窗函数法设计低通滤波器

摘要

此次课程设计主要是要采集一段语音信号，并用MATLAB软件绘制出语音信号波形并对语音信号进行截短、预处理等操作，观察其波形的变化并与原始语音信号波形加以对比。然后对该语音信号加入高斯白噪声，观察加噪后的波形及其频谱图，观察噪声对语音信号的影响。最后根据给定的相应技术指标，用汉宁窗设计一个满足指标的FIR低通滤波器，对该语音信号进行滤波去噪处理，最后对前后时域和频域的波形图进行对比分析，从波形可以看出噪声被完全滤除，达到了语音不失真的效果。同时在课设过程中，通过与同组的其他同学交流，比较各种滤波方法性能的优劣并找到相对的最佳滤波方法。在此次课程设计中，以Windows XP 系统为操作平台.

本次设计在MATLAB环境下，用窗函数法设计FIR滤波器。通过了解不同的窗函数方法及性能设计FIR低通滤波器，并对对所设计的滤波器进行分析比较，得出各种方法设计的滤波器的优缺点，从而正确的选择FIR数字滤波器的窗函数及设计方法。

关键词：FIR滤波器，MATLAB，窗函数，汉宁窗

目录

前言 (1)

一 MATLAB程序设计的基本方法 (2)

二数字信号处理的基本理论与方法 (3)

2.1设计理论依据 (3)

三利用MATLAB采集语言信号并分析 (5)

3.1语音的录入与打开 (5)

3.2录制语音信号过程 (5)

3.3时域信号的FFT分析 (6)

四用MATLAB环境采用窗函数法设计数字滤波器 (7)

4.1数字滤波器概念及原理 (7)

4.2数字滤波器设计的过程 (7)

4.3低通FIR滤波器基本原理 (8)

4.4利用窗函数法设计线性相位FIR数字滤波器 (8)

4.5利用HANNING窗设计低通滤波器 (10)

五设计过程 (11)

5.1流程图 (11)

5.3信号频谱分析 (13)

5.4信号的脉冲响应 (13)

设计总结 (15)

参考文献 (16)

附录.......................................................... 错误!未定义书签。致谢.. (17)

前言

数字化是控制系统的重要发展方向，而数字信号处理已在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天等领域广泛应用。数字信号处理方法通常涉及变换、滤波、频谱分析、编码解码等处理。数字滤波是重要环节，它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，克服模拟滤波器所无法解决的电压和温度漂移以及噪声等问题。而有限冲激响应FIR滤波器在设计任意幅频特性的同时能够保证严格的线性相位特性。利用MATLAB工具软件的辅助设计，使得FIR滤波器具有快速、灵活、适用性强，硬件资源耗费少等特点。

FIR滤波器是最常用的组件之一，它完成信号预调、频带选择和滤波等功能。FIR滤波器在截止频率的边沿陡峭性能虽然不及IIR滤波器，但是，考虑到FIR滤波器严格的线性相位特性和不像IIR滤波器存在稳定性的问题，FIR滤波器能够在数字信号处理领域得到广泛的应用。FIR是有限冲激响应（Finite Impulse Response）的简称。由线性系统理论可知，在某种适度条件下，输入到线性系统的一个冲击完全可以表征系统。当我们处理有限的离散数据时，线形系统的响应（包括对冲击的响应）也是有限的。若线性系统仅是一个空间滤波器，则通过简单地观察它对冲击的响应，我们就可以完全确定该滤波器。通过这种方式确定的滤波器称为有限冲击响应（FIR）滤波器。FIR滤波器是在数字信号处理（DSP）中经常使用的两种基本的滤波器之一。

FIR 滤波器具有严格的相位特性，对于信号处理和数据传输是很重要的。目前FIR滤波器的设计方法主要有三种：窗函数法、频率取样法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法。常用的是窗函数法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法。

用窗函数设FIR 滤波器的基本思路：从时域出发设计h(n)逼近理想hd(n)。设理想滤波器的单位响应在时域表达为hd(n),则Hd(n) 一般是无限长的，且是非因果的，不能直接作为FIR 滤波器的单位脉冲响应。要想得到一个因果的有限长的滤波器单位抽样响应h(n)最直接的方法是先将hd(n)往右平移，再进行截断，即截取为有限长因果序列：h(n)=hd(n)w(n)，并用合适的窗函数进行加权作为FIR 滤波器的单位脉冲响应。MATLAB 设计FIR 滤波器有多种方法和对应的函数。窗函数设计法不仅在数字滤波器的设计中占有重要的地位，同时可以用于功率谱的估计，从根本上讲，使用窗函数的目的就是消除由无限序列的截短而引起的Gibbs现象所带来的影响。

一 MATLAB程序设计的基本方法

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的计算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等各种系统平台。

总的来说，该软件有三大特点。一是功能强大。具有数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算等功能；二是界面友善、语言自然。MATLAB 以复数处理作为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近；三是开放性强。当学好MATLAB的同时，会更好的帮助自己去就解决一些难题，而且MATLAB拥有非常好的发展前途，对我们未来的帮助也是不可限量的。