點。設FIR濾波器單位脈沖響應h(n)長度為N,其系統(tǒng)函數(shù)H(z)為H(z)是的(N1)次多項式,它在z平面上有(N1)個零點,原點z=0是(N1)階重極點。為得到線性相位特性,必須增加相位校正網(wǎng)絡,使濾波器設計變得復雜。整個設計過程都是在理論分析的基礎上,用MATLAB語言來進行編程設計,并最終通過具體濾波器指標來加以實現(xiàn)的。IIR濾波器的設計步驟分為三步,即模擬低通濾波器設計,模擬數(shù)字濾波器變換,濾波器的頻帶變換。數(shù)字帶阻濾波器幅頻響(db)39。plot(w/pi,db)。數(shù)字帶阻濾波器幅頻響|H(ejOmega)|39。plot(w/pi,mag)。 %頻率變換法設計巴特沃斯帶阻濾波器[b0,B,A]=dir2cas(b,a) %數(shù)字帶阻濾波器級聯(lián)型[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(b,a)。stop39。[N,wn]=buttord(Wp/pi,Ws/pi,Ap,As)。Ap=1。Wp=[*pi,*pi]。從而可得數(shù)字帶阻濾波器的傳遞函數(shù)表達式為: (225)接下來,基于MATLAB利用巴特沃斯模擬濾波器舉例,設計一數(shù)字帶通濾波器,,通帶內衰減不大于1dB,阻帶內衰減不小于30dB。帶通數(shù)字濾波器幅頻響(db)39。plot(w/pi,db)。帶通數(shù)字濾波器幅頻響|H(ejOmega)|39。plot(w/pi,mag)。 %頻率變換法設計巴特沃斯帶通濾波器[b0,B,A]=dir2cas(b,a) %數(shù)字帶通濾波器級聯(lián)型[db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(b,a)。bandpass39。[N,wn]=buttord(Wp/pi,Ws/pi,Ap,As)。Ap=3。Wp=[*pi,*pi]。從而可得數(shù)字帶通濾波器的傳遞函數(shù)表達式為: (221)接下來,基于MATLAB利用巴特沃斯模擬濾波器舉例,設計一數(shù)字帶通濾波器,,帶通內衰減不大于3dB,阻帶內衰減不小于18dB。高通數(shù)字濾波器幅頻響(db)39。plot(w/pi,db)。高通數(shù)字濾波器幅頻響|H(ejOmega)|39。plot(w/pi,mag)。)。[N,wn]=buttord(Wp/pi,Ws/pi,Ap,As) %計算巴特沃斯濾波器階次和截至頻率[b,a]=butter(N,wn,39。Ap=1。Wp=*pi。 模擬低通濾波器轉換成數(shù)字高通濾波器若已知模擬低通濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s),則模擬低通濾波器s平面到數(shù)字高通濾波器的Z平面的變換公式為: (215)頻率變換公式為: (216)從而得到數(shù)字高通濾波器的傳遞函數(shù)表達式為: (217)接下來,基于MATLAB利用巴特沃斯模擬濾波器舉例,設計一數(shù)字高通濾波器,,通帶內衰減不大于1dB,,阻帶內衰減不小于15dB,采樣周期為Ts=1。設計這三種濾波器的方法有很多,例如基于模擬濾波器轉換法的IIR數(shù)字濾波器設計,基于直接數(shù)字域法的IIR數(shù)字濾波器設計等等。[bp
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