基于MATLAB的FIR濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用(圖像去噪)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)2010級(jí)數(shù)字信號(hào)理課程設(shè)計(jì) 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課題名稱(chēng)基于MATLAB的FIR濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用（圖像去噪） 姓 名陳南洋學(xué) 號(hào) 院、系、部 電氣工程系專(zhuān) 業(yè) 電子信息工程指導(dǎo)教師 劉鑫淼2013年 6 月28日基于MATLAB的FIR濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用（圖像去噪） 陳南洋 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法；2掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法；3. 在MATLAB環(huán)境下產(chǎn)生噪聲信號(hào)；4掌握MATLAB設(shè)計(jì)FIR

2、數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法；5學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理。二、設(shè)計(jì)原理 1.利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理 如果所希望的濾波器的理想的頻率響應(yīng)函數(shù)為，則其對(duì)應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)為 （2.1）窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本原理是用有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)序列逼近。由于往往是無(wú)限長(zhǎng)序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)將截?cái)?，并進(jìn)行加權(quán)處理，得到：（2.2）就作為實(shí)際設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列，其頻率響應(yīng)函數(shù)為（2.3）式(2.3)中，N為所選窗函數(shù)的長(zhǎng)度。我們知道，用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的濾波器性能取決于窗函數(shù)的類(lèi)型及窗口長(zhǎng)度N的取值。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)對(duì)阻帶最小衰減和過(guò)渡帶寬度的要求選擇合適的窗函

3、數(shù)類(lèi)型和窗口長(zhǎng)度N 。各種類(lèi)型的窗函數(shù)可達(dá)到的阻帶最小衰減和過(guò)渡帶寬度見(jiàn)表2.1。表2.1 各種窗函數(shù)的基本參數(shù)窗函數(shù)旁瓣峰值幅度/dB過(guò)渡帶寬阻帶最小衰減/dB矩形窗-134/N-12三角形窗-258/N-25漢寧窗-318/N-44哈明窗-418/N-53布萊克曼窗-5712/N-74凱塞窗(=7.865)-5710/N-80這樣選定窗函數(shù)類(lèi)型和長(zhǎng)度N之后，求出單位脈沖響應(yīng)，并按照式（2.3）求出。是否滿足要求，要進(jìn)行演算。一般在尾部加零使長(zhǎng)度滿足2的整數(shù)次冪，以便用FFT計(jì)算。如果要觀察細(xì)節(jié)，補(bǔ)零點(diǎn)數(shù)增多即可。必要時(shí)檢查頻率響應(yīng)開(kāi)始讀入窗口長(zhǎng)度N計(jì)算hd(n)調(diào)用窗函數(shù)子程序求w(n)調(diào)

4、用子程序（函數(shù)）計(jì)算H(k)=DFTh(n)調(diào)用繪圖子程序（函數(shù)）繪制H(k)幅度相位曲線結(jié)束圖2.1主程序框圖計(jì)算h(n)= hd(n) w(n)2等波紋最佳逼近法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理用表示希望逼近的幅度特性函數(shù)，要求設(shè)計(jì)線性相位FIR數(shù)字濾波器時(shí)，必須滿足線性相位約束條件。用表示實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器幅度特性函數(shù)。定義加權(quán)誤差函數(shù)為式中，成為誤差加權(quán)函數(shù)，用來(lái)控制不同頻段（一般指通帶和祖帶）的逼近精度。等波紋最佳逼近基于切比雪夫逼近，在通帶和阻帶以的最大值和最小值為準(zhǔn)則，采用Remez多重交代迭代算法求解濾波器系數(shù)。在Remez多重交換迭代過(guò)程中是確知函數(shù)。利用等波紋最佳逼近準(zhǔn)則設(shè)計(jì)線性相位F

5、IR數(shù)字濾波器數(shù)學(xué)模型的建立及其求解算法的推導(dǎo)復(fù)雜，所以求解必須借助MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)remezord和remez，只要簡(jiǎn)單的調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)就可以完成線性相位FIR數(shù)字濾波器的等波紋最佳逼近設(shè)計(jì)。如果要求線性相位特性，則還必須滿足根據(jù)上式中的正、負(fù)號(hào)和長(zhǎng)度N的奇偶性又將線性相位FIR濾波器分成四類(lèi)。要根據(jù)所設(shè)計(jì)的濾波特性正確選擇其中一類(lèi)，例如，要設(shè)計(jì)線性相位低通特性，可以選擇這一類(lèi)，而不能選擇這一類(lèi)。三、主要實(shí)驗(yàn)儀器及材料計(jì)算機(jī)、MATLAB7.1教學(xué)版。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.噪聲信號(hào)的頻譜分析。2.設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫(huà)出頻率響應(yīng)。利用窗函數(shù)和最佳逼近的方法設(shè)計(jì)FIR濾波器；最后，利用MA

6、TLAB中的函數(shù)freqz畫(huà)出各濾波器的頻率響應(yīng)。3.用濾波器對(duì)噪聲圖像進(jìn)行濾波。4.比較幾種濾波器去濾波前后噪聲圖像的波形及頻譜。五、程序設(shè)計(jì)1.先調(diào)用原始圖像，然后對(duì)其進(jìn)行加噪；2.由各項(xiàng)參數(shù)求出單位脈沖響應(yīng)和其頻率響應(yīng)；3.利用布萊克曼窗函數(shù)法設(shè)濾波器，并對(duì)圖像去噪，；4.利用等波紋最佳逼近法設(shè)濾波器并對(duì)圖像去噪，。程序如下：I = imread(eight.tif);J = imnoise(I,gaussian,0.1);figure(1) ;imshow(I);title(原始圖像);figure(2);imshow(uint8(J);title(加噪圖像);%窗函數(shù)法fp=1000

7、;fs=2000;Fs=10000;wp=2*pi*fp/Fs;ws=2*pi*fs/Fs;B=ws-wp;N=ceil(12*pi/B);wc=(wp+ws)/2/pi;hn=fir1(N-1,wc);n=0:N-1;figure(3)subplot(1,2,1);stem(n,hn,.);title(h(n)波形); grid on;hw,w=freqz(hn,1);subplot(1,2,2);plot(w/pi,20*log10(abs(hw);title(頻率響應(yīng)hw);grid on; axis(0 1 -100 4);yt=filter2(hn,J);figure(4);imsh

8、ow(yt,);title(濾波后圖像1);%用等波紋最佳逼近方法繪制濾波器損耗函數(shù)以及輸出信號(hào)波形fp=120;fs=150;Ap=0.2;As=60;Fs=1000;wc=(fs+fp)/Fs;B=2*pi*(fs-fp)/Fs;Nb=ceil(11*pi/B);fb=fp,fs;m=1,0;dev=(10(Ap/20)-1)/(10(Ap/20)+1),10(-As/20);Ne,fo,mo,W=remezord(fb,m,dev,Fs); hn=remez(Ne,fo,mo,W);yet=filter2(hn,J);H,W=freqz(hn);m=abs(H);figure(5);su

9、bplot(3,1,1);plot(W/pi,20*log10(m/max(m);grid on;xlabel(omega/pi);ylabel(幅度(dB);axis(0,1,-100,0);title(損耗函數(shù)曲線);subplot(3,1,2);plot(hn);title(輸出信號(hào)波形);figure(6);imshow(yet,);title(濾波后圖像2)六、仿真結(jié)果及分析圖6.1原始圖像圖6.2 加噪圖像圖6.3 波形和頻率響應(yīng)圖6.4 濾波后圖像1圖6.5 損耗函數(shù)曲線和輸出信號(hào)波形圖6.6 濾波后圖像2七、設(shè)計(jì)總結(jié)1.該課題設(shè)計(jì)是先畫(huà)出原始圖像，然后畫(huà)出加噪圖像，然后由各項(xiàng)參

10、數(shù)求出單位脈沖響應(yīng)和其頻率響應(yīng)，再分別用布萊克曼窗函數(shù)法和等波紋最佳逼近法畫(huà)出信號(hào)波形和去噪圖像，并分析和比較，在分別求出損耗函數(shù)。2.FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法方法包括窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近。本文設(shè)計(jì)主要采用的是布萊克曼窗函數(shù)法和等波紋最佳逼近法設(shè)計(jì)FIR濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波去噪，通過(guò)布萊克曼窗函數(shù)這一過(guò)程，對(duì)濾波前后波形進(jìn)行對(duì)比分析得到結(jié)論。等波紋最佳逼近法是一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它克服了窗函數(shù)設(shè)計(jì)法和頻率采樣法的缺點(diǎn)，使最大誤差最小化，并在整個(gè)逼近頻段上均勻分布。設(shè)計(jì)的濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶和阻帶都是等波紋的，而且可以分別控制通帶和阻帶波紋幅度。3.經(jīng)過(guò)用窗函數(shù)法和等波紋最佳逼近法設(shè)計(jì)FIR濾波器所得的圖形可以看出，窗函數(shù)法設(shè)計(jì)出的濾波器效果更好。八、參考文獻(xiàn)