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摘 要
傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算工作量大，濾波特性調(diào)整困難，影響了它的應(yīng)用。本文介紹了一種利用MATLAB信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）快速有效的設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法。給出了使用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和利用信號(hào)處理工具箱的FDATool工具進(jìn)行界面設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟。利用MATLAB設(shè)計(jì)濾波器，可以隨時(shí)對(duì)比設(shè)計(jì)要求和濾波器特性調(diào)整參數(shù)，直觀簡(jiǎn)便，極大的減輕了工作量，有利于濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。本文還介紹了如何利用MATLAB環(huán)境下的仿真軟件Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行模擬仿真。介紹了IIR數(shù)字濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與步驟,及其計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。以一數(shù)字帶通濾波器為例,著重說(shuō)明了基于MATLAB的三種實(shí)現(xiàn)手段：模擬低通原型、合適模擬帶通及直接原型,為數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)全新的實(shí)現(xiàn)手段,設(shè)計(jì)快捷方便,仿真波形直觀。介紹了利用MATLAB信號(hào)處理工具箱進(jìn)FIR濾波器設(shè)計(jì)的三種方法：程序設(shè)計(jì)法、FDATool設(shè)計(jì)法和SPTool設(shè)計(jì)法，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，并將設(shè)計(jì)的濾波器應(yīng)用到一個(gè)混和正弦波信號(hào)，以驗(yàn)證濾波器的性能. 關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波器 MATLAB FIR IIR Abstract Traditional digital filter design process complex, the computationwork load is big, the filter characteristic adjustment difficulty, hasaffected its application. This article introduced one kind using theMATLAB signal processing toolbox (Signal Processing Toolbox) the fasteffective design the conventional numeral filter design method whichis composed by software. Produced has used the MATLAB language tocarry on the programming and carries on contact surface design usingthe signal processing toolbox FDATool tool the detailed step. Usingthe MATLAB design filter, may contrast the design request and thefilter characteristic adjustment parameter as necessary,direct-viewing is simple, enormous reduced the work load, isadvantageous optimization which designs to the filter. Key word: Digital filter MATLAB FIR IIR 數(shù)字濾波器的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法 利用Link for CCS IDE接口實(shí)現(xiàn)CCSIDE和Matlab之間的連接來(lái)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，利用此連接可以在Matlab控制下操作DSP的應(yīng)用程序，利用Matlab中強(qiáng)大計(jì)算分析、可視化工具來(lái)分析和對(duì)比目標(biāo)程序運(yùn)行中的結(jié)果，大大縮短調(diào)試開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的周期。 具體設(shè)計(jì)步驟如下[6]： （1）選擇DSP型號(hào)：實(shí)驗(yàn)中用TMS320C5416DSP； （2）創(chuàng)建CCS IDE連接對(duì)象； （3）利用Matlab把文件加載到CCS IDE中； （4）在Matlab環(huán)境下對(duì)CCS IDE連接對(duì)象進(jìn)行操作； （5）關(guān)閉CCS IDE連接對(duì)象。 從這個(gè)設(shè)計(jì)步驟中可以看出，在Matlab環(huán)境下操作DSP中變量或者寄存器是很方便的。這樣就可以在Matlab環(huán)境下完成DSP程序的仿真調(diào)試。而不用像傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要把DSP運(yùn)行結(jié)果調(diào)回PC機(jī)驗(yàn)證，方便了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。 用這種方法所設(shè)計(jì)濾波器結(jié)果和上面基本相同，只是設(shè)計(jì)過(guò)程得到了很大簡(jiǎn)化，方便了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。 應(yīng)用Matlab對(duì)DSP進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)極大地改進(jìn)了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。Matlab系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)環(huán)境，有助于在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和應(yīng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加的挑戰(zhàn)，方便了復(fù)雜DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的濾波器比較，速度提高了很多，設(shè)計(jì)過(guò)程得到了很大的簡(jiǎn)化，方便了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。 本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了利用MATLAB實(shí)現(xiàn) FIR濾波器設(shè)計(jì)與濾波的三種方法，從仿真結(jié)果可以看出它們均可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，而且方法簡(jiǎn)單、快捷，大大減輕了工作量。濾波器的設(shè)計(jì)工作完成后，可以借助于MATLAB的export操作導(dǎo)出所設(shè)計(jì)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。由于MATLAB具有強(qiáng)大的接口功能，仿真后的結(jié)果可以很方便的移植到DSP、CPLD或FPGA等器件中。在實(shí)際應(yīng)用中,只需按要求修改濾波器參數(shù),并對(duì)程序作較少的改動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的FIR濾波器,實(shí)用性較強(qiáng)。其中介紹了利用MATLAB信號(hào)處理工具箱進(jìn)FIR濾波器設(shè)計(jì)的三種方法：程序設(shè)計(jì)法、FDATool設(shè)計(jì)法和SPTool設(shè)計(jì)法，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，并將設(shè)計(jì)的濾波器應(yīng)用到一個(gè)混和正弦波信號(hào)，以驗(yàn)證濾波器的性能。全文共5章。第2章作為數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)，介紹FDATool.程序設(shè)計(jì)法.Simulink仿真 及SPTool設(shè)計(jì)法等以及介紹了基于MATLAB的三種實(shí)現(xiàn)方法及頻率特性。第3-4章介紹數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、IIR與FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法，這些都是數(shù)字信號(hào)處理的必修內(nèi)容。第5章主要介紹了FIR數(shù)字濾波器改進(jìn)型的設(shè)計(jì)方法。 數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號(hào)處理裝置,其輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào),實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性時(shí)不變離散系統(tǒng)。它的基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行加工和變換,改變輸入序列的頻譜或信號(hào)波形,讓有用頻率的信號(hào)分量通過(guò),抑制無(wú)用的信號(hào)分量輸出。數(shù)字濾波器和模擬濾波器有著相同的濾波概念,根據(jù)其頻率響應(yīng)特性可分為低通、高通、帶通、帶阻等類(lèi)型,與模擬濾波器相比,數(shù)字濾波器除了具有數(shù)字信號(hào)處理的固有優(yōu)點(diǎn)外,還有濾波精度高(與系統(tǒng)字長(zhǎng)有關(guān))、穩(wěn)定性好(僅運(yùn)行在0與l兩個(gè)電平狀態(tài))、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器按單位脈沖響應(yīng)的性質(zhì)可分為無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器IIR和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器(FIR)兩種。本文介紹(IIR)和（FIR）數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與分析。 目 錄 摘 要………………………………………………………………………………....1 Abstract………………………………………………………….…….…….…....…..2 第一章 引言………………………………………………….….………..…………..5 1.1數(shù)字濾波器的背景及意義 …………………………….……….....…….….…5 1.2內(nèi) 容…………………………………………………..……..……..………...….6 第二章數(shù)字濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)……………………………………...……….8 2.1 MATLAB的設(shè)計(jì)方法.............….....................................……….......................9 2.1.1 FDATool界面設(shè)計(jì)....…...........……...........................…….........................9 2.1.2程序設(shè)計(jì)法…………………………………………………...…...….......10 2.1.3 Simulink仿真…………………………………………………....……......11 2.1.4 SPTool設(shè)計(jì)法…………...………………………………………….........12 2.1.5結(jié) 論……………………………………………………….…….…..…...13 2.2基于MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法的各種模擬濾波器實(shí)現(xiàn)……….……....……13 2.2.1基于模擬低通原型的MATLAB實(shí)現(xiàn)……………………..…...……..….14 2.2.2基于合適類(lèi)型模擬濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)…………………….……..15 2.2.3基于直接原型變換法的MATLAB實(shí)現(xiàn)………………….…..………....17 第三章 基于MATLAB的IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)……………….….…..……...19 3.1 IIR濾波器有以下幾個(gè)特點(diǎn)….…………………….............………..................19 3.2 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)思路與步驟……………….................…..............….........19 3.3 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法……………….........................…...….............….......20 3.3.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法…………………………….…………….…..……...….….20 3.3.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法……………………….…………..…..………..…..21 3.4常用模擬IIR濾波器的設(shè)計(jì)……………………….………..…………...….…21 3.4.1巴特沃斯IIR濾波器的設(shè)計(jì)……………………………………………..21 3.4.2契比雪夫I型IIR濾波器的設(shè)計(jì)…………………….…………….……..22 3.5用模擬濾波器理論來(lái)設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器…………..………..……….…......23 3.5.1脈沖響應(yīng)不變法……………………………….........................................23 3.5.2雙線性變換法……………………...........……..................................…....24 3.6仿真實(shí)現(xiàn)…………………...............................…………...................................27 第四章 基于MATLAB的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)...........................…........….….31 4.1 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本步驟..................................................……..........26 4.2 FIR濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì)法..................................……..................................27 4.3程序設(shè)計(jì)法.........................................................……...............................…...28 4.4 FDATool設(shè)計(jì)法............................................……...................................…....29 4.5帶通濾波器設(shè)計(jì)...........................................……............................................29 4.5.1帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例一......................……..............................................29 (優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì) www.) 4.5.2帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例二......................……..............................................30 4.6 Simulink仿真..................................................……......................…................31 4.7結(jié)束語(yǔ)............................................................…….…......................................32 第五章 一種改進(jìn)型的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)...........................……......................33 5.1濾波器設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法 ..................................................…….......................33 5.1.1 Matlab Link for CCS Development Tools簡(jiǎn)介.........…............................33 5.1.2數(shù)字濾波器的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法.................................…….......................33 5.1.3 結(jié)論........................................................................……….....................34 參考文獻(xiàn)...........................................................................................………..............35 致 謝..........................................................................................………...............36 |
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