IIR數(shù)字濾波器材料清單及表格

1、 2013屆畢業(yè)設計（論文） 材 料 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 講師 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 學 號： 2013 年 5 月材料清單1、任務書2、開題報告3、進度檢查表4、指導教師評閱表5、評閱評語表6、答辯資格審查表7、答辯及最終成績評定表8、畢業(yè)設計說明書9、附錄湖南工學院2013屆畢業(yè)設計（論文）課題任務書學院：電氣與信息工程學院 專業(yè)：電子信息工程 指導教師學生姓名課題名稱IIR數(shù)字濾波器的設計內(nèi)容及任務鞏固所學習過的關于數(shù)字信號處理的濾波器的設計,學習使用MATLAB GUI設計工具應用平面。(1)通過對IIR濾波器的基本原理的學習

2、，應用Matlab語言編程實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，并依據(jù)濾波器的性能指標，對結(jié)果進行分析。(2)利用Matlab提供的Simulink模塊，完成濾波器的仿真，依據(jù)性能指標，調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù)，并對結(jié)果進行分析。熟悉Simulink模塊的應用。(3)設計一個可操作的GUI圖形界面，使得濾波器的應用操作簡單化，可視化，直接在圖形界面上改變參數(shù)，分析濾波器的性能。擬達到的要求或技術(shù)指標本課題要求熟悉IIR數(shù)字濾波器的設計方法，采用不同的方法設計濾波器。使用MATLAB提供的GUI工具，實現(xiàn)方便用戶使用的數(shù)字濾波器交互界面的開發(fā)。具體的設計要求和指標為：1、能夠利用GUI設計出用戶圖形界面。2、在下拉菜單

3、中，能夠選擇巴特沃斯、切比雪夫濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器。3、設計濾波器類型可選，能夠選擇Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop等類型。4、在下拉菜單中可選擇圖形顯示類型，能夠選擇Linear、Logarithmic兩種類型。5、在設計濾波器階數(shù)時，可選擇自定義階數(shù)和利用最小階數(shù)設計濾波器，并顯示最小階數(shù)。 6、在參數(shù)輸入中，可輸入抽樣頻率Fs、濾波器通帶臨界頻率（Fp1、Fp2）、濾波器阻帶臨界頻率（Fst1、Fst2）、通帶內(nèi)的最大衰減Rp、通帶內(nèi)的最小衰減Rs。7、能夠同時將濾波器的幅頻響應曲線和相頻響應曲線顯示在設計的用戶界面中。進度安排起止日期工

4、作內(nèi)容備注2013.1.13-2013.2.282013.3.1-2013.4.252013.4.26-2013.5.92013.5.10-2013.6.22013.6.3-2013.6.42013.6.5-2013.6.9查閱相關資料，了解數(shù)字濾波器的發(fā)展歷史和研究應用現(xiàn)狀，確定課題總體方案，明確課題任務、撰寫開通報告。學習并掌握應用MATLAB工具箱進行設計,要求能夠使用MATLAB語言進行程序設計并設計相應的濾波器界面。完成論文的初稿，交指導老師進行初步的檢查。根據(jù)指導老師的指導要求，修改論文，完成論文正稿，并再次交指導老師評審。論文定稿。準備答辯。畢業(yè)設計(論文)答辯。主要參考資料1程

5、佩青編著數(shù)字信號處理教程第三版北京：清華大學出版社，2007.22徐成波陶紅艷楊菁楊如明編著數(shù)字信號處理及MATLAB實現(xiàn)第二版北京：清華大學出版社，2008.13王宏MATLAB6.5及其在數(shù)字信號處理中的應用北京：清華大學出版社4張葛祥，李 娜. MATLAB仿真技術(shù)與應用.北京：清華大學出版社，20035徐成波,陶紅艷,楊菁,楊如明編著數(shù)字信號處理及MATLAB實現(xiàn)第二版北京：清華大學出版社，2008.16王宏MATLAB6.5及其在數(shù)字信號處理中的應用北京：清華大學出版社，20097施曉紅等.MATLAB精通GUI圖形界面編成，北京大學出版社，2003教研室意見年 月 日學院主管領導意

6、見年 月 日湖南工學院畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目IIR數(shù)字濾波器的設計學生姓名班級學號專業(yè)電子信息工程一、對課題任務的學習與理解數(shù)字濾波在DSP（數(shù)字信號處理）中占有重要地位。數(shù)字濾波器按實現(xiàn)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應，分為IIR(無限脈沖響應）和FIR（有限脈沖響應）濾波器。如果IIR濾波器和FIR濾波器具有相同的性能，那么通常IIR濾波器可以用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，執(zhí)行速度更快，所有的儲存單元更少，所以既經(jīng)濟又高效。數(shù)字濾波器精確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設備所沒有的許多優(yōu)點，已廣泛地應用于各個科學技術(shù)領域，例如數(shù)字電視、語音、通信、雷達、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學以及許

7、多工程應用領域。隨著信息時代數(shù)字時代的到來，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門及其重要的科學和技術(shù)領域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是，模擬電路技術(shù)存在很多難以解決的問題，例如，模擬電路元件對溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術(shù)則避免很多類似的難題，當然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對信號進行處理是目前的發(fā)展方向。MATLAB是“矩陣實驗室”（MATrix LABoratoy）的縮寫，它是由美國Mathworks公司于1984年正式推出的一種面向科學與工程的計算軟件，是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，專門針對科學、工程計算及繪圖的需求。隨著版

8、本的不斷升級，內(nèi)容不斷擴充，功能更加強大，從而被廣泛應用于仿真技術(shù)、自動控制和數(shù)字信號處理等領域。全球現(xiàn)有超過五十萬的企業(yè)用戶和上千萬的個人用戶，廣泛分布在航空航天、金融財務、機械化工、電信、教育等各個行業(yè)。通過matlab和相關工具箱，工程師、科研人員、數(shù)學家和教育工作者可以在統(tǒng)一的平臺下完成相應的科學計算工作。matlab 本身包含了 600 余個用于數(shù)學計算、統(tǒng)計和工程處理的函數(shù)，這樣，就可以迅速完成科學計算任務而不必進行額外的開發(fā)。業(yè)內(nèi)領先的工具箱算法極大的擴展了 matlab 的應用領域，所以matlab自推出以來就受到廣泛的關注，信號處理工具箱就是其中之一，在信號處理工具箱中，ma

9、tlab提供了濾波器分析、濾波器實現(xiàn)、fir濾波器實現(xiàn)、iir數(shù)字濾波器設計、iir數(shù)字濾波器階次估計等方面的函數(shù)命令。由于我們所面對的工程問題越來越復雜，過去所依賴分析的技術(shù)已逐漸不敷使用。利用電腦來分析及解決工程問題已是當今工程師的必要工具。使用 matlab 軟件進行科學計算，能夠極大加快科研人員進行研究開發(fā)的進度，減少在編寫程序和開發(fā)算法方面所消耗的時間和有限的經(jīng)費，從而獲得最大的效能。其次，利用Matlab 強大的信號分析和工程計算能力，可以充分發(fā)揮Matlab 的平臺良好的擴展性，以及對硬件和數(shù)據(jù)庫的操作性，實現(xiàn)更高級的功能。二、 閱讀文獻資料進行調(diào)研的綜述數(shù)字濾波器發(fā)展及應用現(xiàn)狀

10、：濾波器在數(shù)值信號處理中有廣泛的應用，為此我們將濾波器作簡單介紹，達到拋磚引玉的作用。若濾波器的輸入、輸出都是離散時間信號，那么，該濾波器的沖擊響應（或濾波因子）也必然是離散的，我們稱這樣的濾波器為數(shù)字濾波器（Digital Filter，DF）。當用硬件實現(xiàn)一個DF時，所需的元件是延遲器、乘法器和加法器。當在計算機上用軟件實現(xiàn)時，它就是一段線性褶積（或卷積）的程序。我們知道，模擬濾波器（Analog Filter，AF）只能用硬件來實現(xiàn)，其元器件是R，L，C及運算放大器或開關電路。因此，DF的實現(xiàn)要比AF容易的多，而且易獲得較為理想的效果。濾波器的種類很多，分類方法也不同，如可以從功能上分，

11、也可以從實現(xiàn)方法上分，或從設計方法上來分等等。但總的來說，濾波器可以分為兩大類，即經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器。經(jīng)典濾波器是假定輸入信號x(n)中的有效信號和噪聲（或干擾）信號成分各在不同的頻帶，當x(n)通過一個線性濾波系統(tǒng)后，可以將欲噪聲信號成分有效地去除?？墒牵绻行盘柡驮肼曅盘柕念l率帶相互重疊，那么經(jīng)典的濾波器將無能為力。現(xiàn)在的地質(zhì)雷達信號處理中的濾波器主要采用經(jīng)典的濾波器進行處理。因此有時濾波效果較好，有時較差。現(xiàn)代濾波理論研究的主要內(nèi)容是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄（又稱為時間序列）中估計出信號的某些特征或信號本身。一旦信號被估計出，那么估計出的信號將比原信號會有高的信噪比?，F(xiàn)代濾波器把信號

12、和噪聲都視為隨機信號，利用它們的統(tǒng)計特征（如自相關函數(shù)、功率譜函數(shù)等等）導出一套最佳的估值算法，然后用硬件和軟件實現(xiàn)。目前現(xiàn)代濾波器主要有：維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預測器、自適應濾波器等，很多專家將基于特征分解的頻率估計及奇異值分解算法都歸入現(xiàn)代濾波器的范疇。三、主要研究內(nèi)容、初步擬定的設計思路及方案1、主要研究內(nèi)容：數(shù)字濾波器的設計對工程、應用數(shù)學及計算機科學都是非常重要的。濾波器是控制、信號處理和通信領域的重要組成部分,廣泛應用于各種系統(tǒng)中。其中無限沖激響應（IIR）數(shù)字濾波器和有限沖激響應（FIR）數(shù)字濾波器是目前人們使用較多的兩種。IIR濾波器的特征是，具有無限持續(xù)時間沖激響應。

13、這種濾波器也稱之為遞歸型濾波器。IIR數(shù)字濾波器的設計常采用兩種方法：一、沖激響應不變法 二、雙線性變換法。 要求設計IIR濾波器的原理，步驟。并用MATLAB進行仿真實現(xiàn)。利用Simulink模塊建立仿真框圖，并使用MATLAB提供的GUI工具，實現(xiàn)方便用戶使用的數(shù)字濾波器交互界面的開發(fā)。2、設計思路及方案設計一個數(shù)字濾波器去仿真一個模擬濾波器有脈沖響應不變法和雙線性變換法。其設計過程都是由給定的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)去變換出相應的數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。脈沖響應不變法的設計原理如下：脈沖響應不變法是從濾波器的脈沖響應出發(fā)，使數(shù)字濾波器的單位脈沖響應序列模仿模擬濾波器的沖激響應

14、，即對進行等間隔采樣,采樣間隔為T，使h(n)正好等于的采樣值，滿足= ,因此脈沖響應不變法是一種時域逼近方法。雙線性變換法的設計原理如下：脈沖響應不變法的主要缺點是產(chǎn)生頻率響應的混疊失真。這是因為從s平面到z平面是多值的映射關系所造成的。為了克服這一缺點，可以采用非線性頻率壓縮方法，將整個頻率軸上的頻率范圍壓縮到-/T/T之間，再用z=esT轉(zhuǎn)換到z平面上。也就是說，第一步先將整個s平面壓縮映射到s平面的-/T/T一條橫帶里；第二步再通過標準變換關系z=e將此橫帶變換到整個z平面上去。這樣就使s平面與z平面建立了一一對應的單值關系，消除了多值變換性，也就消除了頻譜混疊現(xiàn)象。 3、存在的問題及

15、采取的解決措施（1）確定指標。在設計一個濾波器之前，必須首先確定一些技術(shù)指標。這些技術(shù)指標需要來制定。在很多實際應用中，例如語音或音頻信號處理中，數(shù)字濾波器常用來實現(xiàn)選頻操作。因此，指標的形式一般確定為頻域中幅度和相位的響應。（2）逼近。確定了濾波器的技術(shù)指標后，就可以利用數(shù)學和DSP的基本原理提出一個濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器的設計方法設計出一個過渡濾波器來逼近給定的目標。這一步是濾波器設計的所要研究的主要問題，是整個設計過程的重中之重。（3）軟件實現(xiàn)。上兩步的結(jié)果是得到以差分或系統(tǒng)函數(shù)或沖激響應描述的濾波器，根據(jù)這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗證設計結(jié)果是否滿足指標要求，

16、或者利用計算機仿真實現(xiàn)設計的濾波器，再分析濾波結(jié)果來判斷。數(shù)字濾波器技術(shù)指標 模擬濾波器 技術(shù)指標 數(shù)字濾波器 模擬濾波器 模擬濾波器 設計方法變換變換4、IIR數(shù)字濾波器的初步設計利用MATLAB信號處理工具箱函數(shù)可以通過編程實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器的設計；而濾波器設計和分析工具(FDATool)可以很方便地設計出符合應用要求IIR濾波器。然后建立Simulink仿真框圖仿真出濾波后的效果。Matlab可視化界面的設計，則通過Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE來形成相應文件。Matlab軟件GUIDE為用戶提供了一個方便高效的集成環(huán)境，所有GU1支持的用戶控件都集成在這個環(huán)境中，并提供界

17、面外觀、屬性和行為響應方式的設置方法。GUIDE將用戶保存設計好的GUI界面保存在一個FIG資源文件中，同時自動生成包含GUI初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，為實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)提供了一個參考框架。四、進度安排2013年1月13日-2月28日：查閱相關資料，了解數(shù)字濾波器的發(fā)展歷史和研究應用現(xiàn)狀，確定課題總體方案，明確課題任務、撰寫開題報告。2013年3月1日-4月25日：學習并掌握應用MATLAB工具箱進行設計,要求能夠使用MATLAB語言進行程序設計并設計相應的濾波器界面。2013年4月26日-5月9日：完成論文的初稿，并交指導老師進行初步的檢查。2013年5月10日-6月2日：根據(jù)指導老

18、師的指導要求，修改論文，完成論文正稿，并再次交指導老師評審。論文定稿。2013年6月3日-6月4日：準備答辯。2013年6月5日-6月9日：畢業(yè)設計(論文)答辯。五、參考文獻1 倪養(yǎng)華，等數(shù)字信號處理與實現(xiàn)上海：上海交通大學出版社，19982 施陽等MATLAB語言工具箱西安：西北工業(yè)大學出版社，19913 董長虹等. MATLAB信號處理與應用.北京：國防工業(yè)出版社，20054 美 M.H.海因斯 著，張建華等 譯.數(shù)字信號處理.北京：科學出版社，20025 張葛祥，李 娜. MATLAB仿真技術(shù)與應用.北京：清華大學出版社，20036 樓順天，李博菡基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設

19、計.西安：西安電子科技大學出版社，19987 程佩青編著數(shù)字信號處理教程第三版北京：清華大學出版社，2007.28 徐成波,陶紅艷,楊菁,楊如明編著數(shù)字信號處理及MATLAB實現(xiàn)第二版北京：清華大學出版社，2008.19 王宏MATLAB6.5及其在數(shù)字信號處理中的應用北京：清華大學出版社，200910 施曉紅等.MATLAB精通GUI圖形界面編成，北京大學出版社，2003指導教師批閱意見 指導教師(簽名)： 年 月 日湖南工學院畢業(yè)設計(論文)工作進度檢查表題目IIR數(shù)字濾波器的設計學生姓名班級學號專業(yè)電子信息工程指導教師填寫學生開題情況學生調(diào)研及查閱文獻情況畢業(yè)設計（論文）原計劃有無調(diào)整學

20、生是否按計劃執(zhí)行工作進度學生是否能獨立完成工作任務學生的英文翻譯情況學生每周接受指導的次數(shù)及時間畢業(yè)設計（論文）過程檢查記錄情況學生的工作態(tài)度在相應選項劃“”認真一般較差尚存在的問題及采取的措施：1、用脈沖響應不變法設計IIR數(shù)字濾波器時,應注意哪些問題?答：脈沖響應不變法是一種時域上的轉(zhuǎn)換方法，這種方法適用于系統(tǒng)函數(shù)H(z)可以用部分分式分解成單階極點和濾波器是一個帶限系統(tǒng)的情況，它使數(shù)字濾波器的沖擊響應h(n）等于模擬濾波器的單位沖擊響應h(t)的采樣值。脈沖響應不變法是使數(shù)字濾波器在時域上模仿模擬濾波器，由于s平面到z平面的多值映射關系，會導致數(shù)字濾波器頻率響應出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，要特別注意。

21、2、在設計可操作的GUI圖形界面，有什么應該注意的？答：GUI即人機交互圖形化用戶界面設計。主要的界面設計原則：1簡潔性2規(guī)范性3合理性4人性化。遵從的流程：（1）明確界面設計的目標。（2）合理構(gòu)思界面的布局，可在演算紙上先繪制界面的草圖，明確各界面之間如何的銜接。（3）在MATLAB中設計圖形界面，設計相應對象的參數(shù)，并力圖使界面簡潔、美觀、易操作。（4）編寫相應的回調(diào)函數(shù)。（5）調(diào)試GUI界面的執(zhí)行。3、怎樣快速計算IIR數(shù)字濾波器的群延遲？答：描述相位變化隨著頻率變化的快慢程度的量稱為群延遲。是相頻特性的負導數(shù)()=-d()/d。群延遲直觀上就是信號波形包絡的時延，單個頻率是不存在群延時

22、的；從公式來看是相頻特性曲線的斜率，反映的是一個器件對帶內(nèi)每個頻點信號相位的影響，群延遲恒定時傳輸波形失真最小。4、如何用matlb實現(xiàn)基于雙線性變換法的iir數(shù)字巴特沃思帶通濾波器設計答：巴特沃斯模擬低通濾波器的特性完全由3dB截止頻率Wc和階數(shù)N兩個參數(shù)決定，參數(shù)Wc和N由所給的通帶截止頻率Wp，阻帶截止頻率Ws，通帶最大衰減Rp，阻帶最小衰減Rs決定，巴特沃斯模擬低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)經(jīng)計算可得。根據(jù)得到的數(shù)字指標，用雙線性變換為模擬低通指標，歸一化模擬指標，得到想要的濾波器類型（比如說高通，帶通），再用雙線性變換法轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。5、如何在GUI界面改變控件的屬性，如標識屬性？答：各種不

23、同的控件由屬性Style的值來控制。6、關于IIR數(shù)字濾波器的設計哪方法最適宜，各自在設計中又要注意些什么？答：（1）、調(diào)用MATLAB信號處理工具箱中濾波器設計函數(shù)設計各種IIR數(shù)字濾波器；（2）、利用濾波器設計分析工具FDATool設計各種IIR數(shù)字濾波器。指導教師簽字： 年 月 日學院意見： 負責人簽字：年 月 日湖南工學院2013屆畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表 學院：電氣與信息工程學院 專業(yè)：電子信息工程 學生姓名學 號班 級專 業(yè)電子信息工程指導教師姓名課題名稱IIR數(shù)字濾波器的設計評語：是否同意參加答辯：是 否指導教師評定成績分值：指導教師簽字： 年 月 日湖南工學院畢業(yè)設計（論

24、文）評閱評語表題目IIR數(shù)字濾波器的設計學生姓名班級學號專業(yè)電子信息工程評閱教師姓名職稱工作單位湖南工學院評分內(nèi)容具 體 要 求總分評分開題情況調(diào)研論證能獨立查閱文獻資料及從事其他形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務并提出實施方案，有分析整理各類信息并從中獲取新知識的能力。10外文翻譯摘要及外文資料翻譯準確，文字流暢，符合規(guī)定內(nèi)容及字數(shù)要求。10設計質(zhì)量論證、分析、設計、計算、結(jié)構(gòu)、建模、實驗正確合理。35創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識，有重大改進或獨特見解，有一定實用價值。10撰寫質(zhì)量結(jié)構(gòu)嚴謹，文字通順，用語符合技術(shù)規(guī)范，圖表清楚，書寫格式規(guī)范，符合規(guī)定字數(shù)要求。15綜合能力能綜合運用所學知識和技能發(fā)現(xiàn)與

25、解決實際問題。20總評分評閱教師評閱意見評閱成績評閱教師簽名日期湖南工學院畢業(yè)設計（論文）答辯資格審查表題 目IIR數(shù)字濾波器的設計學生姓名學    號專 業(yè)電子信息工程指導教師通過長時間的充分準備，關于畢業(yè)設計的所有工作都已經(jīng)做到最好了?，F(xiàn)在早已完成了畢業(yè)設計。 本設計選題依據(jù)：濾波器的作用主要是選擇所需頻帶的信號內(nèi)容而抑制不需要的其他頻帶的信號內(nèi)容。數(shù)字濾波器因其精度高、可靠性好、靈活性大等優(yōu)點, 在語音信號處理、信號頻譜估計、信號去噪、無線通信中的數(shù)字變頻以及圖像處理等工程實際應用中都很廣泛。而IIR濾波器實現(xiàn)的階次要求較低，所用的存儲單元也較少，并且具有效

26、率高，精度高的優(yōu)點，除此還能夠保留一些模擬濾波器的優(yōu)良特性，所以應用領域廣闊。 本設計主要研究內(nèi)容是：IIR數(shù)字濾波器的設計。利用MATLAB函數(shù)語言編程，用Simulink模塊仿真IIR數(shù)字濾波器。在此基礎上，使用MATLAB提供的GUI工具，實現(xiàn)方便用戶使用的數(shù)字濾波器交互界面的開發(fā)。本設計的研究思路及方案是：因為模擬濾波器的設計方法已經(jīng)很成熟，不僅有完整設計公式，還有完善的圖表和曲線供查閱；所以IIR數(shù)字濾波器的設計一般采用間接法，借助模擬濾波器來設計數(shù)字濾波器。具體的方案是：利用已有的模擬濾波器設計理論，首先根據(jù)設計指標設計一個合適的模擬濾波器，然后再通過脈沖響應不變法或雙線性變換法，完成從模擬到數(shù)字的變換。常用的模擬濾波器有巴特沃斯(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev) 濾波器、橢圓(Ellipse)濾波