基于matlab的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-閱讀頁(yè)
2025-07-03 14:41本頁(yè)面
【正文】 結(jié)構(gòu)：IIR 濾波器是遞歸結(jié)構(gòu)，極點(diǎn)必須在平面單位圓內(nèi)，才能穩(wěn)定，否則引起極基于 Matlab 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)17點(diǎn)偏移甚至寄生震蕩。兩種濾波器的特點(diǎn)分析比較IIR 濾波器 FIR 濾波器設(shè)計(jì)方法 可利用模擬濾波器的現(xiàn)成公式、數(shù)據(jù)和公式，工作量少無(wú)現(xiàn)成公式，借助計(jì)算機(jī)程序完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 遞歸結(jié)構(gòu) 主要是非遞歸結(jié)構(gòu)性能 犧牲非線性獲得較好的選擇性 增大階數(shù) N 來(lái)獲得較好的選擇性相位 需要增加結(jié)構(gòu)對(duì)相位進(jìn)行糾正 本身可以保持嚴(yán)格相位穩(wěn)定性 只有極點(diǎn)在平面單位圓內(nèi)才能保證穩(wěn)定理論還是實(shí)際都穩(wěn)定 IIR 濾波器和 FIR 濾波器的 Matlab 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一由 50HZ、150HZ 、300HZ 三個(gè)頻率構(gòu)成的混合正弦信號(hào)，在抽樣頻率是1000HZ，帶通濾波器在通帶臨界頻率 Wp 是 110HZ 和 190HZ，阻帶臨界頻率 Ws 是80HZ 和 220HZ，通帶內(nèi)最大衰減 Rp 是 1，阻帶內(nèi)最小衰減 Rs 是 50 的情況下進(jìn)行濾波，濾出 150HZ 的頻率信號(hào)，然后低通濾波器通帶臨界頻率 Wp 是 60HZ，阻帶臨界頻率 100HZ，通帶內(nèi)最大衰減 Rp 是 1，阻帶內(nèi)最小衰減 Rs 是 50 的情況下濾出 50HZ頻率信號(hào)。觀察原來(lái) 150HZ 的信號(hào)波形和經(jīng)過(guò)兩種帶通濾波器濾波后，都能把所需要的頻率信號(hào)保留下來(lái)，只是相位發(fā)生了一定的相移。圖 310 混合正弦信號(hào)在漢寧窗帶通濾波器與布拉克曼窗帶通濾波器濾波后結(jié)果由圖 310，在 FIR 的漢寧窗帶通濾波和布拉克曼窗的帶通濾波的情況下，其都沒(méi)有把 50HZ 的頻率完全濾除，而且布拉克曼窗所保留的 50HZ 的頻率比漢寧窗要保留得多，因?yàn)槊黠@可以從頻譜圖上看出，布拉克曼 50HZ 的幅度大于漢寧 50HZ 的幅度，而且布拉克曼的頻譜圖中，并沒(méi)有把 300HZ 的頻率完全濾除,因此造成經(jīng)過(guò)濾波器后的波形與原波形有較大的差異。不同的是，IIR 濾波器過(guò)渡帶窄，而 FIR 濾波器主瓣寬度沒(méi)有巴特沃斯過(guò)渡帶窄，上圖可以看出來(lái)，在本次的參數(shù)條件下，能把50HZ 和 150HZ 成功濾除的只有巴特沃斯帶通濾波器和矩形窗帶通濾波器，而漢寧窗和布拉克曼窗的主瓣寬度較大其中布拉克曼窗的主板寬度最大，其次是漢寧窗然后是基于 Matlab 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)22矩形窗，因此就對(duì)上部分為什么漢寧窗帶通沒(méi)有把 50HZ 的頻率濾除干凈，而布拉克曼窗的帶通濾波器沒(méi)有把 50HZ 和 150HZ 的頻率濾除干凈有了解釋?zhuān)驗(yàn)樵?50HZ 這一頻率處，漢寧窗和布拉克曼窗的幅度不為零，而且布拉克曼的幅度大于漢寧窗的，所以濾出的頻譜圖中 50HZ 的幅度布拉克曼大于漢寧窗的幅度，而且通過(guò)布拉克曼窗濾波器后，連 300HZ 的頻率也保留下來(lái)一部分。而 FIR 矩形窗低通濾波后雖然把 50HZ的頻率保存了下來(lái)，并且也成功的濾除了 300HZ 的頻率，但是從濾波后的頻譜圖可以明顯看出來(lái)，50HZ 頻率的幅度明顯比原來(lái)幅度小了一半，150HZ 的頻率并沒(méi)有濾除干凈。但對(duì)于 FIR 矩形窗低通濾波器，其濾出的信號(hào)波形和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)有很大差別，不僅幅度比原信號(hào)小，而且相位平移的幅度也比巴特沃斯濾波后的大。值得注意的是，無(wú)論漢寧窗低通濾波還是布拉克曼窗低通濾波，都有小部分的 150HZ 頻率信號(hào)保存了下來(lái)，其中布拉克曼窗的 150HZ 頻率保留的相對(duì)比漢寧窗大?；?Matlab 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)24圖 315 巴特沃斯、矩形窗、漢寧窗和布拉克曼窗在同樣條件下的低通頻譜圖 316 巴特沃斯、矩形窗、漢寧窗和布拉克曼窗在同樣條件下的低通頻譜由圖 315 和圖 316 的巴特沃斯、矩形窗、漢寧窗和布拉克曼窗的頻譜圖可以看出，在 50HZ 時(shí)，只有巴特沃斯能完整的保留 50HZ 頻率信號(hào)，而 FIR 的三種窗函數(shù)，因?yàn)橹靼甑南陆翟?，這就造成了只保留了一部分的 50HZ 頻率信號(hào)，并且在 50HZ 頻率的時(shí)候，布拉克曼的幅值漢寧窗的幅值 矩形窗的幅值，這就造成了上面濾除波形的信基于 Matlab 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)25號(hào)圖和頻譜圖中，50HZ 頻率的幅值時(shí)，原 50HZ 頻率幅值≈巴特沃斯低通濾波器濾波幅值布拉克曼低通濾波的幅值 漢寧窗低通濾波的幅值 矩形窗濾波的幅值，而在150HZ 頻率處和以上一樣。但是一幅圖像是非常復(fù)雜的，圖像信息和文字信息不同，它的信息量要占據(jù)很大的存儲(chǔ)空間，并且要對(duì)設(shè)備的可靠性和圖像的保真度有很大的技術(shù)要求，彩色圖像的要求更為嚴(yán)格。因此，我們考慮到對(duì)所傳輸?shù)膱D像在保證不是真、信息的傳遞不出錯(cuò)的情況下對(duì)其進(jìn)行壓縮。 數(shù)字濾波器在圖像處理中的實(shí)現(xiàn)利用上面相同的參數(shù)在 N=13，Wn= 的條件下，知道 N 和 Wn 的方式為把以上語(yǔ)句中[N,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs)。下圖為在抽樣頻率為 1000HZ，階數(shù)為 13，截止頻率為 的條件下，巴特沃斯和布拉克曼窗的頻譜圖圖 42 巴特沃斯和布拉克曼窗頻譜圖由上圖可以明顯看出，在頻率是 100HZ 的時(shí)刻，巴特沃斯函數(shù)的幅度接近為零，而在相同的條件下，布拉克曼窗在 100HZ 的時(shí)候幅度還很大，知道 250HZ 的頻率后，幅度才逐漸減為零，那么對(duì)于濾除高頻成分顯然巴特沃斯的濾出效果要比布拉克曼窗的效果好很多。結(jié)果：圖 43 對(duì)彩色圖像用巴特沃斯低通濾對(duì)比圖圖 44 對(duì)彩色圖像用布拉克曼窗低通濾對(duì)比圖由圖 43 和圖 44 的濾波結(jié)果可知，兩種方式都使原彩色圖像的邊緣變得模糊，說(shuō)明圖像的高頻率部分被濾除了，但是巴特沃斯的邊緣模糊情況要比布拉克曼的情況基于 Matlab 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)29嚴(yán)重，即巴特沃斯的濾出效果要比布拉克曼的效果好。所以，對(duì)于最后的低通濾波效果，巴特沃斯的最好，這樣在不失去基本信息量的情況下可以減少了圖像的數(shù)據(jù)量，這樣也對(duì)圖像的壓縮過(guò)程減少了很大負(fù)擔(dān)。整個(gè)過(guò)程充斥著糾結(jié)，充實(shí)和小小成功后的滿足。論文開(kāi)始其實(shí)自己掉以輕心了，雖然曾經(jīng)學(xué)過(guò)數(shù)字信號(hào)和 Matlab，但是再入手發(fā)現(xiàn)都已經(jīng)幾乎忘記了，而且曾經(jīng)自己掌握的很淺顯，根本不深入，理論知識(shí)也理解的不夠透徹。對(duì)于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，有很多方式進(jìn)行選擇，重要的是要根據(jù)實(shí)際的情況與條件選擇數(shù)字濾波器的類(lèi)型并且選擇合適的參數(shù)數(shù)值，這樣才能實(shí)現(xiàn)期望的效果。我們都知道，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，性能的仿真是十分重要的部分，它既能縮短設(shè)計(jì)的的時(shí)間也能大大減少后期的各種投入。當(dāng)然，過(guò)程中很多困難，比如理論知識(shí)的不足，不扎實(shí)，論文方向的錯(cuò)誤等等，這就需要自己能沉下心去查閱資料發(fā)現(xiàn)解開(kāi)答案的鑰匙，去尋求幫助，來(lái)解開(kāi)迷霧。而且在濾波器的設(shè)計(jì)方面，我只是小模塊的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)其功能，整體來(lái)說(shuō)不夠完善。 這次畢設(shè)為我的大學(xué)生涯畫(huà)上了句號(hào)，很高興我能在老師和同學(xué)的幫助下，和自己的努力下，完成了這個(gè)大學(xué)中最后的一個(gè)作業(yè)。在這期間真的讓我感觸很深，譚談老師精心的按照我們不同題目分配給我們每一階段的任務(wù)，并且安排好時(shí)間表，查看我們的論文進(jìn)度和解決我們過(guò)程中所遇到的難題，更重要的是譚老師給我們很多寶貴的建議，比如自己論文思路的方向改進(jìn)以及推薦有用的資料等，她幾乎把所有自己休息的時(shí)間給了我們，譚老師這種無(wú)私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神值得我們每一個(gè)人學(xué)習(xí)。在論文進(jìn)行過(guò)程中遇到困難，第一個(gè)想到的就是能去那找到自己所想要的答案，然后珍惜的謹(jǐn)記那份解決問(wèn)題后的小小滿足的快樂(lè)，給我很大的動(dòng)力去繼續(xù)完成任務(wù)。再次，我還要感謝實(shí)驗(yàn)室工作的老師們，真因?yàn)樗麄冋J(rèn)真負(fù)責(zé)的工作，才有便利的實(shí)驗(yàn)條件供我們使用，才有今天的我。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)艱苦而又漫長(zhǎng)的過(guò)程，但是其中的酸甜苦辣咸只有親自經(jīng)歷過(guò)才能深深體會(huì)它們的意義?；?Matlab 的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)32參考文獻(xiàn)[1]（第三版）.清華大學(xué)出版社，[2]維基百科[3]、現(xiàn)在與未來(lái)[J].世界電子元器件 （4）：48~49[4][J]..(02):1~4[5] 于成波、楊菁、楊如民、 MATLAB .[6] MATLAB .[7]（MATLAB 版）.人民郵電出版社 .[8] [9] MATLAB 對(duì)彩色圖像進(jìn)行低通濾波 .北京交通大學(xué) [10] 輔助圖像處理 .[11] ： [基于雙二階的CMOS 集成SC濾波器的研究和設(shè)計(jì) 學(xué)位論文].授予單位所在地：華中師范大學(xué)，2022年[12]Holly for Engineers Sencond Edition. Mechanical Industry Press,2022[13]Sanjit Signal Processing –A ComputerBased Approach
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