基于MATLAB的IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計 (論文)開題報告信息與電子工程 系電氣自動化 專業(yè) 08 級 2 班課題名稱：基于MATLAB的數(shù)字濾波器的設(shè)計-基于MATLAB的IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：2010 年11 月21 日2011年6 月11日(共24周)學(xué)生姓名： 學(xué)號: 指導(dǎo)教師： 報告日期： 1 本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述MATLAB技術(shù)現(xiàn)狀Matlab 是美國 MathWorks 公司自 20 世紀(jì) 80 年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件，優(yōu)秀的數(shù)值計算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使其很快在數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。到目前為止，其最高版本 6.0 版已經(jīng)推出。隨著版本的不斷升級，它在數(shù)值計

2、算及符號計算功能上得到了進(jìn)一步完善。 Matlab 已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。在歐美等高校， Matlab 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、概率論及數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具，是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。Matlab 的主要特點是： 有高性能數(shù)值計算的高級算法，特別適合矩陣代數(shù)領(lǐng)域；有大量事先定義的數(shù)學(xué)函數(shù)，并且有很強的用戶自定義函數(shù)的能力；有強大的繪圖功能以及具有教育、科學(xué)和藝術(shù)學(xué)的圖解和可視化的二維、三維圖；基于 HTML 的完整的幫助功能； 適合個人應(yīng)用的強有力的面向矩陣 ( 向量 )

3、的高級程序設(shè)計語言；與其它語言編寫的程序結(jié)合和輸入輸出格式化數(shù)據(jù)的能力；有在多個應(yīng)用領(lǐng)域解決難題的工具箱。Matlab作為一個數(shù)值運算軟件和仿真工具正在越來越多的領(lǐng)域中得到不同程度的應(yīng)用，下面的內(nèi)容估計還可以大大的擴(kuò)張。主要應(yīng)用領(lǐng)域：1工程運算2控制系統(tǒng)設(shè)計3 DSP系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)設(shè)計4測量與測試5圖形處理6金融建模與分析應(yīng)用。Matlab 在控制工程中的應(yīng)用：Matlab 是IEEE 組織認(rèn)可的最優(yōu)化的科技應(yīng)用軟件。它提供了一種人機交互式的系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境，并且以其語法規(guī)則簡單、容易掌握、調(diào)試方便、分析手段齊全而著稱，幾乎成了許多工業(yè)設(shè)計部門和院校的必備軟件和標(biāo)準(zhǔn)軟件。對于一般的設(shè)計人

4、員，它還有另外3 個益處：在微機上運行時，對配置要求不高；資料文檔齊全、詳實；易于使用，很快即可達(dá)到熟練的程度。Matlab 集多種功能于一體，構(gòu)成了一個方便的、功能強大的、界面友好的用戶環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)平臺，在眾多領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用12 Matlab 多媒體定時器在控制工程中的應(yīng)用2一般情況下，Matlab 因缺乏高精度的定時器，而不能實現(xiàn)實時控制。為此編制了定時精度可達(dá)1ms 的定時器mex 函數(shù)timerone，以在Matlab 環(huán)境中構(gòu)造計算機的實時控制系統(tǒng)。提供了多媒體定時器API 函數(shù)，它的定時精度可達(dá)1 ms，且每個定時事件均有單獨的線程基于Matlab 的Web 應(yīng)用原理，

5、在信號分析和診斷上也可應(yīng)用，例如文獻(xiàn)資料證明，可以利用這一原理開發(fā)遠(yuǎn)程信號分析與診斷系統(tǒng)，其中包含頻譜分析、相關(guān)分析、時序分析、小波分析、小波包含分析、時頻分析、機械圖像分析以及遠(yuǎn)程智能診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能充分利用Matlab 強大的信號分析和工程計算能力，充分發(fā)揮Matlab 的平臺良好的擴(kuò)展性，以及對硬件和數(shù)據(jù)庫的操作性，實現(xiàn)更高級的功能。數(shù)字濾波器發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀濾波器在數(shù)值信號處理中有廣泛的應(yīng)用，為此我們將濾波器作簡單介紹，達(dá)到拋磚引玉的作用。若濾波器的輸入、輸出都是離散時間信號，那么，該濾波器的沖擊響應(yīng)（或濾波因子）也必然是離散的，我們稱這樣的濾波器為數(shù)字濾波器（Digital Filt

6、er，DF）。當(dāng)用硬件實現(xiàn)一個DF時，所需的元件是延遲器、乘法器和加法器。當(dāng)在計算機上用軟件實現(xiàn)時，它就是一段線性褶積（或卷積）的程序。我們知道，模擬濾波器（Analog Filter，AF）只能用硬件來實現(xiàn)，其元器件是R，L，C及運算放大器或開關(guān)電路。因此，DF的實現(xiàn)要比AF容易的多，而且易獲得較為理想的效果。濾波器的種類很多，分類方法也不同，如可以從功能上分，也可以從實現(xiàn)方法上分，或從設(shè)計方法上來分等等。但總的來說，濾波器可以分為兩大類，即經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器。經(jīng)典濾波器是假定輸入信號x(n)中的有效信號和噪聲（或干擾）信號成分各在不同的頻帶，當(dāng)x(n)通過一個線性濾波系統(tǒng)后，可以將欲噪

7、聲信號成分有效地去除?？墒牵绻行盘柡驮肼曅盘柕念l率帶相互重疊，那么經(jīng)典的濾波器將無能為力?，F(xiàn)在的地質(zhì)雷達(dá)信號處理中的濾波器主要采用經(jīng)典的濾波器進(jìn)行處理。因此有時濾波效果較好，有時較差?，F(xiàn)代濾波理論研究的主要內(nèi)容是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄（又稱為時間序列）中估計出信號的某些特征或信號本身。一旦信號被估計出，那么估計出的信號將比原信號會有高的信噪比?，F(xiàn)代濾波器把信號和噪聲都視為隨機信號，利用它們的統(tǒng)計特征（如自相關(guān)函數(shù)、功率譜函數(shù)等等）導(dǎo)出一套最佳的估值算法，然后用硬件和軟件實現(xiàn)。目前現(xiàn)代濾波器主要有：維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預(yù)測器、自適應(yīng)濾波器等，很多專家將基于特征分解的頻率估計及奇異值

8、分解算法都?xì)w入現(xiàn)代濾波器的范疇。2設(shè)計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法 （1）IIR數(shù)字濾波器設(shè)計思路與步驟IIR 數(shù)字濾波器可用一個n階差分方程y(n)=brx(n-r)+aky(n-k),或用它的Z域系統(tǒng)函數(shù): 對照模擬濾波器的傳遞函數(shù):    不難看出,數(shù)字濾波器與模擬濾波器的設(shè)計思路相仿,其設(shè)計實質(zhì)也是尋找一組系數(shù)b,a,去逼近所要求的頻率響應(yīng),使其在性能上滿足預(yù)定的技術(shù)要求;不同的是模擬濾波器的設(shè)計是在S平面上用數(shù)學(xué)逼近法去尋找近似的所需特性H(S),而數(shù)字濾波器則是在Z平面尋找合適的H(z)。IIR數(shù)字濾波器的單位響應(yīng)是無限長的,而模擬

9、濾波器一般都具有無限長的單位脈沖響應(yīng),因此與模擬濾波器相匹配。由于模擬濾波器的設(shè)計在理論上已十分成熟,因此數(shù)字濾波器設(shè)計的關(guān)鍵是將H(S)H(Z),即,利用復(fù)值映射將模擬濾波器離散化。已經(jīng)證明,沖擊響應(yīng)不變法和雙線性變換法能較好地?fù)?dān)當(dāng)此任,則在此基礎(chǔ)上,數(shù)字濾波器的設(shè)計就可首先歸結(jié)為模擬濾波器的設(shè)計了。指標(biāo)參數(shù)變換模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)相應(yīng)的模擬濾波器設(shè)計數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)模擬濾波器離散化數(shù)字濾波器圖1 數(shù)字濾波器設(shè)計步驟（2）用模擬濾波器理論來設(shè)計IIR數(shù)字濾波器1.脈沖響應(yīng)不變法 3本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路 要設(shè)計一個數(shù)字濾波器去仿真一個模擬濾波器有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變

10、換法。其設(shè)計過程都是由給定的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)去變換出相應(yīng)的數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。脈沖響應(yīng)不變法的設(shè)計過程如下：1.已知一模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)：(設(shè)M<N)2.為方便求出其時域單位脈沖響應(yīng)，將上式化為部分分式之和的形式：3.由拉氏反變換得模擬濾波器在時域的單位脈沖響應(yīng)：4.由時域的數(shù)字仿真的條件（即脈沖響應(yīng)不變準(zhǔn)則）可得相應(yīng)的數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)：5.再對兩邊進(jìn)行Z變換，即可得到數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：4完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設(shè)備或?qū)嶒灜h(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計算機輔助設(shè)計條件等等)及解決的辦法1 倪養(yǎng)華,等數(shù)字信號處理與實現(xiàn)上海：上海交通大

11、學(xué)出版社,19982 施陽等MATLAB語言工具箱西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,19913 董長虹等. MATLAB信號處理與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，20054 美 M.H.海因斯 著，張建華等 譯.數(shù)字信號處理.北京：科學(xué)出版社，20025 張葛祥，李 娜. MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，20036 樓順天，李博菡.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，19985設(shè)計(論文)完成進(jìn)度計劃1、本學(xué)期第1019周（校內(nèi)）：完成課題的開題工作和畢業(yè)設(shè)計說明書初稿，具體要求：1 開展項目調(diào)研，了解本設(shè)計項目相關(guān)的基本技術(shù)、基本方法及應(yīng)用現(xiàn)狀；2 文獻(xiàn)資料查詢：通過圖書館、互聯(lián)網(wǎng)查閱與本設(shè)計任務(wù)有關(guān)的文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)、借鑒他人的經(jīng)驗和成果，系統(tǒng)了解具體的實現(xiàn)技術(shù)和手段；3 完成需求分析，擬訂課題設(shè)計總題方案；4 實施課題開發(fā)任務(wù)，總結(jié)本課題的研究成果,完成、上交設(shè)計說明書初稿2、下學(xué)期第12周（校內(nèi)）：辦理相關(guān)頂崗實習(xí)手續(xù)，進(jìn)行頂崗實習(xí)安全教 育；進(jìn)一步對設(shè)計論文作相應(yīng)的完善。3、下學(xué)期第313周（校外）：頂崗實習(xí)。期間要求完成的任務(wù)：結(jié)合實習(xí)，進(jìn)一步優(yōu)化、完善設(shè)計方案4、下學(xué)期第14周（校內(nèi)）：課題總結(jié)，完成設(shè)計說明書終稿5、下學(xué)期第15周（校內(nèi)）：論文答辯6指導(dǎo)教師審閱意見指導(dǎo)教師(簽字)： 年