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1、本科毕业设计(论文)题目: 基于MATLAB的数字滤波器设计 姓 名: 学 号： 02452102 专 业: 电子信息工程 指导教师: 职 称: 讲 师 2006年 月 日陈亮：基于MATLAB的数字滤波器设计摘 要本文分别研究了在MATLAB环境下IIR数字滤波器和FIR数字滤波器的设计方法及实现方法，并进行图形用户界面设计，以显示本文所介绍滤波器的特性。在无限脉冲响应（IIR）数字滤波器设计中，先进行模拟滤波器的设计，然后进行模拟-数字滤波器转换，即采用脉冲响应不变法及双线性Z变化法设计数字滤波器，最后进行滤波器的频带转换。在有限脉冲响应（FIR）数字滤波器设计中，讨论了FIR线性相位滤波
2、器的特点和用窗函数法设计FIR滤波器两个问题。两类滤波器整个设计过程都是按照理论分析、编程设计、具体实现的步骤进行的。为方便分析者直观，形象，方便的分析滤波器的特性，创新的设计出了图形用户界面滤波器分析系统。整个系统分为两个界面，其内容主要包含四部分：System(系统)、Analysis(分析)、Tool(工具)、Help(帮助)。关键词：数字滤波器、MATLAB、无限脉冲响应、有限脉冲响应、图形用户界面AbstractIn this thesis, designs of the Infinite Impulse Response digital filter (IIR) and Finit
3、e 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 low-pass filter; secondly, it is analog-to-dig
4、ital 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 d
5、esign 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
6、 into two graphical interfaces, it contains four parts: System, Analysis, Tool and Help. Keywords: Digital Filter, MATLAB, IIR, FIR, Graphical User Interfaces 目 录第1章 绪论11.1 数字滤波技术11.1.1 滤波器原理21.1.2 数字滤波器设计方法概述21.2 MATLAB软件简介3第2章 IIR滤波器设计及其MATLAB实现52.1 模拟滤波器设计及其MATLAB实现52.1.1 巴特沃斯低通滤波器设计52.1.2 切比雪夫低通
7、滤波器设计72.1.3 椭圆低通滤波器设计112.2 模拟数字滤波器变换及其MATLAB实现132.2.1 脉冲响应不变法132.2.2 双线性Z变换法172.3 频带变换及其MATLAB实现192.3.1 模拟低通滤波器转换成数字高通滤波器192.3.2 模拟低通滤波器转换成数字带通滤波器212.3.3 模拟低通滤波器转换成数字带阻滤波器232.4 小结25第3章 FIR滤波器设计及其MATLAB实现263.1 线性相位FIR数字滤波器的条件和特点263.1.1 线性相位条件263.1.2 线性相位FIR滤波器幅度特性的特点273.1.3 线性相位FIR滤波器零点分布特点273.2 常用窗函
8、数及其MATLAB实现273.2.1 常用窗函数介绍273.2.2 各种窗函数的实现与比较293.3 基于窗函数的FIR数字滤波器设计及其MATLAB实现303.3.1 海明窗设计数字低通滤波器313.3.2 汉宁窗设计数字高通滤波器333.3.3 布拉克曼窗及三角窗设计数字带通滤波器353.3.4 汉宁窗设计数字带阻滤波器373.4 小结38第4章 图形用户界面设计-滤波器分析系统394.1 MATLAB中GUI设计技术特点394.1.1 GUIDE简介394.1.2 GUI设计规范及设计步骤404.2 滤波器分析系统及其MATLAB实现404.2.1 滤波器分析系统的初始界面414.2.2
9、 滤波器分析系统的主界面434.3 小结48第5章 总结49参考文献50致谢51 I第1章 绪论1.1 数字滤波技术数字滤波是数字信号处理的重要基础，数字信号处理主要是研究用数字或符号的序列来表示信号波形，并用数字的方式去处理这些序列，把它们改变成在某种意义上更希望的形式，以便估计信号的特征参量，或削弱信号中的多余分量和增强信号中的有用分量。数字滤波器在对信号的过滤、检测与参数估计等处理过程中，是使用最为广泛的一种线性系统。数字滤波器（Digital Filter，简称为DF）是指完成信号滤波处理功能的、用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统。数字滤波器的数学运算通常有两种实现方式。一种是
10、频域法，即利用FFT快速运算办法对输入信号进行离散傅立叶变换，分析其频谱，然后根据希望的频率特性进行滤波，再利用傅立叶反变换恢复出时域信号。这种方法具有较好的频域选择特性和灵活性，并且由于信号频率与所希望的频谱特性是简单的相乘关系，所以它比计算等价的时域卷积要快得多。另一种方法是时域法，这种方法是通过对离散抽样数据作差分数学运算来达到滤波目的的。数字滤波器的输入是一组（由模拟信号取样和量化的）数字量，其输出是经过数字变换的另一组数字量。数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出优点。随着数字技术的发展，用数字技术实现滤波器的功能愈来愈受到人们的重视，并得到了广泛的应用。数字信号处理学科的一
11、项重大进展是关于数字滤波器设计方法的研究。60年代中期，开始形成关于数字滤波器的一套完整的正规理论。这一时期，提出了各种各样的数字滤波器结构，有的以运算误差最小为特点，有的则以运算速度高见长；出现了数字滤波器的各种逼近方法和实现方法，对递归和非递归两类滤波器作了全面的比较；统一了数字滤波器的基本概念和理论，对有限冲激响应（IIR）和无限冲激响应（FIR）的认识有了完整理论。70年代后，科学技术蓬勃发展，数字信号处理开始与大规模和超大规模集成电路技术、微处理技术等新工艺新技术结合起来，并引进计算机辅助设计方法，大大丰富了数字滤波器的分析与设计，各种新的数字信号处理系统，也都能用专用数字硬件实时加
12、以实现。相信在未来，随着电子仪器与电子技术应用系统朝着数字化、小型化、自动化以及多功能化等方向发展，包括数字滤波器在内的数字信号处理技术会有以惊人的速度进行飞跃式发展。1.1.1 滤波器原理滤波器，顾名思义，其作用是对输入信号起到滤波的作用。对于图1-1所示的LSI系统，其时域输入输出关系为： (1-1)h (n) x(n) y(n) 图1-1若y(n),x(n)的傅立叶变换存在，则输入输出的频域关系是： (1-2)当输入信号x(n) 通过滤波器系统h(n) 后，其输出 y(n) 中不再含有|c的频率成分，仅使|c的信号成分通过。因此，滤波器的形状不同，其滤波后的信号结果也不一样。若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲激响应h(n)也必然是离散的，这种滤波器称为数字滤波器（DF，Digital Filter）。当用硬件实现一个DF时，所需元件是延迟器、乘法器和加法
