基于MATLAB的数字滤波器设计与仿真

1、第24卷第3期(总第108期)机械管理开发Vol.24No3(SUMNo108)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT2009年6月Jun2009基于MATLAB的数字滤波器设计与仿真任淑萍，王欣峰（山西大学工程学院，山西太原030013）【摘要】应用Matlab语言设计数字滤波器时采用直接程序设计法、FDAtool以及SPTool信号处理工具箱的设计方法，通过实例，给出了程序设计法和使用信号处理工具箱中SPTool进行设计的仿真图形，并在Matlab的Simulink环境下，调用所设计的FDAtool滤波器进行了仿真。【关键词】MATLAB；数字滤波器；FDAt

2、ool；SPTool；SimulinkTN713【文献标识码】【中图分类号】A【文章编号】1003-773X（2009）03-0181-030引言一个最小阶次的低通滤波器，其通带截止频率为500在数字信号处理中，滤波器占有非常重要的地位。传统的数字滤波器设计使用烦琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。利用MATLAB可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。本文以MATLAB7.1为设计平台，利用Hz，阻带截止频率为600Hz，采样频率为2000Hz，最小阻带衰减为40db，通带纹波小于3db，其MATLAB实现程序如下:clearall;rp=3;%

3、通带波纹rs=40;%阻带波纹fs=2000;%采样频率f=500600;%截止频率a=10;%期望的幅度dev=(10(rp/20)-1)/(10(rp/20)+1)10(-rs/20);n，fo，ao，w=remezord(f，a,dev,fs);b=remez(n，fo，ao，w);freqz(b,1,1024,fs);MATLAB完全工具函数与FDAtool、SPTool工具进行滤波器的设计并在Simulink环境下加以仿真。1数字滤波器设计的基本步骤1）确定指标。在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要来确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常被用来实现选频操作。

4、因此指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。2）模型逼近。一旦确定了技术指标，就可以利用已学习过的基本原理和关系式，提出一个滤波器模型来逼近给定的技术指标。这是滤波器设计所要研究的主要问题。设计的滤波器如图1所示。3）实现性能分析和计算机仿真。以上两步的结果得到的滤波器，通常是以差分方程、系统函数或脉冲响应描述的。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。2数字滤波器的MATLAB设计利用MATLAB设计滤波器2，可以随时对比设计图1低通滤波器的幅频及相频响应曲线要求和滤波器特性调整参数，直观简便，极

5、大地减轻了工作量，有利于滤波器设计的最优化。在设计中如果该滤波器的特性不满足要求，原有的参数必须作相应的调整，在程序中只需对参数进行重新设定，就可以得到所需要的滤波器。在实际应用中，如果需要对某一信号源进行特定的滤波，并要检验滤波效果，应用传统方法比较繁琐。在MATLAB环境下，可先用软件模拟产生信号源，再设计滤波器对其进行滤波，如下面就是利用已设计好的滤波器，对一混频信号进行滤波的实例，滤波前后信号的波形如图2所示。2.1直接程序设计法FIR滤波器的主要设计方法有窗函数法、最优化设计法及约束最小二乘逼近法。MATLAB信号处理工具箱中提供了滤波器设计方法的工具函数，编程中可以根据设计要求直接

6、调用相应的函数，方便快捷。本例采用最优化设计方法：利用rmezord函数设计收稿日期：2009-02-24作者简介：任淑萍（1977-），女，山西孝义人，助教，硕士研究生，主要从事数字信号处理的教学与研究。··181第24卷第3期(总第108期)t=(0:100)/fsx=sin(2*pi*t*300)+sin(2*pi*t*800);figuresubplot(211);plot(t,x);gridsubplot(212);plot(t,x1);grid;%设置输入信号xx1=filter(b,1,x);%对信号x进行滤波,得输出信号x1机械管理开发2009年6月频谱sp

7、ect1。同样步骤生成sig2的频谱spect2。如图4为滤波前（绿）后（红）信号频谱。由图4可以看出，所设计的FIR低通滤波器filt1使输入的信号x中的频率为300Hz的信号通过，而将频率为800Hz正弦信号大大衰减，从而可知所设计的滤波器满足题目要求。图2（上）输入信号（下）输出信号图3滤波前（红）后（蓝）信号波形利用信号处理工具箱SPTool设计法SPTool(SignalProcessingTool)3提供了一个便于完成信号处理任务的GUI集成环境。利用它可以从Matlab工作空间或从文件直接导入已经设计好的信号，滤波器频谱；可以分析、比较、聆听和输出时域信号；可以设计、分析和输出滤

8、波器；可以完成对信号的滤波；可对输入输出信号进行各种谱分析并输出分析结果。下面是用SPTool工具设计的FIR滤波器对上述信号进行滤波。SPTool使用步骤：导入信号、滤波器、频谱，设计滤波器，对信号滤波，分析输入输出信号的谱。1）导入信号。使用【File/Import】可以导入信号、滤波器和谱。信号的来源可以是Matlab工作空间变量或MAT数据文件，也可以在Data前面的文本框中直接输入信号的数据。这里信号源仍然利用前面程序设计法中的混频信号，将信号x和采样频率fs=2000Hz导入并命名为sig1。2）滤波器设计。单击Filters栏中的New按钮打开滤波器设计工具。在界面的最上面指定滤

9、波器的名字、采样频率和设计方法。这里命名滤波器名称为filt1，采样频率fs=2000Hz，采用EquirippleFIR算法，通带波纹Rp=3,阻带波纹Rs=40,通阻带截止频率f=500600Hz。3）对sig1和sig2进行频谱分析。将filt1应用到信号sig1，单击选择Signals栏的sig1和Filters栏的filt1，然后单击Filters栏的Apply按钮，在弹出的对话框中将输出信号命名为sig2，单击Ok按钮。如图3可以看到滤波前（红）后（蓝）信号的波形。选择信号sig1，点击Spectra栏下Create按钮，在弹出的SpectrumViewer界面中，选择Method

10、为FFT，单击Apply按钮生成sig1的··1822.2图4滤波前（绿）后（红）信号频谱滤波器分析设计工具箱FDATool法FDATool法在这里作简要介绍，在Matlab命令窗口输入FDATool命令，按确定调出FDATool界面。在ResponseType下选择滤波器的类型为Lowpass。在DesignMethod下选择设计方法为EquirippleFIR。在FrequencySpecifica-tions中指定Fs为2000Hz，Fpass为500Hz，Fstop为600Hz。设置完成后单击DesignFilter按钮，即得所设计FIR滤波器，通过菜单选项Anal

11、ysis可以在特性显示区看到所设计滤波器的幅度响应，相频响应，单位样值响应，零极点配置图等到各种等性。2.4基于信号处理的Simulink仿真Matlab中提供了功能强大的Simulink仿真软件4。在Simulink环境下，可以对所设计的滤波器性能进行仿真，实时观测滤波效果。Simulink中包含大量数字信号处理的功能模块，可先调用相应模块组成仿真框图。2.3第24卷第3期(总第108期)任淑萍：基于的数字滤波器设计与仿真MATLAB机械管理开发2009年6月这里以前面的例题为例，先调用两个正弦波模块，产生sin(300t)+sin(800t)两个基本波形，经过加法器(add)混合后产生波源

12、，将2.3节所设计的滤波器导入FDA-tool中，信号经滤波后输送到Scope中显示。对其进行性能仿真，仿真结果如图5图6所示，有正弦波叠加所产生的信号源如图5，经带通滤波器滤波后，其它波形如图6得到了有效滤除，达到了期望的效果。结论应用Matlab语言进行FIR数字滤波器的设计时，采用直接程序设计法和利用SPTool及FDAtool界面的设计法都可以快捷有效地完成滤波器的设计。通过实例可以看出，这三种方法最大的优点是都可以通过改变参数来得到新条件下滤波器的特性，便于对比，进而能达到设计的最优化。但比较起来，应用SPTool及FDAtool避免了相对复杂的编程，较为直观、方便，还可以将FDAt

13、ool设计的滤波器直接调入到Simulink仿真模块中进行实时仿真，具有更强的交互性。在对数字滤波器的设计中，Matlab显示了其强大的计算功能，必然在以后的数字信号处理中，展现更为广阔的应用前景。参考文献1图5滤波前信号的时域波形邵朝,阴亚芳.数字信号处理M.北京：北京邮电大学出版社,2004.234程佩清.数字信号处理M.（第二版）M.北京:清华大学出版社,1998.罗军辉,罗勇江.MATLAB在数字信号处理中的应用M.北京:机械工业出版社,2005.王宏.MATLAB6.5及其在信号处理中的应用M.北京：清华大学出版社,2004.图6滤波后信号的时域波形TheDesignandSimul

14、ationofDigitalFilterBasedonMATLABRENShu-ping，WANGXin-feng(EngineeringCollegeofShanxiUniversity,Taiyuan030013,China)AbstractThedesignmethodsofdirectprogramming,FDAtoolinterfaceandSPToolsignalprocessingtoolboxareintroducedindesigningdigitalfilterwithMATLABinthisarticle.Thesimulationfiguresaregivenbypr

15、ogrammingandspToolsignalprocessingtoolbox.Furthermore,thedesignedFDAtoolfilterarecalledandsimulatedinSIMULINK.KeywordsMATLAB；digitalfilter；FDAtool；SPTool；Simulink!（上接第180页）检测测试与评估方法的平台，实现对多种IDS的检测己成为当前IDS应用的另一重要研究与发展领域。4）与其它网络安全技术相结合：入侵检测系统和网络管理的综合使用变得越来越必要了。如结合防火墙、PKIX、安全电子交易SET等新的网络安全与电子商务技术，提供完整的

16、网络安全保障。4结束语随着计算机网络技术的飞速发展，网络用户数量的急剧增加，网络信息安全的问题受到了前所未有的挑战。入侵检测系统作为防火墙之后的第二道安全闸门，它采用的是一种主动的技术，能有效地发现非法用户入侵行为和合法用户滥用特权行为，是保护网络信息安全不可或缺的重要组成部分。目前入侵检测系统还处于研究与发展阶段，存在着好多不足之处，需要广大科技工作者花大力气去完善它。参考文献123程胜利计算机病毒及其防治技术M北京：清华大学出版社，2004.刘俊强，饶元，霍华入侵检测系统的安全性研究J计算机应用研究，2003，20(11)：69-72戴英侠系统安全与入侵检测M北京：清华大学出版社，2002.StudyonProblemofIntrusionDetectionSystemSHENJin-xiang(CellegeofMathmaticsandComputerScience,ShanxiDatongUniversity,Datong037009,China)AbstractThepaperillustratestheconceptofintrusiondetectionsystemandsomeproblems.Themethodofsolvingproblemsarealsointroducedindetail.Atlastitpredict