具有單位增益的帶通FIR濾波器設計-通信工程畢業論文-開題報告

一、選題的來源、目的、意義和基本內容

1、題目來源：學院畢業設計選題指南。

2、目的和意義：

    信號處理技術是指運用數值計算的方法對信號進行分析、變換、合、估值與識別等的處理。隨著電子技術和電子計算機技術的發展，數字信號處理技術受到了越來越廣泛的關注，數字信號處理的理論和技術也在不斷豐富和完善，新的理論和新技術層出不窮。可以說，數字信號處理是發展最快、應用最廣泛、成效最顯著的新科學之一，目前已廣泛地應用在語音、雷達、聲納、地震、圖像、通信、控制、生物醫學、遙感遙測、地質勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領域。

     過程中，所處理的信號往往混有噪音，從接收到的信號中消除或減弱噪音是信號傳輸和處理中十分重要的問題。根據有用信號和噪音的不同特性，提取有用信號的過程稱為濾波，實現濾波功能的系統稱為濾波器。在近代電信設備和各類控制系統中，數字濾波器應用極為廣泛。

二、國內外研究綜述

    信號處理一經問世，便吸引了很多學科的研究者，并把它應用于自己的研究領域。可以說，數字信號處理是應用最快，成效最為顯著的新學科之一。在語音、雷達、聲納、地震、圖像、通信系統等眾多領域都獲得了極其廣泛的應用，他有效地推動了眾多工程技術領域的技術改造和科學發展。近年來，隨著多媒體的發展，DSP芯片已在家電、電話、磁盤機等設備中廣泛應用。

三、參考文獻

[1]  馬玉韜, 軒秀巍, 車進, 滕建輔. 基于全相位濾波理論的基因預測[J].上海交通大學學報，2013，(07).

[2]  黃 翔 東，王 兆 華.全相位FIR濾波器族[J].  天津大學電子信息工程學院，2008，（6）

選題意義：

當今，數字信號處理的技術飛速發展，它不但自成一門學科，更是以不同的形式影響和滲透到其他的學科。它與國民經濟息息相關，與國防建設緊密相連，它影響或改變著我們的生產，生活方式，因此受到人們的普遍的關注。 

智能化，數字化和網絡化是當今信息技術發展的大趨勢，而數字化是智能化和網絡化的基礎，實際生活中遇到的信號多種多樣，例如廣播信號，電視信號，雷達信號，通信信號，導航信號，射電天文信號，生物醫學信號，控制信號，氣象新號，地震勘測信號，機械振動信號，遙感遙測信號，等等。上述的這些信號大部分是模擬信號，也有小部分是數字信號。模擬信號是自變量的連續函數，自變量可以是一維的，也可以是二維的。大多數情況下一維模擬信號的自變量是時間，經過時間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號便成為一維數字信號。因此，數字信號實際上是用數字序列表示的信號，語音信號經采樣和量化后，得到的數字信號是一個二維離散時間序列。數字信號處理，就是用數值計算的方法對數字序列進行各種處理，把信號變換成符合需要的某種形式。例如，對數字信號進行離散，對信號進行頻譜分析或者功率譜分析以了解信號的頻譜組成，進而對信號進行識別，對信號進行某種變換，使之更適合于傳輸，存儲和應用，對信號進行編碼以達到數據壓縮的目的等等

二、國內外研究現狀

在信號處理過程中，所處理的信號往往混有噪音，從接收到的信號中消除或減弱噪音是信號傳輸和處理中十分重要的問題。根據有用信號和噪音信號的不同特性，提取有用信號的過程成為濾波。實現濾波功能的系統被稱為濾波器。在近代電信設備和各類控制系統中，數字濾波器應用極為廣泛，這里只列舉部分應用最成功的領域。

（1）語音處理 

語音處理是最早應用數字濾波器的領域之一，也是最早推動數字信號處理理論發展的領域之一。該領域主要包括5個方面的內容：第一，語音信號分析。即對語音信號的波形特性，統計特性，模型參數等進行分析計算。第二，語音合成。即利用專用硬件或在通用計算機上運行軟件來產生語音。第三，語音識別。即利用專用硬件或計算機識別人的講話，或者識別說話的人。第四，語音增強。即從噪音或者干擾中提取被掩蓋的語音信號。第五，語音編碼。主要用于語音數據的壓縮，目前已經建立了一系列語音編碼國際標準，大量用于通信和音頻處理。 

（2）圖像處理 

數字濾波技術已經成功地應用于靜止圖像和活動圖像的恢復和增強，數據壓縮，去噪音和干擾，圖像識別以及層析X射線攝影，還成功地應用于雷達，聲納，超聲波和紅外線的可見圖像成像。 

（3）通信 

在現代通信技術領域內，幾乎沒有一個分支不受到數字濾波器技術的影響。信源編碼，信道編碼，調制，多路復用，數據壓縮以及自適應信道均衡等，都廣泛的采用數字濾波器，特別是在數字通信，網絡通信，圖像通信，多媒體通信等應用中，離開了數字濾波器，幾乎是寸步難行，其中，別人玩是通信技術未來發展方向的軟件無線電技術，更是以數字濾波技術為基礎。 

（4）電視 

數字電視取代模擬電視已經是必然的趨勢。高清晰電視的普及指日可待，與之配置的視頻光盤技術已經形成巨大市場產業：可視電話和會議電視產品不斷更新換代。視頻壓縮和音頻壓縮技術所取得的成就和標準化工作，促成了電視領域產業的蓬勃發展，而數字濾波器及其相關技術是視頻壓縮和音頻壓縮技術的重要基礎。 

（5）雷達 

雷達信號占有的頻帶非常寬，數據傳輸速率也非常高，因而壓縮數據量和降低數據傳輸速率是雷達信號數字處理面臨的首要問題。告訴數字器件的出現促進了雷達信號處理技術的進步。在現代雷達系統中，數字信號處理部分是不可缺少的，因為從信號處理，濾波，加工到目標參數的估計和目標成像的顯示都離不開數字濾波技術。雷達信號的數字濾波器是當今十分活躍的研究領域之一。

（6）聲納 

聲納信號處理分為兩大類，即有源聲納信號處理和無源聲納信號處理，有源聲納系統涉及的許多理論和技術與雷達系統相同。例如，他們都要產生和發射脈沖是探測信號，他們的信號處理任務都主要是對微弱的目標回撥進行檢測和分析，從而達到對目標進行探測，定位，跟蹤，導航，成像顯示等目的，他們要應用到的主要信號處理技術包括濾波，門限比較，譜估計等。 

（7）生物醫學信號處理 

數字濾波器在醫學中的應用日益廣泛，如對腦電圖和心電圖的分析，層析x射線攝影的計算機輔助分析，胎兒心音的自適應檢測等。 

（8）音樂 

數字濾波器為音樂領域開辟了一個新局面，在對音樂信號進行編輯，合成以及在音樂中加入交混回響，合聲等特殊方面，數字濾波技術都顯示出了強大的威力。數字濾波器還可用于作曲，錄音和播放，或對舊錄音帶的音質進行恢復等。

（9）其他領域 

數字濾波器的應用領域如此廣泛，以至于完全列舉他們是根本不可能的，處理以上幾個領域外，還有許多其他的應用領域。例如，在軍事上唄大量應用于導航，制導，電子對抗，戰場偵查。。 

     隨著信息時代數字時代的到來，數字濾波技術已經車位一門及其重要的學科和技術領域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術，但是，模擬電力技術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。而采用數字技術則避免很多類似的難題，當然數字濾波器在其他方面有很多突出的優點，在前面部分已經提到，這些都是模擬技術所不能及的，所以采用數字濾波器對信號進行處理是目前發展的方向

三、本文研究內容

主要研究基于Matlab的FIR帶通濾波器。具體是采用窗函數設計法、頻率采樣法、等波紋逼近法進行設計，并用Matlab軟件編寫程序進行仿真。 

1.研究FIR濾波器的定義、分類、應用以及設計方法。

2.了解FIR濾波器窗函數的設計方法及原理。 

3.了解FIR濾波器頻率采樣的設計方法及原理。 

4.了解FIR濾波器等波紋逼近的設計方法及原理。 

5.確定濾波器的技術指標，并進行Matlab仿真。 

結合上述內容，設計編程，完成利用Matlab軟件設計FIR帶通濾波器并進行仿真優化。通過設計編程，加深對知識的理解和運用。

四、設計方案

1、IIR濾波器的設計原理

IIR數字濾波器的設計一般是利用目前已經很成熟的模擬濾波器的設計方法來進行設計，通常采用模擬濾波器原型有butterworth函數、chebyshev函數、bessel函數、橢圓濾波器函數等。

IIR數字濾波器的設計步驟：

（1） 按照一定規則把給定的濾波器技術指標轉換為模擬低通濾波器的技術指標；

（2） 根據模擬濾波器技術指標設計為響應的模擬低通濾波器；

（3） 很據脈沖響應不變法和雙線性不變法把模擬濾波器轉換為數字濾波器；

（4） 如果要設計的濾波器是高通、帶通或帶阻濾波器，則首先把它們的技術指標轉化為模擬低通濾波器的技術指標，設計為數字低通濾波器，最后通過頻率轉換的方法來得到所要的濾波器。

2、 FIR濾波器的設計原理

FIR濾波器通常采用窗函數方法來設計。窗設計的基本思想是，首先選擇一個適當的理想選頻濾波器（它總是具有一個非因果，無限持續時間脈沖響應），然后街區（加窗）它的脈沖響應得到線性相位和因果FIR濾波器。

它是從時域出發，用一個窗函數截取理想的 得到h(n)，以有限長序列h(n)近似理想的 ：如果從頻域出發，用理想的  在單位圓上等角度取樣得到H(k),根據h(k)得到H（z）將逼近理想的H (z),這就是頻率取樣法。

窗函數設計法

    同其他的數字濾波器的設計方法一樣，用窗函數設計濾波器也是首先要對濾波器提出性能指標。一般是給定一個理想的頻率響應    ，使所設計的FIR濾波器的頻率響應h  去逼近所要求的理想濾波器的響應。窗函數的設計的任務在于尋找一個可實現（有限長單位脈沖響應）的傳遞函數。

       =  （4—1）

  去逼近。我們知道，一個理想的頻率響應 的傅立葉變換

        =     （4—2）

      

     所得到的理想單位脈沖響應往往是一個無限長序列。對 經過適當的加權、截斷處理才得到一個需要的有限長脈沖響應序列。對應不同的加權、截斷，就有不同的窗函數。所要尋找的濾波器脈沖響應就等理想脈沖響應窗函數的乘積。即

   h=w          （4—3）

由此可見，窗函數的性質就決定了濾波器的品質。例如：窗函數的主瓣寬度決定了濾波器的過渡帶寬：窗函數的旁瓣代銷決定了濾波器的阻帶衰減。

1、矩形窗        

 w=                （4—4）                                  

2、Hamming窗 

w=[0.54-0.46cos()]              （4—5）       

3、Blackman窗 

 w=[0.42-0.5cos()+cos()]    （4—6）       

4、Kaiser窗     

   w=         （4—7）   

窗函數法設計線性相位FIR濾波器可以按如下步驟進行：

1、確定數字濾波器的性能要求。確定各臨界頻率{}和濾波器單位脈沖響應長度N。

2、根據性能要求和N值，合理的選擇單位脈沖響應h(n)有奇偶對稱性，從而確定理想頻率響應的幅頻特性和相位特性。

3、用傅立葉反變換公式求得理想單位脈沖響應  。

4、選擇適當的窗函數W（n），根據式h=w，求得所設計的FIR濾波器單位脈沖響應。

5、用傅立葉變換求得其頻率響應H，分析它的幅頻特性，若不滿足要求，可適當改變窗函數形式或長度N，重復上述過程，直至得到滿意的結果。

五、論文結構

六、參考文獻

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