1、<p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　選題名稱: </p><p>　　系（院）: </p><p>　　專 業(yè): </p><p>　　班

2、 級(jí): </p><p>　　姓 名: 學(xué) 號(hào): </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　學(xué)年學(xué)期: 2010 ~ 2011 學(xué)年 第 1 學(xué)期</p>

3、<p>　　2011 年 01 月 08 日</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　數(shù)字濾波器是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或?yàn)V除某些頻率成分的器件。它在各種數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)

4、用，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定著數(shù)字產(chǎn)品的質(zhì)量，數(shù)字濾波器按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為IIR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器，其中IIR數(shù)字濾波器因結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可靠性高，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，在一些對(duì)相位要求不十分嚴(yán)格的場(chǎng)合有重要作用。本設(shè)計(jì)是利用Matlab語言對(duì)IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)建立一個(gè)軟件仿真平臺(tái)，系統(tǒng)由巴特沃斯濾波器、切比雪夫Ⅰ型濾波器、切比雪夫Ⅱ型濾波器等組成,每種濾波器也包含低通、高通、帶通、帶阻濾波的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果由時(shí)域單位脈沖響應(yīng)圖形幅度

5、譜、相位譜以及極零點(diǎn)圖表示，并輸入音頻文件測(cè)試濾波功能，還可任意修改各系統(tǒng)參數(shù)以分析研究濾波器設(shè)計(jì)結(jié)果，形象直觀。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波器；Matlab；IIR數(shù)字濾波器；仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 課題綜述1</b></p><

6、p>　　1.1 課題來源及意義1</p><p>　　1.2 實(shí)現(xiàn)的功能1</p><p><b>　　2 系統(tǒng)分析1</b></p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)1</p><p>　　2.2 IIR濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)3</p><p><b>　　

7、3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　3.1 IIR濾波器的設(shè)計(jì)3</p><p>　　3.2 系統(tǒng)框圖4</p><p><b>　　4 代碼編寫5</b></p><p>　　4.1 巴特沃斯低通與高通的實(shí)現(xiàn)代碼5</p><p>　　4.2 巴特沃斯帶通與

8、帶阻實(shí)現(xiàn)代碼5</p><p>　　4.3 切比雪夫1低通與高通的實(shí)現(xiàn)代碼6</p><p>　　4.4 切比雪夫2低通與高通的實(shí)現(xiàn)代碼6</p><p><b>　　5運(yùn)行與調(diào)試7</b></p><p>　　5.1 運(yùn)行界面7</p><p>　　5.2 程序調(diào)試11&l

9、t;/p><p><b>　　總 結(jié)12</b></p><p><b>　　致 謝13</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)14</p><p><b>　　1 課題綜述</b></p><p>　　1.1 課題來源及意義</p&

10、gt;<p>　　數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理的重要內(nèi)容，是由乘法器、加法器的單位掩飾器組成的一種運(yùn)算過程，其功能是對(duì)輸入離散信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器根據(jù)頻域特性可為低通、高通、帶通和帶阻四個(gè)基本類型；根據(jù)時(shí)域特性可分為無限長單位沖激響應(yīng)IIR（Infinite Impulse Response）濾波器和有限長單位沖激響應(yīng)FIR（Finite Impulse Response）濾波器。其中MATLA

11、B軟件為數(shù)字濾波的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)直觀、高效、便捷的利器。它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中，其中信號(hào)處理、圖像處理、小波等工具箱為數(shù)字濾波研究的蓬勃發(fā)展提供了有力的工具。</p><p>　　數(shù)字濾波在通信、圖像編碼、語音編碼、雷達(dá)等許多領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮等方面的應(yīng)用取得了令人矚目的進(jìn)展和成就。鑒于此，數(shù)字濾波器的設(shè)

12、計(jì)顯得尤為重要。</p><p>　　1.2 實(shí)現(xiàn)的功能</p><p>　　用MATLAB仿真軟件設(shè)計(jì)出IIR濾波器的主要框架，里面包含巴特沃斯濾波器、切比雪夫兩種濾波器的低通，高通，帶通，帶阻濾波，輸入音頻文件觀察聲音是否進(jìn)行了濾波，在高通、低通、帶通、帶阻濾波的情況下音頻輸出有何不同，并比較各濾波器濾波效果。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)

13、分析</b></p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　2.1.1 巴特沃斯濾波器的原理</p><p>　　IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以用極、零點(diǎn)表示：</p><p>　　IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)的設(shè)計(jì)就是確定H(Z) 中的ak, bk，或確定ck、dk 及 A，以使濾波器滿足給定性能的要求。</p&

14、gt;<p>　　若通過模擬濾波器來設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，則：首先，設(shè)計(jì)一個(gè)合適的模擬濾波器Ha(s)，然后，變換成滿足預(yù)定指標(biāo)的數(shù)字濾波器H(z) 。</p><p>　　常用模擬原型濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器，模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：Ap 、As 、Ωs、Ωp</p><p>　　設(shè)計(jì)目標(biāo)：確定濾波器階次N和截止頻率Ωc。 </p><p>

15、;<b>　　進(jìn)而可以求得</b></p><p>　　2.1.2 脈沖響應(yīng)不變法的基本原理</p><p>　　脈沖相應(yīng)不變法是從從濾波器的脈沖響應(yīng)出發(fā)，使數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列h(n)模仿模擬濾波器的沖激響應(yīng)，將等間隔采樣，使h(n)正好等于的采樣值。</p><p>　　對(duì)h(n)求Z變換，即得數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)</p&

16、gt;<p>　　2.1.3 雙線性變換法的基本原理</p><p>　　采用非線性頻率壓縮方法：首先，將S平面壓縮映射到S1平面的 橫帶區(qū)域；其次，通過標(biāo)準(zhǔn)變換關(guān)系 將此橫帶區(qū)域變換到Z平面。</p><p>　　從頻率響應(yīng)出發(fā)，直接使數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng) ，逼近模擬濾波器的頻率響應(yīng) ，進(jìn)而求得H(z)。</p&

17、gt;<p>　　S1平面映射到Z平面： 得到 從而得到S平面和Z平面的單</p><p><b>　　值映射關(guān)系為： </b></p><p>　　2.2 IIR濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)</p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理工具箱提供的butter函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)Butterworth模擬和數(shù)字的設(shè)計(jì)，其特性

18、是通帶的幅值響應(yīng)最大限度的平坦，而損失過度的陡度。其中數(shù)字域的butter的函數(shù)格式為[b,a]=butter(w,wn)可設(shè)計(jì)出截止頻率為wn的n階低通數(shù)字Butterworth濾波器。</p><p>　　采用濾波器設(shè)計(jì)工具fdatool在相應(yīng)的界面填寫相應(yīng)數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)，并選擇相應(yīng)的濾波器類型即可，也可利用simulink中的數(shù)字濾波器模塊進(jìn)行，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與指標(biāo)分析。</p>&l

19、t;p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 IIR濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）創(chuàng)建圖形化用戶界面</p><p>　　在Blank GUI的空白窗體上放置面板控件、標(biāo)簽控件以及編輯框、按鈕和組合框控件，并設(shè)置其屬性進(jìn)行設(shè)置，最后保存結(jié)果。</p><p>　?。?）編寫控件回

20、調(diào)函數(shù)</p><p>　　選中按鈕，打開其屬性設(shè)置對(duì)話框，找到“Callback”項(xiàng)，單擊其右側(cè)的圖標(biāo)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入IIRMainForm.m文件的編輯界面。在系統(tǒng)所給的完整的結(jié)構(gòu)框架下輸入需要調(diào)用的代碼。例在function Button_A_Callback(hObject, eventdata, handles)下添加IIR_DispMag;同理，為其他五個(gè)按鈕建立的響應(yīng)函數(shù)如下：</p>&

21、lt;p>　　function Button_P_Callback(hObject, eventdata, handles) %相位圖</p><p>　　IIR_DispAngle;</p><p>　　function Button_SP_Callback(hObject, eventdata, handles) %零、極點(diǎn)圖</p><p>　　II

22、R_DispZplane;</p><p>　　function Button_WAV_Callback(hObject, eventdata, handles) %打開波形文件</p><p>　　IIR_GetWAVFile;</p><p>　　function Button_Play1_Callback(hObject, eventdata, handle

23、s) %播放原始文件</p><p>　　IIR_Playorg;</p><p>　　function Button_Play2_Callback(hObject, eventdata, handles) %播放濾波后文件</p><p>　　IIR_Playmod;</p><p>　?。?）編寫功能子函數(shù)</p><

24、;p>　　新建m文件，編寫各功能子函數(shù)的代碼，顯示幅度譜函數(shù)IIR_DispMag;顯示相位譜函數(shù)IIR_DispAngle;顯示極零點(diǎn)函數(shù)IIR_DispZplane;以及選擇波形文件函數(shù)IIR_GetWAVFile; 播放原始文件函數(shù)IIR_Playorg; 播放濾波后文件IIR_Playmod;</p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)框圖</b></p><

25、;p><b>　　↓</b></p><p><b>　　↓</b></p><p><b>　　↓</b></p><p><b>　　↓</b></p><p><b>　　↓</b></p><p>

26、;<b>　　↓</b></p><p><b>　　↓</b></p><p><b>　　4 代碼編寫</b></p><p>　　4.1 巴特沃斯低通與高通的實(shí)現(xiàn)代碼</p><p>　　if(strcmp(fil_name,'巴特沃斯'))</p

27、><p>　　if(strcmp(fil_type,'低通'))</p><p>　　Wp=2*pi*f2/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*f3/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[

28、n W]=buttord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　[B A]=butter(n,W,'s');</p><p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1);</p><p>　　elseif(strcmp(fil_type,'高通'))</p>

29、<p>　　Wp=2*pi*f2/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*f3/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=buttord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><

30、;p>　　[B A]=butter(n,W,'high','s');</p><p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1); </p><p>　　% msgbox('暫時(shí)只能低通濾波器！');</p><p>　　% FlagYYY=0;</p><p>　　4.2

31、 巴特沃斯帶通與帶阻實(shí)現(xiàn)代碼</p><p>　　elseif(strcmp(fil_type,'帶通'))</p><p>　　Wp=2*pi*[f2,f22]/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*[f3,f32]/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　

32、OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=buttord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　[B A]=butter(n,W,'s');</p><p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1); </p><p>　　elseif(s

33、trcmp(fil_type,'帶阻'))</p><p>　　Wp=2*pi*[f2,f22]/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*[f3,f32]/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=butt

34、ord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　[B A]=butter(n,W,'stop','s');</p><p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1); </p><p><b>　　end</b></p>

35、<p>　　4.3 切比雪夫1低通與高通的實(shí)現(xiàn)代碼</p><p>　　elseif(strcmp(fil_name,'切比雪夫1'))</p><p>　　if(strcmp(fil_type,'低通'))</p><p>　　Wp=2*pi*f2/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*f

36、3/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=cheb1ord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　[B A]=cheby1(n,Rp,W,'s');</p><

37、p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1);</p><p>　　elseif(strcmp(fil_type,'高通'))</p><p>　　Wp=2*pi*f2/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*f3/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><

38、p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=cheb1ord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　[B A]=cheby1(n,Rp,W,'high','s');</p><p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1); </p&

39、gt;<p><b>　　end</b></p><p>　　4.4 切比雪夫2低通與高通的實(shí)現(xiàn)代碼</p><p>　　elseif(strcmp(fil_name,'切比雪夫2'))</p><p>　　if(strcmp(fil_type,'低通'))</p><p>

40、;　　Wp=2*pi*f2/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*f3/f1;</p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=cheb2ord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　

41、[B A]=cheby2(n,Rp,W,'s');</p><p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1);</p><p>　　elseif(strcmp(fil_type,'高通'))</p><p>　　Wp=2*pi*f2/f1;</p><p>　　Ws=2*pi*f3/f1;<

42、;/p><p>　　OmigaP=Wp*f1;</p><p>　　OmigaS=Ws*f1;</p><p>　　[n W]=cheb2ord(OmigaP,OmigaS,Rp,Rs,'s');</p><p>　　[B A]=cheby2(n,Rp,W,'high','s');</p>

43、;<p>　　[num,den]=impinvar(B,A,f1); </p><p><b>　　end</b></p><p>　　% msgbox('暫時(shí)只針對(duì)巴特沃斯濾波器！');</p><p>　　%FlagYYY=0;</p><p><b>　　end</b&

44、gt;</p><p><b>　　運(yùn)行與調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1 運(yùn)行界面</b></p><p>　　圖5.1巴特沃斯低通濾波器</p><p>　　圖5.2 巴特沃斯濾波器的幅頻特性</p><p>　　圖5.3 巴特沃斯濾波器的相位譜<

45、/p><p>　　圖5.4 巴特沃斯濾波器零極點(diǎn)分布圖</p><p>　　圖5.5切比雪夫1高通濾波器</p><p>　　圖5.6切比雪夫1濾波器幅頻特性</p><p>　　圖5.7切比雪夫1濾波器相位譜</p><p>　　圖5.8切比雪夫1濾波器零極點(diǎn)分布圖</p><p><b&g

46、t;　　5.2 程序調(diào)試</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，阻帶的下限要小于通帶的下限小于通帶的上限小于阻帶的上限，且采樣頻率的選取要大于2倍的最高頻率，這樣通帶才能運(yùn)行起來。在運(yùn)行過程中，一開始由于在設(shè)計(jì)組合框控件屬性時(shí)把value的值改成了0.0，0.1，導(dǎo)致程序運(yùn)行不起來，經(jīng)過修改只要把value的值重新改為0.0即可。編寫完代碼發(fā)現(xiàn)如果不把IIR_GetWAVFile()中in

47、fo=['源信號(hào)-' name ';' str2num(time) '秒;fs=' str2num(freq) 'Hz']; info=info;刪掉的話就不能導(dǎo)入音頻文件。通過改變阻帶衰減可以很清楚地觀察到濾波的效果變好了。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　這次的課程設(shè)

48、計(jì)是IIR濾波器的分析與設(shè)計(jì)，是在MATLAB的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。由于在指導(dǎo)書上已經(jīng)給了主要框架的設(shè)計(jì)以及部分實(shí)驗(yàn)代碼，只要按照指導(dǎo)書上說的一步步做下去，并結(jié)合注釋加以理解便可設(shè)計(jì)出大概的框架出來。但在設(shè)計(jì)切比雪夫Ⅰ型濾波器的低通，高通和帶通帶阻濾波器的時(shí)候還是遇到了很多問題，代碼可以參照以前的實(shí)驗(yàn)，老師上課所講的例題，但在用MATLAB設(shè)計(jì)框架這一塊還有很多不理解，比如guidata函數(shù)是如何將結(jié)構(gòu)handles與GUI界面共同保存起來，

49、handles結(jié)構(gòu)函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)不同回調(diào)函數(shù)之間共享用戶數(shù)據(jù)的功能的。但是對(duì)于Callback回調(diào)函數(shù)還是掌握了很多的。這次課程設(shè)計(jì)中，脈沖響應(yīng)不變法與雙線性變換法在平時(shí)已經(jīng)接觸很多了，脈沖響應(yīng)不變法的最大缺點(diǎn)是有頻率響應(yīng)的混疊效應(yīng)。所以，脈沖響應(yīng)不變法只適用于限帶的模擬濾波器(例如，衰減特性很好的低通或帶通濾波器)，而且高頻衰減越快，混疊效應(yīng)越小。至于高通和帶阻濾波器，由于它們?cè)诟哳l部分不衰減，因此將完全混淆在低頻響應(yīng)中。如果要對(duì)高通

50、和帶阻濾波器采用脈沖響應(yīng)不變法，就必須先對(duì)高通和帶阻濾波器加一保護(hù)濾波器，濾掉高于折疊頻率以上的頻率，然后再</p><p>　　對(duì)于音頻濾波這一塊，可以很清楚地聽到在低通濾波時(shí)，音樂變慢了變低了，而在高通濾波時(shí)，音樂的聲音明顯變高變尖了?？傊?，這次的課程設(shè)計(jì)掌握了很多，不僅鞏固了老師上課所講的內(nèi)容，還對(duì)MATLAB的其他功能有了更進(jìn)一步的了解，對(duì)切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)也有了很多的了解，其功能實(shí)現(xiàn)的方法，原理，步驟

51、都掌握了一些。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先，主要感謝計(jì)算機(jī)工程學(xué)院給我提供的一個(gè)這樣的實(shí)踐機(jī)會(huì)和實(shí)驗(yàn)室人員提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及指導(dǎo)教師的辛勤指導(dǎo)，同組同學(xué)的互幫互助，參考文獻(xiàn)的原作者，以及其給我提供過幫助的所有人員。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下完成的。課程設(shè)計(jì)從選題、實(shí)驗(yàn)研究到

52、最后的成稿，都得到了老師的熱情鼓勵(lì)和悉心指導(dǎo)，凝聚了老師許多心血。畫原理圖時(shí)，由于對(duì)軟件功能的不是很理解，很多錯(cuò)誤都不知道怎么修改，通過詢問老師，老師很細(xì)心地給我講解，并告訴如何具體操作，一些常見的問題都給了我們解決的辦法。課程設(shè)計(jì)中也有很多代碼不是很理解，老師給我們修改、調(diào)試到出結(jié)果。真的很感謝老師給我們這么多幫助。無論課上還是課后，只要我們有問題，老師都會(huì)抽出時(shí)間幫自己調(diào)試，不孜不倦，老師向我們展示了他們負(fù)責(zé)認(rèn)真的一面，他們的耐心使

53、我們的成果有了希望，他們的負(fù)責(zé)認(rèn)真告訴我們只要努力是可以成功的，在此謹(jǐn)向尊敬的老師致以由衷的感謝和崇高的敬意！在本次課程設(shè)計(jì)的選題、研究與實(shí)驗(yàn)過程中，得到了許多同學(xué)的大力幫助，在此表示衷心的感謝!</p><p>　　其次要感謝和我一起作課程設(shè)計(jì)的組員，他們讓我在課程設(shè)計(jì)看見了什么是努力，什么是拼命，我們一起討論，一起找地方調(diào)試、運(yùn)行。遇到問題，集總體的智慧去解決，一種方案不行就換另一種方式解決，重新編譯代碼，重

54、新運(yùn)行調(diào)試，努力向前，有疲累，有痛苦，但繼續(xù)堅(jiān)持，不后退。他們讓我知道了團(tuán)結(jié)的力量，讓我知道了眾人的智慧會(huì)有無限的可能，因?yàn)樗麄?，自己可以重拾信心，可以有勇氣克服種種困難，更能夠?qū)W到很多的知識(shí)，真的，衷心地感謝大家。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p><b>　　1 : </b></p><

55、p>　　1 王永玉,孫衢.數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程與習(xí)題解答.北京:北京郵電大學(xué)出版社,2009</p><p>　　2 王永玉,孫衢.數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用.北京:北京郵電大學(xué)出版社,2009</p><p>　　3 萬永革.數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn).北京:科學(xué)出版社,2007</p><p>　　4 谷萩隆嗣,王友功譯著.數(shù)字濾波器與信號(hào)處理.北京:科