基于matlab 数字滤波器的设计

1、摘要：用MATLAB设计滤波器可以根据设计要求非常简单地调整设计参数，大大减少设计工作量，有利于滤波器设计的优化。 由于Matlab其强大的数据处理功能广泛应用于工程计算，其丰富的工具箱便于工程计算，利用Matlab信号处理工具箱可以快速高效地设计各种数字滤波器，设计简单。 介绍了MATLAB R2009a环境下滤波器设计的方法和步骤。关键字：过滤器、matlab、fdatoolabstract :按使用矩阵weincanddefilestrefilessandmodifythefiltersperformenterconpringtoourdemands.thisreleiverallyde

2、sign itiationoffilterdesigning.mattalbacarcanbebidelityusinengineeringcalculations toolboxmakesthecalculationseasy.withmatlabsign tiousdigitefilesscallefilestranbedectionformitivellyinsimpleway.thisertionintroducdethemassolkeywords :过滤器、matlab、fdatool目录1引言：42过滤器概要42.1过滤器的概念42.2过滤器的发展过程52.3滤波器原理52.4过

3、滤器的分类63 MATLAB介绍93.1 MATLAB概况93.2基于MATLAB的历史背景93.3 MATLAB的语言特征113.4 MTALAB的功能124方案设计144.1巴特沃斯IIR滤波器的设计144.2切比雪夫I型IIR滤波器的设计154.3数字滤波器的设计154.4数字滤波器simulink模拟与实现25结论30参考文献31感谢321引言：对应模拟滤波器，数字滤波器在离散系统中被广泛使用。 利用离散时间系的特性，对输入信号的波形和频率进行加工处理。 或者，可通过将输入信号改变为恒定的输出信号来改变信号的频谱。 数字滤波器通常可以通过两种方法实现：使用数字硬件(称为数字信号处理功能

4、)来组装专用设备的方法，以及使用设备(称为数字信号处理功能)的方法来实现的另一种方法，直接使用通用计算机来使必要的计算编程以进行通用计算模拟滤波器是在测试系统和专用设备的仪表中经常使用的转换装置。 例如，将带通滤波器用作频谱分析器中的频率选择手段的低通滤波器、被用作数字信号分析系统中的抗频率混合滤波器的高通滤波器、被用于去除声辐射检测器中的低通噪声的带阻滤波器或涡流MATLAB是美国Mathworks公司发表的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。 MATLAB是英语矩阵实验室的简称。 在MATLAB环境中，用户可以综合地进行程序设计、数值计算、绘图、输入输出、文件管理等各种操作。 另外，

5、MATLAB具有强大的功能扩展能力，可以与其主系统一起配备各种工具箱来完成特定任务。 现在Mathworks公司推出了18种工具箱。 用户可以基于自己的工作任务，开发自己的工具箱.2过滤器介绍2.1过滤器的概念滤波器是用于去除噪声的装置，对输入或输出进行滤波以获得纯交流。 基本滤波器块可通过二次公共滤波器传递函数导出最常见的滤波器类型：低通、带通、高通、带阻、椭圆形滤波器。传递函数的参数f0、d、hHP、hBP和hLP可以用于构建所有类型的过滤器。 旋转下降频率f0是s项开始占主导地位时的频率。 设计者认为低于该值的频率是低频，认为高于该值的频率是高频，并且认为该值附近的频率是带内频率。 阻尼

6、d用于测量滤波器如何从低频率变化到高频率，阻抗d是这一滤波器通向振动的指示符之一。 实际的衰减值从0变化到2。 高通系数hHP是在比转移频率高的频率上占主导地位的分子的系数。 带通系数hBP是控制在旋转频率附近的频率的分子的系数。 低通系数hLP是支配于比旋转下降频率低的频率的分子的系数。 设计师只能通过这五个参数定义过滤器。2.2过滤器的发展过程能进行信号处理的装置都可以称为滤波器。 在现代电信设备和各种控制系统中，滤波器的应用在极其广泛的所有电子部件中使用最多，技术最复杂，必须计算滤波器。 过滤器的优劣直接决定产品的优劣，因此过滤器的研究和生产一直受到各国的重视。1917年美国和德国科学家

7、各自发明了LC滤波器，翌年出现了美国第一个复用系统。 50年代的无源滤波器越来越成熟。 从60年代开始随着计算机技术、集成技术和材料工业的发展，滤波器向新的阶段发展，向低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠性和廉价的方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠性成为70年代以后的主要攻击方向，RC有源滤波器、数字到70年代后期，上述几个滤波器的单片集成被开发和应用。 80年代大力研究提高各种新型过滤器性能，逐渐扩大了应用范围。 90年代目前，主要将各种过滤器应用于各种产品的开发和开发。 当然，过滤器本身的研究正在持续地进行。在我国过滤器广泛使用于50年代以后，当时主要用于通话过滤器和报纸过

8、滤器。 经过半个世纪的发展，我国的过滤器在研发、生产应用等方面有了一定的进步，但由于缺乏专业的研发机构，集成技术和材料工业跟不上，很多新型过滤器的研发应用与国际水平有距离。2.3滤波器原理可以使信号中的特定频率分量通过并且大幅度地衰减或抑制其他频率分量的装置和系统都被称为滤波器，并且对应于频率“筛”。 滤波器的功能为允许一个部分的频率的信号顺利地通过，很大程度上抑制了另一部分的频率的信号，且本质上为选择电路。在滤波器中，信号可通过的频率范围被称为通带或通带，而信号被大大衰减或完全抑制的频率范围是理想滤波器的通带内的电压增益(称为阻带)，其被称为阻带的通带和阻带之间的边界频率为截止频率，实际上，

9、阻带内的电压增益为零。理想的过滤器和实际的过滤器：a .理想滤波器的频率特性理想滤波器：是用于防止通带内的信号的幅度和相位失真的、其中噪声内的所有频率分量被衰减为零的滤波器，并且在通带和阻带之间有明显的边界。理想低通滤波器的频率响应函数或者理想的滤波器实际上不存在。b .实际的过滤器实际过滤器的特性必须用以下参数描述：1 )定部平均值A0 :描述通带内的振幅特性的波纹度： d。2 )上下截止频率：将振幅特性值为A0/2时的对应频率值WC1、WC2作为带通滤波器的上下截止频率。 带宽。因为也被称为“-3dB”带宽3 )选择性：实际的滤波器通带宽曲线的斜率表示对滤波器的通带外频率分量的衰减能力，由

10、信道选择性和滤波器要素描述。已经表明，信道选择性：与上下截止频率相比，频率变化了一个倍频程时的振幅特性的衰减量，即倍频程选择性：=或=信道选择性总是为零以下，计算量的衰减量越大，选择性越好。过滤元件：-60dB下的带宽与-3dB下的带宽之比(即，越小)选择性越好。 分辨率：用分离信号的相邻频率成分的能力、质量要素q来记述。q越大，分辨率越高。c .实际带通滤波器的形式1 )恒定带宽通滤波器：B=常数，而与中心频率f0无关。2 )一定%带通滤波器：高频下一定%带通滤波器的分辨率比一定带通滤波器差。2.4过滤器的分类从大的方面来看，滤波器可以分为模拟滤波器和数字滤波器。 模拟滤波器由电阻、电容、电

11、感和原器件组成。实际上数字滤波器的应用很广泛。 根据实现方法，数字滤波器被分为IIR和FIR (即无限冲激响应滤波器和有限冲激响应滤波器)，其中IIR网络具有反馈环路，而FIR网络没有反馈环路。从小时候开始a .根据处理的信号，有模拟滤波器和数字滤波器两种。b .根据通过的信号的频带，分为低通、高通、带通和带阻滤波器这4种。低通滤波器：使信号中的低频成分和直流成分通过，抑制高频成分和噪声。高通滤波器：使信号中的高频成分通过，抑制低频成分和直流成分。带通滤波器：使一定频带的信号可以通过，抑制比该频带低或高的信号、干扰、噪声。带阻滤波器：抑制一定频带内的信号，使该频带以外的信号通过。c .根据采用

12、的部件不同，有无源滤波器和有源滤波器两种：无源滤波器：只由无源元件(r、l、c )构成的滤波器利用电容和电感元件的电抗随频率变化的原理而构成。 这种滤波器的优点是电路比较简单，不需要直流电源的电力供给，可靠性高的缺点是，通带内的信号有能量损失，负载效果显着，使用电感元件容易引起电磁感应，电感l大时，滤波器的体积和重量大有源滤波器：由无源元件(一般为r和c )和有源元件(集成运算放大器等)构成。 这种滤波器的优点在于，通带内的信号不仅没有能量损失，而且可以放大，负载效果不显着，多级连接时的相互影响小，容易用级联的简单方法构成高级滤波器，并且滤波器的体积小，重量轻，不需要磁屏蔽缺点是，通带被限制在

13、有源元件(例如集成运算放大器)的带宽上，需要直流电源的电力供给，可靠性不比无源滤波器高，因此不适用于高压、高频、大功率的情况。滤波器种类多，这里重点介绍近年来快速发展的几个滤波器。a .有源滤波器有源滤波器包括运算放大器、负电阻、负电容、负电感、频率可变电阻器(FDNR )、广义阻抗转换器(GIC )、负阻抗转换器(NIC )、正阻抗转换器(PIC )、负阻抗反转器(NII )、正b .开关电容滤波器(SCF )SCF具有可以大规模集成的优点，精度高的功能多，大部分电子部件和功能比用SC技术可以实现的数字滤波器更简单，不需要A/D、D/A转换的功能小，可以实现。SCF的应用情况：在以语音范围的

14、应用为主，工作频率在100KHz以内的信号处理中的应用有：可编程SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应滤波器、音乐集成、共振频谱、语言集成器、音调选择、语音编码、语音分析、均衡器、解调器、相位同步也就是说，SCF在仪器测量、医疗器械、数据和信息处理等多个领域有着广泛的应用前景。c .几种新型数字滤波器(DF )1 )适应DF自适应PS具有较强的自我学习、自我跟踪功能。 在雷达和声纳波束形成、缓慢的噪声干扰抑制、噪声信号处理、通信信道的自适应均衡、远距离电话的回声抵消等领域获得了广泛的应用，促进了现代控制理论的发展。在自适应DF中，有W-LMS算法和M-LMS算法、TDO算法差分LMS算法和C-

15、LMS算法。2 )多个PS在输入信号为窄带的信号处理系统中，通常采用多个DF技术。 为了降低采样率，保存信号中包含的所有信息，可以使用正交2s检波法，取出窄带信号的复包络线，通过A/D转换将复包络线转换为多序列来处理，该信号处理系统是复DF。 有很多功能。 在MTI雷达中，有在具有模糊频移来抑制噪声干扰的数字通信网和模拟通信网间进行复用的TDM/FDM信号转换复用等。3 )多维DF多维DF (通常为二维DF )用于图像处理、地震和石油勘探数据处理，多维DF的设计通常把一维DF的优化设计直接推广到多维DF。 在模糊和随机噪声干扰的二维图像的处理中，多维DF也发挥了很好的作用。d .其他新过滤器1

16、 )电子控制编程CCD横向过滤器(FPCCDTF )ccd(chargecoupled )固定加权的横向滤波器(TF )在信号处理中，具有与数字滤波器或各种信号处理部件相当的性能和成本。 这种滤波器主要用于自适应滤波的P-N序列和载波波形的匹配滤波器被共用化的频域滤波器及相关，进行褶积运算的声音信号和相位平衡相控阵列系统的波束合成和电视信号的重影除去等。2 )水晶过滤器那个适应了单方面的技术发展了。 70年代，集成了水晶过滤器的产生，使其发展得到了飞跃，近十年来，对水晶过滤器致力于以下研究：实现最佳设计，具有优异的选择，除此之外，改造并发展了寻求具有良好的时域响应的新材料的工作频率的过程在多路复用系统中，它被广泛地用作载波滤波器，在发送/接收期间，在单频带通信设备中被用作频率选择滤波器，而在频谱分析器和声纳设备中被用作中频滤波器。3 )弹性表面波滤波器是理想的超高频器件。 其振幅特性和相位特性可以单独控制，达到要求，体积小，长时间稳定性和技术简单。 通常，在作为残留边带滤波器应用于电视广播发射器的彩色电视接收机中调谐系统的表面梳形滤波器还广泛应用于国防卫星通信系统中。 声表