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计算机与现代化2007年第6期JISUANJIYUXIANDAIHUA总第142期文章编号:10060475(2007)06旬110旬3基于MATLAB的IIR数字滤波器设计与仿真严小军1’2,赵妮2,秦泓江3(1.陕西省利用亚洲开发银行贷款项目办公室,陕西西安710006;2.西安工业大学计算机科学与工程学院,陕西西安710032;3.中国石油测井有限公司,陕西西安710021)摘要:依据IIR型数字滤波器设计的传统方法,利用MA耵.AB信号处理工具箱(Si印alProcessiIlg’Ib0U)ox),分别用三种不同的方法快速有效地实现了对IIR数字滤波器的设计与仿真。给出了使用MAlfI.AB语言进行程序设计和利用信号处理工具箱的FDAjr001工具进行界面设计的详细步骤。进一步说明了如何利用MAll.AB环境下的仿真软件simllliIll【对所设计的滤波器进行动态仿真。关键词:数字滤波器;M胁B;无限长冲击响应;信号处理中图分类号:TP39l文献标识码:AD商gnandSimulationofⅡRDigitalFilterB嬲edonMATLABYANxiao-junl”,zHAoNi2,QINHong-jian矿(1.Shanx:.Pm、,incialUsillgADB’sLo锄P叫ectM蚰89eme眦0伍ce,)(i’蚰71000h6,Clli眦;乙computers(!ience锄dEngi鹏ringCollege,)【i’蚰1khnoI晒c8luIIive墙幻,)【i’觚710032,clIina;3.CK髓Petrole啪b蟛ngCo.,Ltd,)(i’蚰710021,Clli矾)A枫t:Illtlli8p叩er8method0fd船i鲥ngIIRdigitalmterllsingMAl队B8ignalprocessiIlgtoolboxmpidly叫de艉c曲elyisint捌uced.ne8tep8ofpm印吼lllingwimMAlrI.ABl明gIlageandime也cedesi印璐ingMAll-AB’sFDATcHolboxarepre8en-ted,髓dmetllodsofhowtodyIlaIllicaHysiml】latetlledesi印edmterusingSimlllinkofMA,n‘ABare百ven.Key啪rds:digitalmter;M埘舢;i血IIiteimpactre8poIlse;8i朗alproces8iIIg0引言利用脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器,其基本设计思路是直接设计一个数字滤波器并让它的时间特MAllAB是MAⅡf啪RK公司推出的一套面向科性逼近一个模拟滤波器。为了达到时间特性的最佳学和数值计算的可视化语言,它集数值分析、矩阵运算、逼近,把模拟滤波器的冲击响应均匀取值,作为数字信号处理和图形显示于一体,是一个高度集成系统,具滤波器的单位脉冲响应,即:有友好的用户界面和良好的帮助功能。MAlI。AB自带^(n)=^(t)I。。r的信号处理工具箱(si学【lal印脱ssillgtc’oU)0X),具有强大然后将h(n)通过z变换即求得H(z)。因此,脉的信号处理和分析功能,其中自带了许多函数,可以快冲响应不变法实际是时域取样法,整个过程是先根据速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。数字滤波器给定的指标设计一个模拟滤波器,进而按下列变换的根据其冲击响应函数的时域特性可以分为有限长冲击顺序,最后求得数字滤波器的系统函数H(z),即:响应(腿)和无限长冲击响应(皿)。下面以ⅡR型数露(s)_÷五(f)_^(,1)_+日(z)字滤波器的设计为例来具体说明MArII。AB在数字滤波在对滤波器进行实际设计时,整个过程运算量是器没计及系统仿真方面的应用。很大的。设计完成后要对已设计的滤波器的频率响1Ⅲt数字滤波器的传统设计方法应进行校核,得到幅频相频响应特性,运算量也是很大的。通常,待设计的数字滤波器,阶数和类型并不IIR数字滤波器具有无限宽的冲击响应,与模拟一定是完全给定的,很多时候都是要根据设计要求和滤波器相匹配。所以IIR滤波器的设计可以采取在滤波效果不断进行调整,以达到设计的最优化。在这模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。例如种情况下,滤波器的设计就要进行大量复杂的运算,单纯的靠公式计算和编制简单的程序很难在短时间收稿日期:2006.12扔作者简介:严小军(1972-),男,陕西渭南人,陕西省利用亚洲开发银行贷款项目办公室工程师,西安工业大学计算机科学与工程学院硕士研究生,研究方向:计算机仿真;赵妮(1974一),女,陕西周至人,西安工业大学计算机科学与工程学院讲师,研究方向:计算机仿真。2007年第6期严小军等:基于MAⅡAB的IIR数字滤波器设计与仿真11l内完成设计。利用MATLAB强大的计算功能进行计到最佳效果。其它类型的FIR滤波器和IIR滤波器算机辅助设计,可以快速有效地设计数字滤波器,大也都可以使用FDATool来设计。大地简化了计算量,直观简便。2.2程序设计法2Ⅲ己数字滤波器的MATLAB设计在MAn.AB中,对各种滤波器的设计都有相应的计2.1利用FDA‰l界面设计算振幅响应的函数,可以用来做滤波器的程序设计。对于上面的应用实例,也可以采用程序设计法利用模拟巴FDAT00l(FiherDesign&AnalysisTb01)是MAT.特沃斯滤波器来实现数字低通滤波器的.没计。LAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工在前面已经介绍了脉冲响应不变法设计ⅡR数字具,MAⅡAB6.O以上的版本还专门增加了滤波器设滤波器的原理和函数的转换方法,下面给出采用脉冲响计工具箱(FilterDes泗‰lbox)。FDAT00l界面为滤应不变法实现ⅡR数字低通滤波器设计的部分代码:波器的设计提供了一个交互式的设计环境,用户可以%利用模拟巴特沃斯滤波器设计数字低通滤波器根据对幅值和零极点图的设置,设计几乎所有的基本%脉冲响应不变法的常规滤波器,包括FIR和IIR的各种设计方法,它Wp=500;%wp为通带截止频率们都具有标准的频率带宽结构。下面以模拟巴特沃ws=600;%ws为阻带截止频率斯滤波器设计数字低通滤波器为例,具体介绍如何利Rp=l;%Rp为通带w(=O—wp)中的最大衰减系数用FDA‰l界面设计IIR数字滤波器的方法。As=50;%As为阻带w>=w8中的最小衰减系数应用实例:设计通带截止频率为500Hz、阻带截Fs=2000;%Fs为采样频率%性能指标止频率为600Hz、通带的最大衰减为1dB、阻带的最OmgP=2奉pi拳Wp;小衰减为50dB、采样频率为2000Hz的数字低通巴特OIIlgS=24pi¥Ws;沃斯滤波器。首先打开FDA‰l的设计界面,按照题目要求给[N,0mgC]=bu仕0rd(0m扩,Omgs,Rp,As,奄々;%选取模拟滤波器的阶数出各项参数的设置,如图1所示。[c8,ds]=bu竹er(N,oⅡIgc,台J);%设计出所需的模拟低通滤波器[bz,北]=impinvar(cs,ds,Fs);%应用脉冲响应不变法把模拟滤波器转换为数字滤波器3SiI肌lilll【仿真simulink是MA骶.AB软件的扩展,是一个实现动态系统建模和仿真的软件包。它与MATLAB语言的主要区别在于:Simulink与用户交互接口是基于w时dows的模型化图形输入,因而用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建.,而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块,用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能,而不必考察模块内部是如何实现的,通过对这些基本模块的调用,再将它图lFD觚碱设计界面贸垄孥警毫就可以构成所需要的系统模型,进而进行图l中,在FilterType中选择带宽结构为bw一仿真与分析。pass(低通滤波器);在Desi薛Method选项中选择IIR下面介绍如何调用simulink中的功能模块来实Butte刑onll(巴特沃斯滤波器);在Fiher0rder项中选现IIR数字滤波器仿真的方法,在仿真过程中,可以取该滤波器类型的阶数为MinimumOrder(最小阶双击各功能模块,随时改变参数,以便获取不同状态数);在F如quencyspecifications项中给出设计滤波器F的仿真结果。的频率响应性能参数,采样频率Fs=2000Hz,通带截本次设计是对带有白噪音的正弦波信号进行滤止频率Fpass=500Hz,阻带截止频率Fstop=600Hz;波处理,调用Simulink中的功能模块构成数字滤波器在Ma印itudeSpecifications项中给出设计滤波器的幅的仿真框图,如图2所示。值响应性能参数,通带的最大衰减Apss=1dB,阻带在图2中,应用了Simulink环境中的signalP晦的最小衰减Astop=50dB。设置完以后点击Desi印cessingB10ckset工具箱。该工具箱提供了一些滤波Filter即可得到所设计的IIR滤波器。通过菜单选项器模型,在设计时通过设置相应的参数即可得到需要Analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响的数字滤波器模型。对于输入信号,通过DSP应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。Sources模块中的一个白噪音信号模块Random在整个设计过程中,可以对比滤波器幅频相频特Source和一个正弦波信号模块Sinewave,叠加在一性和设计要求,随时调整参数和滤波器类型,以便得起形成一个带有干扰信号的杂质波。对于滤波器的112计算机与现代化2007年第6期图2IIR数字滤波器仿真图滤波前的波形滤波后的波形设计,通过FilterDesi印s模块中的Di西talFilterDe—图3滤波前和滤波后的波形图si弘模块设计符合要求的低通滤波器,对带有干扰的原始信号进行滤波。此外,图2中还有两个信号输出4结束语模块,分别应用DSPSinks模块中的VectorScope模利用MAⅡ.AB的强大运算功能,应用基于MAⅡ.AB块输出滤波前和滤波后的波形图,VectorSc叩el用来的ⅡR数字滤波器设计方法可以快速有效地实现由软件输出带有干扰的原始信号,Vectorscope用来输出经组成的常规ⅡR数字滤波器的仿真,设计方便、快捷,极滤波器滤波之后的信号,以便在仿真运行的过程中可大地减轻了工作量,在设计过程中还可以对比滤波器特以动态地观察滤波效果。性,随时更改参数,以达到滤波器设计的最优化,为滤波例如在滤波器设计模块中设置2阶低通IIR数器的设计和实现开辟了广阔的天地。字滤波器,采样频率为1000Hz。仿真运行后的结果如图3所示。参考文献:从图3中可以看到,该数字滤波器仿真模型实现[1]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子了对原始信号进行动态数字滤波的功能,滤除了原始科技大学出版社,2000.波中的忙刺,得到了很好的正弦波信号,在数字信号[2]薛年喜.MAfll.AB在数字信号处理中的应用[M].北传输和处理过程中对信号杂质作了清除,达到了滤波京:清华大学出版社,20D3.[3]姚俊,马松辉.simllliIll【建模与仿真[M].西安:西安电器的设计要求。子科技大学出版社,2002.[4]罗军辉.MAnAB7.0在数字信号处理中的应用[M].北京:机械工业出版社,2005.(上接第109页)Sql=讯sERTINTo用户表(u8erN锄e,Pwd>VALUEs(“fhnctionnewwin(ud){&userN锄e-&竹,胛&Pwd&胛)”Com.E)【ecme(sql)varmwwin=window.0pen(ud,”new试n”,”t00曲ar=no,10ca-删除程序userDelt.asp主要ASP代码为:tion=n0,directories=no,status=no,menubar=no,scroⅡba瑙=uid=Reqllest.Quer)rString(”U8erId”)yes,r鹤izable=ye8,widtll=400,heigllt=380”);C咖.E)【ecme(”DELETEFROM用户表册删砸UserId=”newwin.fbcu8();&llid)ret啪f缸se;}编辑完各个程序的代码后通过表单的提交功能有</script>序地连接各个程序,使之成为—个统一的系统程序。<table><tr><td><%=璐(”UserN锄e”)%></td><td><%=玛(~w∥)%></td>3结束语<td><8h耐=UserEdit.asp?userid=<%=璐(”Use.dr)%>ondick=”ret哪肿wwin(this.href)”>编辑</a>本系统结合了数据库,DreaⅡ1weaver和ASP编程<%If鹅(”U∞rN蛐∥)<>”AdⅡlin”Then%>技术,是针对企业仓库材料的出入库登记和查询统计<ahref=U∞rDeh.聃p?璐erid=<%=rs(”userId『,)%>等方面工作而开发的管理软件,针对企业的实际需∞cHck=‰t岫new试n(tlli8.href)”>删除</a></td>要,分析了管理系统的功能,并以厂方订车为重点,实<%EndIf%></tr>现车辆信息查询管理及客户管理等功能,是一个实用<%rs.MoveNext‰p%>的管理信息系统。</table>编辑用户信息程序userEdit.asp核心就是两个参考文献:[1]申朝阳,等.ASP与相关数据库技术高级指南[M].北SQL语句:京:中国水利水电出版社,2002.修改用户信息时:[2]梁玉钊,陈兴云.利用Acce8s2000开发学校管理系统sql=”UPDATE用户表SETPwd=”&Pwd&…矾ere[J].四川教育学院学报,2003,19(z1).UserN砌e=”&_UserN砌e[3]林少景.ASP.N】玎编程百例通[M].北京:清华大学出添加用户时:版社。2002.基于MATLAB的IIR数字滤波器设计与仿真作者:作者单位:严小军,赵妮,秦泓江,YANXiao-jun,ZHAONi,QINHong-jiang严小军,YANXiao-jun(陕西省利用亚洲开发银行贷款项目办公室,陕西,西安,710006;西安工业大学计算机科学与工程学院,陕西,西安,710032,赵妮,ZHAONi(西安工业大学计算机科学与工程学院,陕西,西安,710032,秦泓江,QINHong-jiang(中国石油测井有限公司,陕西,西安710021计算机与现代化COMPUTERANDMODERNIZATION2007,""(63次刊名:英文刊名:年,卷(期:被引用次数:参考文献(4条1.丁玉美.高西全.彭学愚数字信号处理20002.薛年喜MATLAB在数字信号处理中的应用20033.姚俊.马松辉Simulink建模与仿真20024.罗军辉MATLAB7.0在数字信号处理中的应用2005相似文献(10条1.期刊论文刘春.LIUChunMATLAB在数字滤波器设计中的应用-仪表技术2006,""(5介绍数字滤波器的基本概念,详细论述了利用MATLAB软件设计数字滤波器的原理、步骤和实现方法,并给出了设计实例和运行结果.2.期刊论文李明.罗霁.汤胜龙.LiMing.LuoJi.TangShenglong基于窗函数的FIR数字滤波器的优化及Matlab实现-电脑与电信2010,""(5窗函数法是设计数字滤波器的一种方法.简要介绍了如何利用窗函数进行FIR数字滤波器的设计,以及分析各种不同窗形式对滤波器性能的影响.最后运用Matlab进行仿真比较.3.期刊论文聂光伟.雷玉勇.汤积仁.孙书蕾.袁卓林基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计方法-科技创新导报2009,""(19IIR数字滤波器在语音、图像、数字通信系统和计算机领域信号处理中有广泛用途.本文结合IIR数字滤波器在图像处理中的实例,研究了基于MATLAB数字滤波器可视化集成设计与仿真问题.应用FDATool实现IIR数字滤波器的设计,然后利用SIMULINK进行数字滤波器的建模并仿真,通过修改滤波器的阶数和截止频率等参数来实现滤波器特性的改变,以满足设计的要求.4.期刊论文王磊.张婉.WangLei.ZhangWan基于MATLAB的数字滤波器交互界面设计-电子质量2008,""(5数字滤波器在数字信号处理中具有举足轻重的作用.在分析ⅡR数字滤波器和FIR数字滤波器设计原理的基础上,在设计过程中使用MATLAB提供的GUI工具,实现了方便用户使用的数字滤波器交互界面开发,进行应用演示,最后对ⅡR数字滤波器和FIR数字滤波器进行了对比分析.5.期刊论文卢莉蓉.周晋阳.牛晓东.LULi-rong.ZHOUJIN-yang.NIUXIAO-dong基于MATLAB的FIR数字滤波器的设计与仿真-科技信息2010,""(13数字滤波器作为数字信号处理的基本组成构件,其设计在数字信号处理中有着重要的意史.本文根据FIR数字滤波嚣设计的基本原理,提出了基于MATLAB的FIR数字滤波器的窗函数设计法.文中给出了设计实例,仿真结果表明设计的各项性能指标均达到了指定要求,设计过程简便易行.6.期刊论文倪维柱.徐寅林.吴华玉.NiWeizhu.XuYinlin.WuHuayu基于MATLAB和IP核的心电信号数字滤波器的设计-南京师范大学学报(工程技术版)2008,8(1传统的心电信号滤波功能一般是由模拟滤波器完成,但模拟滤波器存在较多的缺点(处理精度不高、速度不快、容易受到干扰以及适应差等,已越来越难以满足现代信号采集系统的要求.现提出了一种基于MATLAB和FPGA的数字滤波器的实现方案,能较好地克服上述模拟滤波器的缺点.该数字滤波器首先使用MATLAB和IP核相结合的方法生成代码,然后通过QuartusII软件把编译的程序下载到FPGA中以实现数字滤波器的软硬件设计.此方法使数字滤波器的设计变得非常简单和可靠.经试验,该数字滤波器在心电信号处理运用中满足设计要求.7.期刊论文江凤兵.JiangFengbing基于MATLAB的FIR数字滤波器的设计-科技广场2008,""(10FIR数字滤波器是数字滤波器系统中常见的滤波器,本文介绍通过采用频率抽样设计法来设计FIR数字滤波器,利用MATLAB语言的强大功能和在数字滤波器设计上具有的独特优势完成设计中的计算与图形的绘制.对所设计的低通滤波器的仿真和频率特性分析表明,利用MATLAB来设计数字滤波器简单、方便.8.学位论文赵秀玲基于定点DSP的FIR数字滤波器的研究与设计2007数字滤波技术是数字信号处理的核心技术,而FIR数字滤波器因其具有严格的线性相位、总是稳定等特点而广泛应用于数字信号处理的各个领域,是一个重要的研究课题。DSP芯片是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器,主要用来实时、快速地实现各种数字信号处理算法。用DSP芯片实现FIR数字滤波器,不仅具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点,而且因DSP芯片的可编程性,可方便地修改滤波器参数,从而改变滤波器的特性,设计十分灵活。本文主要研究了数字滤波器的基本理论,并对有限冲击响应数字滤波器FIR的设计和实现进行了分析和研究,尤其是在MATLAB环境下FIR数字滤波器的设计,主要是窗函数法及利用MATLAB的滤波器设计工具的设计方法,并用MATLAB语言编写了可以选择滤波器四种类型及七种窗函数的仿真程序,进行了具体的仿真分析。研究了TI公司的16位定点DSP芯片TMS320C5402的硬件和软件

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