暑期实践报告基于matlab数字滤波器的设计文档下载

摘 要：利用MATLAB设计滤波器，可以按照设计要求非常方便地调整设计参数，极大地减 轻了设计的工作量，有利于滤波器设计的最优化。Matlab因其强大的数据处理功能被广泛应 用于工程计算，其丰富的工具箱为工程计算提供了便利，利用Matlab信号处理工具箱可以快 速有效地设计各种数字滤波器，设计简单方便。本文介绍了在MATLAB R2009a环境下滤波 器设计的方法和步骤。 关键词：滤波器，matlab, fdatool Abstract: By using MATLAB , we can design filters and modify the filters9parameters conveniently according to our demands. This relieves greatly design work loads and makes for optimization of filter designing. Matlab can be widely used in engineering calculations because of its powerful functions of data processing. Its rich toolbox makes the calculations easy. With Matlab signal processing toolbox, various digital filters can be designed effectively in simple way. This article introduce the methods and processes in the circumstance of MATLAB R2009a. Keywords： filter, matlab, fdatool 目录 1引言: 5 2滤波器简介 6 2.1滤波器的概念 6 2.2滤波器的发展过程 6 2.3滤波器的原理 7 2.4滤波器的分类 8 3 MATLAB 简介 10 3.1 MATLAB 的概况 10 3.2 MATLAB产生的历史背景 11 3.3 MATLAB的语言特点 12 3.4MTALAB 的功能 13 4方案设计 16 4.1巴特沃斯IIR滤波器的设计 16 4.2契比雪夫I型IIR滤波器的设计 16 4.3数字滤波器的设计 17 4.4数字滤波器simulink仿真及实现 错误！未定义书签。 结论 28 参考文献 29 致谢 错误！未定义书签。 1引言： 与模拟滤波器相对应，在离散系统中广泛应用数字滤波器。它的作用是利用离散时间 系统的特性对输入信号波形或频率进行加工处理。或者说，把输入信号变成一定的输出信 号，从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器一般可以用两种方法来实现：一种方法是 用数字硬件装配成一台专门的设备，这种设备称为数字信号处理机；另一种方法就是直接 利用通用计算机，将所需要的运算编成程序让通用计算机来完成，即利用计算机软件来实 现。 模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如：带通滤波器 用作频谱分析仪中的选频装置；低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波；高通 滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波 器，等等。 MATLAB是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统 环境。MATLAB是英文MATrix LAB oratory （矩形实验室）的缩写。在MATLAB环境 下，用户可以集成地进行程序设计，数值计算，图形绘制，输入输出，文件管理等各项操 作。除此之外，MATLAB还具有很强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种 各样的工具箱，以完成一些特定的任务。目前，Mathworks公司推出了 18种工具箱。用户 可以根据自己的工作任务，开发自己的工具箱。 2滤波器简介 2.1滤波器的概念 滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的交流 电。您可以通过基本的滤波器积木块一-二阶通用滤波器传递函数，推导出最通用的滤波 器类型：低通、带通、高通、带阻和椭圆型滤波器。 传递函数的参数一一fO、d、hHP、hBP和hLP,可用来构造所有类型的滤波器。转降 频率fO为s项开始占支配作用时的频率。设计者将低于此值的频率看作是低频，而将高 于此值的频率看作是高频，并将在此值附近的频率看作是带内频率。阻尼d用于测量滤波 器如何从低频率转变至高频率，它是滤波器趋向振荡的一个指标。实际阻尼值从0至2变 化。高通系数hHP是对那些高于转降频率的频率起支配作用的分子的系数。带通系数hBP 是对那些在转降频率附近的频率起支配作用的分子的系数。低通系数hLP是对那些低于转 降频率的频率起支配作用的分子的系数。设计者只需这5个参数即可定义一个滤波器。 2.2滤波器的发展过程 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类控制系统 中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。 滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917年美国和德国科学家分别发明了 LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系 统的出现。50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料 工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、 稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的 主攻方向，导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波 器的飞速发展。到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成被研制出来并得到应用。80 年代致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩大应用范围。90年代至今在主要致力 于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 我国广泛使用滤波器是50年代后的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半 个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产应用等方面已有一定进步，但由于缺少专门研制 机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使许多新型滤波器的研制应用与国际水平有一段距 离。 2.3滤波器的原理 凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或 系统都称之为滤波器，相当于频率“筛子”。滤波器的功能就是允许某一部分频率的信 号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。 滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰 减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤 波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之 间存在一定频率范围的过渡带。 理想滤波器与实际滤波器： a, 理想滤波器的频率特性 理想滤波器:使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻喧内的频率成分都衰减为零的 滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。 如理想低通滤波器的频率响应函数为 Ao/-/H'nr(|w|Wc 理想滤波器实际上并不存在。 b, 实际滤波器 实际滤波器的特性需要以下参数描述： 1) 恒部平均值A0：描述通带内的幅频特性；波纹幅度：do 2) 上、下截止频率：以幅频特性值为A0/2时的相应频率值WC1, WC2作为带通滤波 器的上、下截止频率。带宽B=Wc2-Wcla 因为201g也堕=-3龙 所以B = Wc2-Wc\也称“-3dB”带宽 Ao 3) 选择性：实际滤波器过渡带幅频曲线的倾斜程度表达了滤波器对通带外频率成 分的衰减能力，用信频程选择性和滤波器因素人描述。 信频程选择性：与上、下截止频率处相比，频率变化一倍频程时幅频特性的衰减量, 即倍频程选择性：=201g[A(2Wc2)/A(Wc2)] 或=201g[A(2Wci)/A(Wci)]信频程选择性总 是小于等于零，显然，计算信量的衰减量越大，选择性越好。 滤波器因素人：-60dB处的带宽与一3dB处的带宽之比值，即人越小,选择性越好. 分辨力：即分离信号中相邻频率成分的能力，用品质因素Q描述。 „ _ W（） _ yJWci-Wc2 —6-3 彼—WC2-阳 Q越大，分辨率越高。 C,实际带通滤波器的形式 1） 恒定带宽带通滤波器：B=常量，与中心频率fO无关。 2） 恒定百分比带通滤波器：在高频区恒定百分比带通滤波器的分辨率比恒定带宽带 通滤波器差。 2.4滤波器的分类 从大的方面分，滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器有电阻，电容，电 感，及由原器件构成；实际中数字滤波器应用的比较广泛。从实现方法上分，数字滤波器 分为IIR和FIR,即无限冲激响应滤波器和有限冲激响应滤波器；其中IIR网络中有反馈 回路，FIR网络中没有反馈回路。 从小的方面分： a. 按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 b. 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪 声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 c. 按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种： 无源滤波器：仅由无源元件（R、L和C）组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的 电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直 流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电 感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不 适用。 有源滤波器：由无源元件（一般用R和C）和有源器件（如集成运算放大器）组成。这类 滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显， 多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体 积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如 集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、 高频、大功率的场合不适用。 滤波器种类繁多，下面着重介绍近年来发展很快的几种滤波器。 a. 有源滤波器 有源滤波器由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率 变阻器（FDNR）、广义阻抗变换器（GIC）、负阻抗变换器（NIC）、正阻抗变换器（PIC）、 负阻抗倒置器（NII）、正阻抗倒置器（PII）、四种受控源，另外，还有病态元件极子和 奇于。 b. 开关电容滤波器（SCF） SCF具有下列一些优点：可以大规模集成；精度高；功能多，几乎所有电子部件和功 能均可以由SC技术来实现；比数字滤波器简单，因为不需要A/D, D/A转换；功能小，可 以做到。 SCF的应用情况：以声频范围应用为主体，工作频率在lOOKHz之内；在信号处理方面 的应用有：程控SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、 语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变 换……。总之，SCF在仪表测量、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域都有广泛的应用 前景。 c. 几种新型数字滤波器（DF） 1） 自适应DF 自适应DF具有很强的自学习、自跟踪功能。它在雷达和声纳的波束形成、缓变噪声 干扰的抑制、噪声信号的处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获 得了广