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正文內(nèi)容

基于matlabgui的數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)論文(參考版)

2025-06-30 18:17本頁面
  

【正文】 本人授權(quán)      大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。作 者 簽 名:       日  期:        指導(dǎo)教師簽名:        日  期:        使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的規(guī)定,即:按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的印刷本和電子版本;學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的印刷本和電子版,并提供目錄檢索與閱覽服務(wù);學(xué)??梢圆捎糜坝 ⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文;在不以贏利為目的前提下,學(xué)??梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。盡我所知,除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果,也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。最后,我要感謝所有在我成長的道路上及完成畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,關(guān)心、支持、幫助過我的人們,我所取得的每一點(diǎn)成績都與你們的努力聯(lián)系在一起,再一次向你們每個人致以深深的謝意。在我的論文的撰寫及程序調(diào)試的過程中,即便是小問題,他們也熱情的幫助我,他們在學(xué)習(xí)上、工作上對我的大力支持使我獲益非淺。在此向她表示崇高的敬意和衷心的感謝。首先,我要感謝的是我的導(dǎo)師張鳴老師,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與論文的撰寫是在我的導(dǎo)師張老師的悉心指導(dǎo)下完成的, 張鳴老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),而且待人誠懇,有耐性,她對細(xì)節(jié)性的東西要求非常嚴(yán)格,這點(diǎn)是我要學(xué)習(xí)的,因?yàn)椤凹?xì)節(jié)決定成敗”。3)利用所學(xué)知識改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),豐富界面內(nèi)容,優(yōu)化界面設(shè)計(jì),使數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變得完美。對本論文沒有涉及到的數(shù)字信號處理知識進(jìn)行仔細(xì)研究。數(shù)字信號處理是一個不斷更新和飛速發(fā)展的領(lǐng)域,它廣泛地應(yīng)用在通信、控制、生物醫(yī)學(xué)、遙測遙感、地址勘探、航空航天、自動化儀表等眾多領(lǐng)域,因此,學(xué)生要在有限的時間內(nèi)掌握數(shù)字信號處理十分重要。5)測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。4)對實(shí)驗(yàn)界面進(jìn)行初步測試,針對每一個實(shí)驗(yàn)界面,根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求作出相關(guān)分析并得出結(jié)論。然后根據(jù)圖形用戶界面的設(shè)計(jì)步驟與原則,利用MATLAB GUI對實(shí)驗(yàn)的各個界面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。主要工作安排如下:1)對實(shí)驗(yàn)平臺中涉及數(shù)字信號處理中的基本原理和概念進(jìn)行了分析,熟悉實(shí)驗(yàn)原理。4 結(jié) 論 工作總結(jié) 本論文針對數(shù)字信號處理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究,利用MATLAB GUI開發(fā)設(shè)計(jì)出了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺。 本章小結(jié)本章主要對設(shè)計(jì)出來的各個實(shí)驗(yàn)界面進(jìn)行測試,包括對開始引導(dǎo)界面、實(shí)驗(yàn)主界面、各個實(shí)驗(yàn)子界面(離散系統(tǒng)的時頻域分析界面、離散傅里葉變換界面、快速傅里葉變換界面、IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)界面、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)界面)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了測試。左上圖為所設(shè)計(jì)的帶通濾波器幅頻圖,右上圖為其相頻圖,左下圖為原始混和正弦波信號圖,右下圖為濾波生成信號圖[19]~[20]。下面通過實(shí)驗(yàn)界面展現(xiàn)FIR濾波器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用之一——信號去噪。(a) 等波紋法設(shè)計(jì)的FIR帶阻濾波器(b) 等波紋法設(shè)計(jì)的低通濾波器 等波紋法設(shè)計(jì)FIR濾波器界面測試 通過實(shí)驗(yàn)界面,可以編輯濾波器的參數(shù)而達(dá)到不同濾波器的設(shè)計(jì),同時實(shí)驗(yàn)界面輸出了所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻圖、相頻圖、幅值衰減圖、實(shí)際脈沖響應(yīng)圖,方便對所設(shè)計(jì)濾波器的特性分析,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)界面預(yù)期的要求。當(dāng)輸入濾波器的指標(biāo)為:、(a)所示。2) 測試結(jié)果及分析在本界面的測試中,可以通過改變?yōu)V波器的指標(biāo)而達(dá)到不同濾波器的設(shè)計(jì)。當(dāng)所設(shè)計(jì)的是低通濾波器時,A=[1 1 0 0]。在MATLAB中,等波紋法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的M實(shí)現(xiàn)一般通過調(diào)用remez函數(shù)來實(shí)現(xiàn),其調(diào)用格式為:h=remez(M,f,A,weights)。一般情況下,在要求逼近精度高的頻帶,取值大,要求逼近精度低的頻帶,取值小。它的設(shè)計(jì)思想就是使全頻段上的最大波動達(dá)到最小,而且通過加權(quán)使得通帶波動和阻帶波動控制到規(guī)定的比例。(2)當(dāng)輸入?yún)?shù)為、采樣點(diǎn)數(shù)為25時,(b)所示,通過界面便可以清楚的觀察到濾波器的幅頻特性圖、相頻特性圖、幅頻衰減特性圖以及實(shí)際脈沖響應(yīng)圖,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)先要求。 2)測試結(jié)果及分析在本界面的設(shè)計(jì)測試中,可以通過改變頻率采樣點(diǎn)數(shù)的多少和濾波器的相關(guān)截止頻率參數(shù)來完成該界面的測試與分析。然而,想要在頻域逼近頻率響應(yīng)函數(shù)而完成FIR濾波器的設(shè)計(jì),便是本節(jié)介紹的頻率采樣法。這種逼近實(shí)在時域中進(jìn)行的。(a)所示,(b)所示通過觀察,可以清楚了解所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻特性、相頻特性、實(shí)際脈沖響應(yīng),設(shè)計(jì)的結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)的預(yù)先要求。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),6張窗函數(shù)都符合選擇。 %求得所設(shè)計(jì)的脈沖響應(yīng)2)測試結(jié)果及分析在這里以帶通濾波器的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,對窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。 %求截止頻率 hd=ideallp(wc,N)。 %實(shí)現(xiàn)第一類偶對稱濾波器,確保N為奇數(shù)wdham=(hamming(N))39。 %計(jì)算過渡帶寬N0=ceil(*pi/deltaw)。,window)。 %調(diào)用窗函數(shù)b2=fir1(n,Wn,39。當(dāng)窗函數(shù)的寬度N已知時,可以通過直接調(diào)用所選的窗函數(shù)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì),例如用切比雪夫窗設(shè)計(jì)帶通濾波器,具體調(diào)用如下:Wn=[A B]。由理想線性相位濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)經(jīng)傅里葉逆變換得到理想線性相位濾波器的沖擊響應(yīng)。如果出了待求濾波器的頻率響應(yīng),那么通過傅里葉逆變換就可以求出: ()如果沒有給出待求濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù),那么我們必須構(gòu)建逼近的,即: ()如果較復(fù)雜,或者不能用封閉公式表示,則不能用式()求出。然后根據(jù)過渡帶寬度估計(jì)窗口長度N,根據(jù)待求濾波器的過渡帶寬小于給定的設(shè)計(jì)指標(biāo),且近似與窗口長度成反比,A取決于窗口類型,例如,矩形窗的,哈明窗的等,參數(shù)的近似各精確值參考表31。在用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器時,其設(shè)計(jì)步驟如下:(1)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(、和),選擇窗函數(shù)的類型,并估計(jì)窗口長度N。因?yàn)榇昂瘮?shù)所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的頻率響應(yīng)為: ()因?yàn)榭梢钥闯税杨l譜函數(shù)展開為傅里葉級數(shù),其各個分量的系數(shù)為,也就是對應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)。(a) 矩形窗與三角窗的幅頻曲線(b) 布萊克曼窗與巴特利窗的幅頻曲線 常見窗函數(shù)實(shí)驗(yàn)測試在這里,以矩形窗、三角窗、布萊克曼窗、巴特利窗為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,通過觀察,我們可以清楚地觀察到窗的寬度及其頻譜衰減特性,實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)先的要求。因此,能使新對信號進(jìn)行截?cái)噙x取的函數(shù)我們稱之為窗函數(shù)。 常見的窗函數(shù)在數(shù)字信號處理中,往往需要把信號的觀察時間限制在一定是時間范圍內(nèi),只需要選擇一段時間信號對其進(jìn)行分析。在這里介紹的FIR濾波器是選擇有限長度的,使傳輸函數(shù)滿足技術(shù)要求。(a) 巴特沃斯低通濾波實(shí)驗(yàn)測試(b) 切比雪夫1型帶通濾波實(shí)驗(yàn)測試 IIR濾波器應(yīng)用界面實(shí)驗(yàn)測試 FIR濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是基于模擬濾波器成熟的理論以及設(shè)計(jì)圖表進(jìn)行分析,因而保留了一些典型模擬濾波器優(yōu)良的幅度特性,由于沒有考慮到相位特性,往往涉及的濾波器相位特性是非線性的。在這里設(shè)有3個正弦信號頻率分別為300Hz,500Hz,1000Hz,將這3個信號進(jìn)行疊加,顯示合成信號頻譜,(a)顯示通過巴特沃斯低通濾波器分離出300Hz和500Hz的信號,(b)顯示通過切比雪夫I型帶通濾波器識別出1000Hz的信號,并顯示低通和帶通濾波器的圖形及經(jīng)過濾波器后的信號頻譜圖。 (a) 切比雪夫1型帶阻濾波器 (b) 巴特沃斯帶阻濾波器 直接法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)測試 IIR濾波器的應(yīng)用通過前面對IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的討論,了解到數(shù)字濾波器的應(yīng)用是非常廣泛的。(a)所示,(b)所示,利用直接法設(shè)計(jì)數(shù)字帶阻濾波器的相關(guān)特性曲線都已繪制出來了,通過實(shí)驗(yàn)界面,可以清楚地觀察和分析數(shù)字高通濾波器的幅頻、相頻特性曲線、衰減特性曲線和群延遲曲線。(4)[b,a]=cheby2(n,wn):返回新設(shè)計(jì)的截止頻率為wn(wn必須為整數(shù))的n階切比雪夫2型模擬濾波器的分子系數(shù)b和分母系數(shù)a(按照降冪排列)(5)[b,a]=ellip(n,wn):返回新設(shè)計(jì)的截止頻率為wn(wn必須為整數(shù))的n階橢圓型模擬濾波器的分子系數(shù)b和分母系數(shù)a(按照降冪排列)而且通過函數(shù)的聲明,我們可以完成低通、帶通、帶阻、高通的濾波器設(shè)計(jì),具體函數(shù)聲明如下:例如:[b,a]=Besself(n,wn,‘low’)用來設(shè)計(jì)低通貝塞爾濾波器;[b,a]=Besself(n,wn,‘high’)用來設(shè)計(jì)高通貝塞爾濾波器;[b,a]=Besself(n,wn‘stop’)是用來設(shè)計(jì)帶阻貝塞爾濾波器;[b,a]=Besself(n,wn‘pass’)是用來設(shè)計(jì)帶通貝塞爾濾波器。這些函數(shù)與數(shù)字濾波器的階數(shù)選擇函數(shù)配合使用,可以為特殊情況下濾波器的設(shè)計(jì)返回所需要的最小階數(shù)N和固有頻率Wn。 (a) 橢圓型高通IIR濾波器 (b) 切比雪夫2型高通IIR濾波器 雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)測試 直接函數(shù)法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器1)基本原理在以上章節(jié)中介紹的是濾波器的典型濾波器的設(shè)計(jì)方法,值得慶幸的是,MATLAB信號處理工具箱中提供了幾個直接設(shè)計(jì)IIR濾波器的函數(shù)。通過其幅頻特性曲線我們可以觀察到,(a)中,通帶與阻帶的譜線都是等波紋的,與橢圓濾波器的幅頻性質(zhì)一致;(b)中,可以觀察到其幅值在通帶是迅速衰減的,在阻帶是等波紋的,滿足切比雪夫2型濾波器的特性。 ,(a)所示,(b)所示。2)測試結(jié)果及分析在這里,以數(shù)字高通濾波器的設(shè)計(jì)為例來測試雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)。此時所采用的雙線性變換為: () (2)[ad,bd,cd,dd]=bilinear(a,b,c,d),將采用狀態(tài)空間模型表達(dá)的模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。在MATLAB中,利用雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時,通過調(diào)用bilinear函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),其常用調(diào)用方式有以下兩種:(1)[zd,pd,kd]=bilinear(z,p,k,fs),將采用零極點(diǎn)模型表達(dá)的模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。這樣便有 ()再通過轉(zhuǎn)換到平面上,得到: () ()()式或(。為了克服這一缺點(diǎn),可以采用非線性頻率壓縮方法,將整個頻率軸上的頻率范圍壓縮到之間,再用轉(zhuǎn)換到平面上。 (a) 切比雪夫1型IIR低通濾波器 (b) 巴特沃斯型IIR低通濾波器 脈沖響應(yīng)不變法數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)測試 雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器1)基本原理脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點(diǎn)是會產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象,使數(shù)字濾波器的頻響偏移模擬濾波器的頻響。觀察其頻譜圖,發(fā)現(xiàn)巴特沃斯低通濾波器,在其頻譜曲線中通帶、阻帶都是迅速衰減的,符合巴特沃斯濾波器幅頻特性曲線的性質(zhì)。(a)所示,界面中明確的表示出了切比雪夫1型低通濾波器的幅頻、相頻特性曲線以及極點(diǎn)分布圖。2)測試結(jié)果及分析在這里以數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)為例來測試脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)的性能。這兩種方法設(shè)計(jì)的思想是:在設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的過程中,首先先按照技術(shù)要求設(shè)計(jì)一個模擬低通濾波器,得到的模擬低通濾波器的傳輸函數(shù)為,在按照一定的頻帶轉(zhuǎn)換關(guān)系將轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù),然后通過一定的數(shù)字濾波器頻帶轉(zhuǎn)換方式,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的帶通、帶阻、高通濾波器。在濾波器的測試結(jié)果中,它明確的表示出了巴特沃斯高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器的幅頻特性圖、相頻特性曲線以及極點(diǎn)分析圖,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)先要求。調(diào)用方式如下:(1)[num1,dent]=lp2lp(num,den,wo):將用傳遞函數(shù)表示的、截止頻率為1rad/s的模擬低通濾波器變換為截止頻率為wo的模擬低通濾波器;(2)[num1,dent]=lp2hp(num,den,wo):將用傳遞函數(shù)表示的、截止頻率為1rad/s的模擬低通濾波器變換為截止頻率為wo的模擬高通濾波器;(3)[num1,dent]=lp2bp(num,den,wo,bw):將用傳遞函數(shù)表示的、截止頻率為1rad/s的模擬低通濾波器變換為中心頻率為wo,帶寬為bw的模擬帶通濾波器;(4)[num1,dent]=lp2bs(num,den,wo,bw):將用傳遞函數(shù)表示的、截止頻率為1rad/s的模擬低通濾波器變換為中心頻率為wo,帶寬為bw的模擬帶阻濾波器;2)測試結(jié)果及分析在這里,通過濾波器的頻帶轉(zhuǎn)換,根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的編輯可以設(shè)計(jì)出高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器。 ()(5)通過雙線性變換法可以將轉(zhuǎn)換成數(shù)字帶通濾波器。,可以得到模擬低通濾波器的傳輸函數(shù)。(3)將所需模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo),具體如下:歸一化最帶截止頻率為: ()歸一化通帶截止頻率為。(5)采用雙線性變換法,可以將所需類型的模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。 (3)將所需模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。其設(shè)計(jì)步驟如下:(1)確定所需類型濾波器的技術(shù)指標(biāo)。通過觀察巴特沃斯低通濾波器的幅頻圖,可以發(fā)現(xiàn)其通帶和阻帶都有平坦的幅度響應(yīng)
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