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大学二手市场电子信息工程毕业论文范文-电子信息工程专业论文怎么写

作者:高考题库网
来源:https://bjmy2z.cn/daxue
2020-12-13 20:01
tags:

-

2020年12月13日发(作者:蓝毓钟)






毕业论文(设计)





频率采样设计带通滤波器






称:

宁夏大学新华学院




称:

电子信息工程



级:

2008




号:


名:





师:


期:










目录


1

概述



1.1

数字滤波器


1.1.1

数字滤波器与模拟滤波器工作方式的比较



1.1.2

数字滤波器的分类


1.1.3

数字滤波器的特性





1.1.4

数字滤波器的优点、缺点


1.2

数字滤波器的基本结构


1.2.1FIR

滤波器的基本结构


1.2.2IIR

滤波器的基本结构


1.3

数字滤波器的研究背景与意义



1.4

数字滤波器的应用现状与发展趋势


1.5

本章小结


2

设计方案


2.1

频率采样法设计带通滤波器



2.1.1

设计内容



2.1.2

设计原理


2.1.3

设计的基本思想



2.2

窗函数设计带通滤波器


2.2.1

设计

原理

< br>2.2.2

典型窗函数

的介

< p>
2.2.3

设计

FIR

滤波器的步骤



2.2.4

设计结果及分析



3

设计实现


3.1

程序代码


3.1.3

音程序


3.1.2

仿真结

果:


3.2

带通滤波器程序


3.2.1

仿真结

果:


3.3

总程序


3.3.1

仿真结


4

小结


参考文献


附录





















摘要


< p>
本文分析了国内外数字滤波技术的应用现状与发展趋势,

介绍了

数字滤波器的基本结构,

在分别讨论了

IIR

FIR

数字滤波器的设计


方法的基础上,

指出了传统的 数字滤波器设计方法过程复杂、

计算工


作量大、滤波特性调整困难的不足 ,提出了一种基于

Matlab


Modelsim

软件的数字滤波器设计方法,完成了高

Q

50Hz< /p>

带通

IIR


滤波器的设计

,

达到了通带

45-55Hz

,衰减小于

3db

, 阻带

40-60Hz


衰减大于

80db

的参数指标。文中深入分析了该滤波器系统设计的功


能特点、实现原理以 及技术关键,阐述了使用

MATLAB

进行带通滤波


器设 计及仿真的具体方法。最后把整个设计方案用

VHDL

语言进行

< br>了描述并在

Modelsim

上仿真。

Modelsim< /p>

Matlab

的仿真结果对比


说明该设计 准确性好,

可精确到小数点后六位,

稳定后误差小于万分


之一;可移植性强,在实际应用中,可根据不同的阶数、精度和速度


等要求对

< p>IIR

滤波器系数进行灵活的修改,

以实现任意阶数的

IIR


波器。因此,该设计方法可靠性好,效率高,极大的减轻了工作量,

< p>
有利于滤波器设计的最优化。



关键词

带通滤波器;

FIR

Matlab

仿真


;








Abstract


This paper analyzes the situation of application and development of digital filter


technology

home

and

abroad.

It

introduces

the

basic

structure

of

a

digital

filter,


discusses

different

design

methods

of

FIR

and

IIR

filter,

and

points

out

that

the


traditional

design

method

of

digital

filter

is

not

only

complex

but

also

of

heavy


workload, even adjustment of filtering parametrer is very difficult. So it brings forwad


another

design

method

of

digital

filter

which

based

on

the

Matlab

software

and


Modelsim

software.

This

paper

introduces

the

design

method

of

a

high

Q

value


band- pass IIR filter which meets the given standard -- the pass band is 45-55Hz, with


attenuation of less than 3db; the stop band is 40-60Hz with attenuation greater than


80db. It deeply analyzes the design features and principles of the filter system and the


key

technical

in

the

design.

Then

it

describs

the

use

of

Matlab

in

design

and


simulation of the bandpass

filte

design.

In the end,

the procedure was

simulated on


Modelsim. Simulation results of Modelsim and Matlab compared to make proof of the


accuracy of the design. It is proved that the design can be accurate at the sixth decimal


place, stable error is within one ten thousandth; The design has good portability and


widely

practical

application.

In

different

applications,

according

to

different


performance requirements of order, speed and accuracy, etc, the IIR filter coefficients


can

change

flexibly

to

make

up

of

IIR

filter

of

arbitrary

order;

In

addition,

VHDL


procedure

can

also

make

certain

optimizations,

according

to

the

different

actual


situation, to achieve greater speed or conservation of

FPGA resources.










Key words

digital filter

FIR

Matlab simulation



1


概述


1.1

数字滤波器


数字滤波器 一词出现在

60

年代中期。由于电子计算机技术和大


规模 集成电路的发展,

数字滤波器已可用计算机软件实现,

也可用大

< br>规模集成数字硬件实时实现。

数字滤波器是对数字信号进行滤波处理


以得到期望的响应特性的离散时间系统。

作为一种电子滤波器,

数字

< p>
滤波器与完全工作在模拟信号域的模拟滤波器不同。

数位滤波器工作


在数字信号域,

它处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到

的数字信号。


数字滤波器

(digital

filter)

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。

它工作在数字信号域,

它处理的对象是经由采样器


件将模拟信号转换而得 到的数字信号。

数字滤波器一般由寄存器、


时器、加法 器和乘法器等基本数字电路实现。


带通滤波器是指能通过某一频率范围 内的频率分量、但将其


他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器,与带阻滤波器的概< /p>


念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻

-

电感

-

电容电路

(RLC


circuit)

。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来


产生

.




1.1.1

数字滤波器与模拟滤波器工作方式的比较



后者完全依靠电阻、电容、晶体管等电子元件组成的物理网络 实


现滤波功能;

而前者是通过数字运算器件对输入的数字信号进行运算< /p>


和处理,从而实现设计要求的特性。


应用数字滤波器处理模拟信号时,

首先须对输入模拟信号进行限


带、

抽样和模数转换。

数字滤波器输入信号的抽样率应大 于被处理信


号带宽的两倍,其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性,


且以折叠频率即

1

2

抽样频率点 呈镜像对称。为得到模拟信号,数


字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、

平滑。

数字滤波器具有


高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用 、便于集成等优点。数字


滤波器在语言信号处理、

图像信号处理、

医学生物信号处理以及其他


应用领域都得到了广泛应用。


数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。它可以是


时不 变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。应用最


广的是线性、时不变数字 滤波器,以及

FIR

滤波器。



1.2

数字滤波器的分类


按功能分:低通、高通、带通、带阻、全通滤波器

按实现的网络结构或单位抽样响应分:

无限脉冲响应滤波器

IIR


滤波器)

、有限脉冲响应滤波器(

FIR

滤波器)


另外,它还可以被分为线性与非线性、因果与非因果等。


其中,

线性时不变的数字滤波器是最 基本的类型;

而由于数字系


统可以对延时器加以利用,

因 此可以引入一定程度的非因果性,

获得


比传统的因果滤波器更灵活强大的 特性;相对于

IIR

滤波器,

FIR

< p>
波器有着易于实现和系统绝对稳定的优势,

因此得到广泛的应用;


于时变系统滤波器的研究则导致了以卡尔曼滤波为代表的自适应滤


波理论


1.3

数字滤波器的特性

< /p>


数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度,甚至能够实现后者在


理 论上也无法达到的性能。

例如,

对于数字滤波器来说很容易就能够


做到一个

1000Hz

的低通滤波器允许

999Hz

信号通过并且完全阻止


1001Hz

的信号,模拟滤波器无法区分如此接近的信号。


数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比。

这主要是因为数字


滤波器是以数字器件执行运算,

从而避免了模拟电路中噪声

(如电阻


热噪声)

的影响。

数字滤波器中主要的噪声源 是在数字系统之前的模


拟电路引入的电路噪声以及在数字系统输入端的模数转换过程中产


生的量化噪声。

这些噪声在数字系统的运算中可能会被放大,

< p>因此在



设计数字滤波器时需要采用合适的结构,

以降低输入噪声对系统性能


的影响。


数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。

组成模拟滤波


器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的变化而漂移,而

数字电路就没有这种问题。

只要在数字电路的工作环境下,

数字滤波


器就能够稳定可靠的工作。


由于奈奎斯特采样定理(

en:Nyquist

sampling

theorem

,数字


滤波器的处理能力受到系统采样频率的限制。

如果输入信号的频率分


量包含超过滤波器

1/2

采样频率的分量时,

数字 滤波器因为数字系统


的“混叠”而不能正常工作。

如果超出

1/2

采样频率的频率分量不占


主要地位,

通常的解决 办法是在模数转换电路之前放置一个低通滤波


器(即抗混叠滤波器)将超过的高频成分滤 除。否则就必须用模拟滤


波器实现要求的功能。


1.4

数字滤波器的优点、缺点


优点:数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用应


用便于集成等。< /p>


缺点:需要占用单片机资源。由于单片机速度和存储容量都有限,实


际应用中由于实时性和存储容量的限制,

在普通单片机上要实现复杂


的数字滤波是不太可能和实际的。


1.5

数字滤波器的研究背景与意义




当今,数字信号处理


[1]


(DSP

Digtal Signal Processing)

技术正飞


速发展,

它不但自成一门学科,

更是以不同形 式影响和渗透到其他学


科:它与国民经济息息相关,与国防建设紧密相连;它影响或改变 着


我们的生产、生活方式,因此受到人们普遍的关注。


数字化、

智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势,

而数字


化是智能化和网络化的基础,

实际生活中遇到的信号多种多样,

例 如


广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、射电天文信

< br>号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动


信号、遥感遥 测信号,等等。上述这些信号大部分是模拟信号,也有


小部分是数字信号。

模拟信号是自变量的连续函数,

自变量可以是一


维的,

也可以是二维或多维的。

大多数情况下一维模拟信号的自变量


是时间,< /p>

经过时间上的离散化

(

采样

)

和幅度 上的离散化

(

量化

)

这类


模拟信号便成为一维数字信号。

因此,

数字信号实际上是用数字 序列


表示的信号,

语音信号经采样和量化后,

得到的数字 信号是一个一维


离散时间序列;

而图像信号经采样和量化后,

< p>得到的数字信号是一个


二维离散空间序列。

数字信号处理,

就是用数值计算的方法对数字序


列进行各种处理,把信号变换成符合需要的某种形 式。例如,对数字


信号经行滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰,

或将 他们与其他信


号进行分离;

对信号进行频谱分析或功率谱分析以了解信号 的频谱组


成,

进而对信号进行识别;

对信号进行某种变换 ,

使之更适合于传输,


存储和应用;对信号进行编码以达到数据压缩的目 的,等等。


数字滤波技术是数字信号分析、处理技术的重要分支


[2-3]


。无论



是信号的获取、传输,还是信号的处理和交换都离不开滤波技术,它


对信号安全可靠和有 效灵活地传输是至关重要的。

在所有的电子系统


中,

使用 最多技术最复杂的要算数字滤波器了。

数字滤波器的优劣直


接决定产品的 优劣。






1.6

数字滤波器的应用现状与发展趋势


在信号处理过程中,

所处理的信号往往混有噪音,

从接收到的信


号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。

根据有用

< p>
信号和噪音的不同特性,

提取有用信号的过程称为滤波,

实现滤波功


能的系统称为滤波器。

在近代电信设备和各类控制系统中,

数字滤波


器应用极为广泛,这里只列举部分应用最成功的领域。


(1)

语音处理


语音处理 是最早应用数字滤波器的领域之一,

也是最早推动数字


信号处理理论发展 的领域之一。

该领域主要包括

5

个方面的内容:


一,语音信号分析。即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数

等进行分析计算;第二,语音合成。即利用专用数字硬件或在通用计


算机上运行软件 来产生语音;第三,语音识别。即用专用硬件或计算


机识别人讲的话,或者识别说话的人 ;第四,语音增强。即从噪音或


干扰中提取被掩盖的语音信号。第五,语音编码。主要用 于语音数据


压缩,

目前已经建立了一系列语音编码的国际标准,

大量用于通信和



音频处理。近年来,这

5

个方面都取得了不少研究成果,并且,在市


场上已出现了一些相关的软 件和硬件产品,例如,盲人阅读机、哑人


语音合成器、口授打印机、语音应答机,各种会 说话的仪器和玩具,


以及通信和视听产品大量使用的音频压缩编码技术。


(2)

图像处理


数字滤波技 术以成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增


强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识 别以及层析

X

射线摄影,还成


功地应用于雷达、声纳、超 声波和红外信号的可见图像成像。


(3)

通信


在现代通信技术领域内,

几乎没有 一个分支不受到数字滤波技术


的影响。信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩 以及自适


应信道均衡等,都广泛地采用数字滤波器,特别是在数字通信、网络

< p>
通信、图像通信、多媒体通信等应用中,离开了数字滤波器

,

几乎是


寸步难行。

其中,

被认为是通信技术未来发展方向的软件 无线电技术,


更是以数字滤波技术为基础。


(4)

电视


数字电视取代模 拟电视已是必然趋势。

高清晰度电视的普及指日


可待,

与 之配套的视频光盘技术已形成具有巨大市场的产业;

可视电


话和会议电视 产品不断更新换代。

视频压缩和音频压缩技术所取得的


成就和标准化工作 ,

促成了电视领域产业的蓬勃发展,

而数字滤波器


及其相 关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。


(5)

雷达



雷达信号占有的频带非 常宽,

数据传输速率也非常高,

因而压缩


数据量和降低数 据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。


诉数字器件的出现促 进了雷达信号处理技术的进步。

在现代雷达系统


中,数字信号处理部分是 不可缺少的,因为从信号的产生、滤波、加


工到目标参数的估计和目标成像显示都离不开 数字滤波技术。

雷达信


号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。


(6)

声纳


声纳信号处理分为两大类,

即有源声纳信号处理和无源声纳信号


处理, 有源声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。例如,


他们都要产生和发射脉冲式 探测信号,

他们的信号处理任务都主要是


对微弱的目标回波进行检测和分 析,

从而达到对目标进行探测、

定位、


跟踪、导航、成像 显示等目的,他们要应用到的主要信号处理技术包


括滤波、门限比较、谱估计等。


(7)

生物医学信号处理


数字滤波器在医学中的应用日益广泛,

如对脑电图和心电图的分


析、层析

X

射线摄影的计算机辅助分析、胎儿心音的自适应检测等 。


(8)

音乐

数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面,

在对音乐信号进行编


辑、 合成、以及在音乐中加入交混回响、合声等特殊效果特殊方面,


数字滤波技术都显示出了 强大的威力。

数字滤波器还可用于作曲、


音和播放,或 对旧录音带的音质进行恢复等。


(9)

其他领域

[5]



数字滤波器 的应用领域如此广泛,

以至于想完全列举他们是根本


不可能的,除了以上 几个领域外,还有很多其他的应用领域。例如,


在军事上被大量应用于导航、制导、电子 对抗、战场侦察;在电力系


统中被应用于能源分布规划和自动检测;

在环 境保护中被应用于对空


气污染和噪声干扰的自动监测,

在经济领域中被应 用于股票市场预测


和经济效益分析,等等。


1.7

本章小结


数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高,具有模拟设备 所


没有的许多优点,已广泛地应用于各个科学技术领域

,

例如数字电


视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程


应用领域。

随着信息时代数字时代的到来,

数字滤波技术已经成 为一


门极其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技

< br>术,但是,模拟电路技术存在很多难以解决的问题,例如,模拟电路


元件对温度的 敏感性,

等等。

而采用数字技术则避免很多类似的难题,


当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点,

在前面部分已经提


到,

这些都是模拟技术所不能及的,

所以采用数字滤波器对信号进行

< br>处理是目前的发展方向。




2

章设计方案


2.1

利用频率采样法设计带通滤波器


2.1.1

设计内

:


基于

MATLAB

结合

FFT

IFFT

,利用频率采样法设计

FIR

数字带


通滤波器,

然后用自己设计的滤波器对采集的加噪后的语音信号进行

< br>滤波,并将滤波前后的信号进行比较,回放语音信号。



2.1.2

率采

设计

原理


FIR

滤波器的单位脉 冲响应


h


?


n


?


是有限长的(


0

?

n

?

N

?

1


,其< /p>

z


变换为


z


?

< p>1


的(

N-1

)阶多项式:


Y


?


z


?

< p>
N

?

1


?

n


H


?


z


?

?

?


?


h


?


n


?


z


< p>
X


?


z


?


n

?

0


可得

FIR

滤波器的系统差分方程:


y


?


n


?


?

b


?


0


?


x


?


n


?


?

b

< br>?


1


?


x


?


n

?

1


?

< br>?

?

?

?

?

b


?


N

?

1


?


x


?


n

?

N

?

1


?


?


?


b


?


m


?


x


?


n

?

m


?


?

b


?


n


?


?

x


?


n


?


m

?

0


N

?

1


因此,

FIR

滤波器又称为卷积滤波器。

FIR

滤波器的频率响应表达 式


为:


H


?


e


?


?


?


h


?


n


?

< br>e


jw


N

?

1

< p>
n

?

0


?

jwn

< p>


信号通过

FIR

滤波器不失真条 件是在通带内具有恒定的幅频特


性和相位线性特性。

理论上可以证明:< /p>

FIR

滤波器的系数满足下列



中心对称件:


h


?


n< /p>


?


?

h


?


N

?

1

?

n


?< /p>


或者

h


?


n


?


?

?

h


?


N

?

1

?

n


?


时,滤波器设计在


逼近平直幅频特性的同 时,

还能获得严格的线性相位特性。

线性相位


FIR

滤波器的相位滞后和群延迟在整个频带上是相等且不变的。对于


一个

N

阶的线性相位

FIR

滤波器,

群延迟为常 数,

即滤波后的信号简


单地延迟常数个时间步长。

这一特 性使通带频域内信号通过滤波器后


仍保持原有波形形状而无相位失真。


FIR

滤波器设计的方法很多,如窗函数法、频率采样法以及其他


的各种优化设计方法,

本次课程设计使用频率采样法设计

FIR

带通滤


波器。


频率采样法是从 频域出发。

因为有限长序列

h(n)

又可用其离散傅


立叶变换

H(k)

来唯一表示,

H(k)

与所要求的

FIR

滤波器系统函数

Hd(z)

< br>之间存在着频率取样关系。即

Hd(z)

Z

平面单位圆上按角度等分的


取样值等于

Hd(k)

的各 相应值,就以此

Hd(k)

值作为实际

FIR

数字 滤


波器频率特性的取样值

H(k),

或者说

H(k)

正是所要求的频率响应


H(ejw)

N

各等间隔的取样值。


频率采样法就是根据频 域采样理论,

由滤波特性指标构造希望逼


近的滤波器频响函数

< p>Hd

(

e

j

ω

)

,对其在

[0,2

π

]

上采样得到

:




H


d


?


k


?


?< /p>

H


d


e


?

?


j


?


2


?< /p>


?


?

k


N


k

?

0

,

1

,

< p>?

,

N

?

1


然后,< /p>

就可求出单位脉冲响应

h(n)

或是系统函数

H(z)

这样,

h(n)


或是

H(z)

就是滤波器的设计结果。









h


?


n


?


?

IDFT


?


H


?


k


?

?


1

?

< p>z


?

N


H


?


z


?


?


N

< p>
?

内插公式


2.1.3

率 取

设计

的基本思想


n

?

0

,

1

,


?


,

N

?

1


k

?

0

,

1

,


?


,

N

?

1


H


?


k


?


?


?

k

?

1

< br>1

?

W


k

?

0


N


z


N

?

1


把给出的理想频率响应进行取样,通过

IDFT

从频谱样 点直接求得有


2


?


?

< br>k


?

k


限脉冲响应。其设计过程如下


IDTFT

DTFT


j

< p>?

j

?





频率取样法的关键是正确确定数字频域系统函数

H(k)

Ω

[0

2


π

]

内的

N

个样点,其约束条件为


H(k)=H(N-k)


N


H


d


(

e

)< /p>

?

?

?

?

?

H

(

k

)

?

?

?

< p>?

h

(

n

)

?

?

?

?

H

(

e

)< /p>


?


?

m

=-

?

(N-m)

0

k

N-1


频率采样法的优点是可以在频域直接设计,

并且适合最优化设计;


点是采样频率只能等于


2


?


/

N


的整数倍,

因而不能确保截 止频率


w



c


自由取值,要想实现自由地选择截止频率,必须增加采样点数

N

,但


是这又使计算量加大。


2.2

利用窗函数法 设计

FIR

带通数字滤波器




2.2.1

窗函

数设计

原理


设希望逼近的滤波器频率响应函数



H


d


(

e

)

?

< br>1



h


d


(

n

)

?


2


?


j


?


n

?

??


?


h

(

n

)

e

d


j


?


d


?


?

j


?


n

< p>

1


?


c


?


H

e


?


?


c


e


?

j


?


d


?


2




由于通常以理想滤波器作为


H


d


(

e


j

< p>
?


)


其幅度特性逐段恒定,

在边界频率处有


不连续点,因而是无限时宽的,且是非因果序列。为了构造一 个长度为

N

的第


一类线性相位

FIR

滤波器,就只能将


H


d


(< /p>

n

)


截取一段,并保证截取的一段关于

< /p>


n

?

N

?

1

2


偶对称。设截取的一段用


h


d


(

n

)

表示,即



h

(

n

)

?

h


d


(

n

)

R


N


(

n

)


3


式中,


R


N


(

n

)


是一个矩形序列,

长度为

N

当取值为


N

?

1

2



截取的一段


h


d


(

n

)


N

?

1

2


偶对称,保证所设计 的滤波器具有线性相位。但是用一个有限

关于


n

?


长的序列


h

(

n

)


替代


h


d


(

n

)


肯定会引起误差,

表现在频域就是吉布斯效应。

该效


应引起渡带加宽及通带和阻 带波动,

尤其使阻带的衰减减小,

从而满足不了技术


上的 要求,

由于这种效应是由于将


h


d


(

n

)


直接截断引起的,

所以 又称为截断效应。


在(

3

)式中,


R


N


(

n

)


就 是对无限长序列的截断作用,可以形象地把


R


N


(

n

)



做是一个窗口 ,


h

(

n

)


则是 从窗口看到的一段


h


d


(

n

)


序列,

所以称


h

(

n

)

?

h


d


(

n

)

R


N


(

n

)


为用矩形窗对

h


d


(

n

)


进行加窗处理。


2.2.2

典型窗函

的介


由截断引起的吉布斯效 应会直接影响滤波器性能,

直观上,

增加矩形窗的长


度< /p>

N

可以减小这种效应的影响,但是,增大

N

只能增大 过渡带的宽度,而无法


减小带内波动以及增大阻带衰减。

要想使得带内波 动减小,

阻带衰减增大,

就只

-


-


-


-


-


-


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-



本文更新与2020-12-13 20:01,由作者提供,不代表本网站立场,转载请注明出处:https://bjmy2z.cn/daxue/35105.html

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