数字信号处理课程设计

页数字信号处理课程设计论文 班级：光电2班姓名：范宇飞学号：311308000713TOC\o"1-3"\h\u14697摘要 217624一．设计内容 31621设计要求 37283设计内容 330855二．设计原理 415983三．设计过程 5322501.程序源代码 527775调试分析过程描述： 814001结果分析： 1132588总结： 13摘要在现代通信系统中，因为信号中经常混有各种复杂成分，因而很多信号分析都是基于滤波器而进行的。而数字滤波器[1]，则是通过数值运算实现滤波，它具有处理精度高、灵活、稳定、不存在阻抗匹配问题的特点。根据单位冲激响应函数的时域特性，数字滤波器可分为两种，即有限长冲激响应(FIR)数字滤波器和无限长冲激响应(IIR)数字滤波器。IIR数字滤波器实现的阶次要求较低，所用的存储单元也较少，并且具有效率高，精度高的优点，除此还能够保留一些模拟滤波器的优良特性，所以应用领域广阔。本文主要研究了IIR数字滤波器的常用设计方法，即冲激响应不变法和双线性变换法。在分析IIR数字滤波器的原理基础上，从理论分析确定了所要设计的IIR数字滤波器的实现方法。接着利用MATLAB函数语言编程，用Simulink工具仿真IIR数字滤波器，其中用信号处理图形界面FDATool来设计滤波器，并用FDATool模拟IIR数字滤波器处理信号。在此基础上，使用MATLAB提供的GUI工具设计图形用户界面，实现方便用户使用的数字滤波器交互界面的开发。此设计扩展性好，便于调节滤波器的性能，可以根据不同的要求在MATLAB上加以实现。关键词：IIR数字滤波器；冲激响应不变法；双线性变换法；图形用户界面一．设计内容设计要求1.熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法；2.学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数（设计各种IIR数字滤波器，学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。3.掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。4.通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。设计步骤IIR数字滤波器的设计一般有两种方法：一个是借助模拟滤波器的设计方法进行。其设计步骤是，先设计模拟滤波器，再按照某种方法转换成数字滤波器。这种方法比较容易一些，因为模拟滤波器的设计方法已经非常成熟，不仅有完整的设计公式，还有完善的图表供查阅；另外一种直接在频率或者时域内进行，由于需要解联立方程，设计时需要计算机做辅助设计。其设计步骤是：先设计过渡模拟滤波器得到系统函数，然后将模拟滤波器的系统函数按某种方法转换成数字滤波器的系统函数。另外，还有一些典型的优良滤波器类型可供我们使用。为了保证转换后的稳定满足技术指标要求，对转换关系提出两点要求:因果稳定的模拟滤波器转换成数字滤波器，仍是因果稳定的。数字滤波器的频率相应模仿模拟滤波器的频响特性，s平面的虚轴映射为z平面的单位圆，相应的频率之间呈线性关系。二．设计原理所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。数字滤波器和模拟滤波器相比，因为信号的形式和实现滤波的方法不同，数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配等优点。数字滤波器从功能上分类:可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。从滤波器的网络结构或者从单位脉冲响应分类:可分为IIR滤波器(即无限长单位冲激响应滤波器)和FIR滤波器(即有限长单位冲激响应滤波器)。设计IIR数字滤波器一般采用间接法（脉冲响应不变法和双线性变换法），应用最广泛的是双线性变换法。基本设计过程是：先将给定的数字滤波器的指标转换成过渡模拟滤波器的指标；设计过渡模拟滤波器；将过渡模拟滤波器系统函数转换成数字滤波器的系统函数。MATLAB信号处理工具箱中的各种IIR数字滤波器设计函数都是采用双线性变换法。滤波器设计函数butter、cheby1、cheby2和ellip可以分别被调用来直接设计巴特沃斯、切比雪夫1、切比雪夫2和椭圆模拟和数字滤波器。本次设计数字滤波器的MATLAB实现是指调用MATLAB信号处理工具箱函数filter对给定的输入信号x(n)进行滤波，得到滤波后的输出信号y(n）。三．设计过程1.程序源代码%IIR数字滤波器设计及软件实现clearall;clearall;%调用信号产生函数mstg产生又三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信 号st;%st=mstg;%低通滤波器设计与实现Fs=10000;fp=280;fs=450;wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60;%DF指标;(低通滤波器的通阻带边界频率)[N,wp0]=ellipord(wp,ws,rp,rs);%调用ellipod计算椭圆DF阶数N和通带截止 频率wp[B,A]=ellip(N,rp,rs,wp0);%调用ellip计算椭圆带通DF系统函数系数向量B 和Ay1t=filter(B,A,st);%滤波器的软件实现%下面为绘图部分figure(2);subplot(2,1,1);[H1,w]=freqz(B,A,1000);m=abs(H1);plot(w/pi,20*log(m/max(m)));gridon;title('低通滤波损耗函数曲线');axis([0,1,-300,20]);xlabel('w/pi');ylabel('H1');subplot(2,1,2);ss=0:0.02/1600:0.02-0.02/1600;plot(ss,y1t);title('低通滤波后的波形');axis([0,0.02,-1.2,1.2]);xlabel('t/s');ylabel('y1t');%下面为尝试部分%N=1600;%N为信号st的长度。%Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T;%采样频率Fs=10kHz，Tp为采样时间%t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp;%figure(5)%stem(k,abs(fft(y1t,1600))/max(abs(fft(y1t,1600))),'.');grid;title('(b)s(t)的频 谱);axis([0,Fs/5,0,1.2]);%%带通滤波器的实现与设计fpl=450;fpu=560;fsl=275;fsu=900;wp=[2*fpl/Fs,2*fpu/Fs];ws=[2*fsl/Fs,2*fsu/Fs];rp=0.1;rs=60;[N,wp0]=ellipord(wp,ws,rp,rs);[B,A]=ellip(N,rp,rs,wp0);y2t=filter(B,A,st);figure(3);subplot(2,1,1);[H2,w]=freqz(B,A,1000);m=abs(H2);plot(w/pi,20*log(m/max(m)));gridon;axis([0,1,-300,20]);title('带通滤波损耗函数曲线');xlabel('w/pi');ylabel('H2');subplot(2,1,2);plot(ss,y2t);title('带通滤波后的波形');axis([0,0.02,-1.2,1.2]);xlabel('t/s');ylabel('y2t');%高通滤波器的实现与设计fp=890;fs=600;wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60;[N,wp0]=ellipord(wp,ws,rp,rs);[B,A]=ellip(N,rp,rs,wp0,'high');y3t=filter(B,A,st);figure(4);subplot(2,1,1);[H3,w]=freqz(B,A,1000);m=abs(H3);plot(w/pi,20*log(m/max(m)));gridon;title('高通滤波损耗函数曲线');axis([0,1,-250,20]);xlabel('w');ylabel('H3');subplot(2,1,2);plot(ss,y3t);title('高通滤波后的波形');axis([0,0.02,-1.2,1.2]);xlabel('t/s');ylabel('y3t');clc;clear调试分析过程描述：调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st，该函数还会自动绘图显示st的时域波形和幅频特性曲线，如图所示。由图可见，三路信号时域混叠无法在时域分离。但频域是分离的，所以可以通过滤波的方法在频域分离，这就是本实验的目的。图10.4.1三路调幅信号st的时域波形和幅频特性曲线要求将st中三路调幅信号分离，通过观察st的幅频特性曲线，分别确定可以分离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率。要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为60dB。编程序调用MATLAB滤波器设计函数ellipord和ellip分别设计这三个椭圆滤波器，并绘图显示其幅频响应特性曲线。调用滤波器实现函数filter，用三个滤波器分别对信号产生函数mstg产生的信号st进行滤波，分离出st中的三路不同载波频率的调幅信号y1(n)、y2(n)和y3(n)，并绘图显示y1(n)、y2(n)和y3(n)的时域波形，观察分离效果。信号产生函数mstg清单functionst=mstg%产生信号序列向量st,并显示st的时域波形和频谱%st=mstg返回三路调幅信号相加形成的混合信号，长度N=1600N=1600%N为信号st的长度。Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T;%采样频率Fs=10kHz，Tp为采样时间t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp;fc1=Fs/10; %第1路调幅信号的载波频率fc1=1000Hz,fm1=fc1/10; %第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100Hzfc2=Fs/20; %第2路调幅信号的载波频率fc2=500Hzfm2=fc2/10; %第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50Hzfc3=Fs/40; %第3路调幅信号的载波频率fc3=250Hz,fm3=fc3/10; %第3路调幅信号的调制信号频率fm3=25Hzxt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t);%产生第1路调幅信号xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t);%产生第2路调幅信号xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t);%产生第3路调幅信号st=xt1+xt2+xt3;%三路调幅信号相加fxt=fft(st,N);%计算信号st的频谱%以下为绘图部分，绘制st的时域波形和幅频特性曲线subplot(3,1,1)plot(t,st);grid;xlabel('t/s');ylabel('s(t)');axis([0,Tp/8,min(st),max(st)]);title('(a)s(t)的波形')subplot(3,1,2)stem(f,abs(fxt)/max(abs(fxt)),'.');grid;title('(b)s(t)的频谱')axis([0,Fs/5,0,1.2]);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度')实验程序框图如图所示调用函数mstg产生st，自动绘图调用函数mstg产生st，自动绘图显示st的时域波形和幅频特性曲线调用ellipord和ellip分别设计三个椭圆滤波器，并绘图显示其幅频响应特性曲线。调用filter，用三个滤波器分别对信号st进行滤波，分离出三路不同载波频率的调幅信号y1(n)、y2(n)和y3(n)绘图显示y1(n)、y2(n)和y3(n)的时域波形和幅频特性曲线End程序框图结果分析：实验4程序exp4.m运行结果如图所示。由图可见，三个分离滤波器指标参数选取正确，算耗函数曲线达到所给指标。分离出的三路信号y1(n)，y2(n)和y3(n)的波形是抑制载波的单频调幅波。(a)低通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y1(t)(b)带通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y2(t)(c)高通滤波器损耗函数及其分离出的调幅信号y3(t)总结：本次数字滤波器设计方法是基于MATLAB的数字滤波器的设计，是用学过的数字信号理论为依据，用MATLAB代码来实现的。通过IIR数字滤波器的设计过程，说明如何利用MATLAB来完成数字滤波器的设计。脉冲响应不变法中相位响应有严格的线性,不存在稳定性问题,同时，除了典型设计法以外，MATLAB信号处理工具箱提供了几个直接设计IIR数字滤波器的函数，直接调用就可以设计滤波器。通过综合运用数字信号处理的理论知识进行滤波器设计，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现，从而加深了知识的理解，建立概念。也对以前在课本上所学的东西有了更深入的理解和掌握。最后，无论做什么课程设计，都需要有一定的理论知识作为基础，通过这次毕业设计，我对以前所学的数字信号处理知识有了更深的理解。学到关于如何在MatLab软件上实现数字滤波器的设计与实现对现实数字波形的滤波处理。熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法，学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数（或滤波器设计分析工具fdatool）设计各种IIR数字滤波器，学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片