基于MATLAB的FIR滤波器设计
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 本课题在基于Matlab的FIR低通滤波器的 设计方法、编程以及实际应用上有着积极 的意义。
研究课题的基本内容和意义
• 主要研究基于Matlab的FIR低通滤波器。具 体是采用窗函数设计法、频率采样法、等 波纹逼近法进行设计，并用Matlab软件编 写程序进行仿真。
基本步骤： • 1．研究FIR滤波器的定义、分类、应用以及设计
有稳定性问题
高
低
非递归系统
递归系统
一般无反馈，运算误差小，噪声功 率小，运算速度快
可得到严格的线性相位，可是成本 高，信号延时较大
有反馈，由于运算中的四 舍五入会产生极限环
可用较低阶数获得较高选 择性，所用存储单元少， 计算量小，经济高效。
• 归纳来说，IIR滤波器并不能得到严格的线 性相位特性，因此在许多实际应用中为了 得到线性相位特征，还必须另外增加相位 校正网络，使滤波器设计变得复杂，成本 也高，而FIR滤波器在保证幅度特性满足技 术要求的同时，还可以很容易的做到有严 格的线性相位特性。它可以在保证任意幅 频特性的同时具有严格的线性相频特性， 同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤 波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通 信、图像处理、模式识别等领域都有着广 泛的应用。
方法。 • 2．了解FIR滤波器窗函数的设计方法及原理。 • 3．了解FIR滤波器频率采样的设计方法及原理。 • 4．了解FIR滤波器等波纹逼近的设计方法及原理。 • 5．确定滤波器的技术指标，并进行Matlab仿真。
设计方法
FIR滤波器
借助计算程序来设计
IIR滤波器
借助成熟模拟滤波器设计 成果来设计
设计结果
稳定性 阶数 结构 运算误差 性能
可得到幅频特性(可以多带)和线性 相位(最大优点)
极点全部在原点(永远稳定)
只能得到幅频特性，相频 特性未知，如需要线性相 位，须用全通网络校准， 但增加滤波器阶数和复杂 性
选用MATLAB设计FIR数字滤波器的 原因
• 目前对数字滤波器的设计有多种方法，其 中著名的Matlab软件包，功能强大、使用 方便。传统的数字滤波器的设计过程复杂， 计算工作量大，滤波特性调整困难，影响 了它的应用。
பைடு நூலகம்
• 利用Matlab信号处理工具箱可以快速 有效的设计由软件组成的常规数字滤波器， 可以随时对比设计要求和滤波器特性调整 参数，直观简便，极大的减轻了工作量， 有利于滤波器设计的最优化。
国内外数字滤波器发展历史及研究 成果
• 国外情况： 数字滤波有线性滤波和非线性滤波。线性滤波是 指卷积滤波，又分为频域滤波和时域滤波，在实 域中根据滤波方式又分为递归滤波和递归滤波。 非线性滤波主要是指同态滤波，它是用取对数的 方法将非线性问题线性化。
• 关于数字滤波器理论研究的发展也带来了数字滤 波器在实现上的空前发展。
数字滤波器
简介：
• 数字滤波器以冲激响应延续长度可分为两类：FIR 滤波器(有限冲激响应滤波器)、IIR滤波器(无限冲 激响应滤波器)。其中FIR滤波器的优点是：稳定性 好，因为没有极点；精度高，因为它对以前的事件 只有有限的记忆，积累误差小；易于计算机辅助设 计，保证精度和线性相位。缺点是：要达到高性能， 需要许多系数，要做较多的乘法操作，计算量大。 而IIR滤波器的优点是：结构简单、系数少乘法操 作少、效率高；与模拟滤波器有对应关系；可以解 析控制，强制系统在特定点为零点；易于计算机辅 助设计。缺点是：因为有极点，设计时要小心稳定 性；因为它对以前的事件有长的记忆，易产生溢出、 噪声、误差
• 目前，国外有许多院校和科研机构在研究基于 FPGA的DSP应用，比较突出的有Denmark大学 的研究小组正在从事FPGA实现数字滤波器的研 究。由于FPGA实现乘法器有困难，因此他们重 点研究开发无乘法的滤波器算法。加州大学洛杉
矶分校的研究小组采用运行时重构技术开发了一 种视频通讯系统，该系统用一片FPGA可每帧重 构四次完成视频图像压缩和传送的操作。此外， 他们还在进行Mojave项目的开发工作，力图采用 运行时重构技术来实现自动目标识别应用。
基于MATLAB的FIR滤波器设计
专业：电子信息科学与技术1班（微波 方向）
答辩人：赵建镝 指导老师：徐天赋
前言
• 在1960年到1970年的十年中，高速数字计算机迅 速发展，并被广泛地用来处理数字形式的电信号。 因而，在数字滤波器的设计中，就有可能采用傅 里叶分析、波形抽样、Z变换等已有的基本理论概 念。数字滤波器具有稳定、重复性好、适应性强、 性能优异、线性相位等优点。 数字滤波器是数字 信号处理中的重要组成部分之一，在数字信号处 理中，数字滤波占有极其重要的地位。
• 国内研究成果：
我国在DSP技术起步较早，产品的研究开发成绩 斐然，基本上与国外同步发展，而在FPGA方面 起步较晚。全国有100来所高等院校从事 DSP&FPGA的教学和科研，除了一部分DSP芯片 需要从国外进口外，在信号处理理论和算法方面， 与国外处于同等水平.而在FPGA信号处理和系统 方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国 家同样的研究.如，西北工业大学和国防科学技术 大学的ATR实验室采用了FPGA可重构计算系统进 行机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该
系统进行复杂的卷积运算，同时利用它的可变柔
性来达到自适应的目的。北京理工大学研究利用 FPGA提高加解密运算的速度，等等。
MATLAB简介
• MATLAB是科研开发和工程设计的有力工具。 针对各种硬件目标的开发仿真，MATLAB提 供有相应的实时目标开发工具以完成各类 数值计算、符号计算、数据可视化等任务， 可以解决有关线性代数、矩阵分析、微积 分、微分方程、信号与系统、信号分析与 处理、系统控制等领域的问题
• 20世纪60年代起，由于计算机技术、集成工艺和 材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新台阶， 朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可 靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多 功能、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导 致数字滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器 和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70年 代后期，上述几种滤波器的单片集成己被研制出 来并得到应用，90年代至现在主要致力于把各类 滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对 滤波器本身的研究仍在不断进行。
研究课题的基本内容和意义
• 主要研究基于Matlab的FIR低通滤波器。具 体是采用窗函数设计法、频率采样法、等 波纹逼近法进行设计，并用Matlab软件编 写程序进行仿真。
基本步骤： • 1．研究FIR滤波器的定义、分类、应用以及设计
有稳定性问题
高
低
非递归系统
递归系统
一般无反馈，运算误差小，噪声功 率小，运算速度快
可得到严格的线性相位，可是成本 高，信号延时较大
有反馈，由于运算中的四 舍五入会产生极限环
可用较低阶数获得较高选 择性，所用存储单元少， 计算量小，经济高效。
• 归纳来说，IIR滤波器并不能得到严格的线 性相位特性，因此在许多实际应用中为了 得到线性相位特征，还必须另外增加相位 校正网络，使滤波器设计变得复杂，成本 也高，而FIR滤波器在保证幅度特性满足技 术要求的同时，还可以很容易的做到有严 格的线性相位特性。它可以在保证任意幅 频特性的同时具有严格的线性相频特性， 同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤 波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通 信、图像处理、模式识别等领域都有着广 泛的应用。
方法。 • 2．了解FIR滤波器窗函数的设计方法及原理。 • 3．了解FIR滤波器频率采样的设计方法及原理。 • 4．了解FIR滤波器等波纹逼近的设计方法及原理。 • 5．确定滤波器的技术指标，并进行Matlab仿真。
设计方法
FIR滤波器
借助计算程序来设计
IIR滤波器
借助成熟模拟滤波器设计 成果来设计
设计结果
稳定性 阶数 结构 运算误差 性能
可得到幅频特性(可以多带)和线性 相位(最大优点)
极点全部在原点(永远稳定)
只能得到幅频特性，相频 特性未知，如需要线性相 位，须用全通网络校准， 但增加滤波器阶数和复杂 性
选用MATLAB设计FIR数字滤波器的 原因
• 目前对数字滤波器的设计有多种方法，其 中著名的Matlab软件包，功能强大、使用 方便。传统的数字滤波器的设计过程复杂， 计算工作量大，滤波特性调整困难，影响 了它的应用。
பைடு நூலகம்
• 利用Matlab信号处理工具箱可以快速 有效的设计由软件组成的常规数字滤波器， 可以随时对比设计要求和滤波器特性调整 参数，直观简便，极大的减轻了工作量， 有利于滤波器设计的最优化。
国内外数字滤波器发展历史及研究 成果
• 国外情况： 数字滤波有线性滤波和非线性滤波。线性滤波是 指卷积滤波，又分为频域滤波和时域滤波，在实 域中根据滤波方式又分为递归滤波和递归滤波。 非线性滤波主要是指同态滤波，它是用取对数的 方法将非线性问题线性化。
• 关于数字滤波器理论研究的发展也带来了数字滤 波器在实现上的空前发展。
数字滤波器
简介：
• 数字滤波器以冲激响应延续长度可分为两类：FIR 滤波器(有限冲激响应滤波器)、IIR滤波器(无限冲 激响应滤波器)。其中FIR滤波器的优点是：稳定性 好，因为没有极点；精度高，因为它对以前的事件 只有有限的记忆，积累误差小；易于计算机辅助设 计，保证精度和线性相位。缺点是：要达到高性能， 需要许多系数，要做较多的乘法操作，计算量大。 而IIR滤波器的优点是：结构简单、系数少乘法操 作少、效率高；与模拟滤波器有对应关系；可以解 析控制，强制系统在特定点为零点；易于计算机辅 助设计。缺点是：因为有极点，设计时要小心稳定 性；因为它对以前的事件有长的记忆，易产生溢出、 噪声、误差
• 目前，国外有许多院校和科研机构在研究基于 FPGA的DSP应用，比较突出的有Denmark大学 的研究小组正在从事FPGA实现数字滤波器的研 究。由于FPGA实现乘法器有困难，因此他们重 点研究开发无乘法的滤波器算法。加州大学洛杉
矶分校的研究小组采用运行时重构技术开发了一 种视频通讯系统，该系统用一片FPGA可每帧重 构四次完成视频图像压缩和传送的操作。此外， 他们还在进行Mojave项目的开发工作，力图采用 运行时重构技术来实现自动目标识别应用。
基于MATLAB的FIR滤波器设计
专业：电子信息科学与技术1班（微波 方向）
答辩人：赵建镝 指导老师：徐天赋
前言
• 在1960年到1970年的十年中，高速数字计算机迅 速发展，并被广泛地用来处理数字形式的电信号。 因而，在数字滤波器的设计中，就有可能采用傅 里叶分析、波形抽样、Z变换等已有的基本理论概 念。数字滤波器具有稳定、重复性好、适应性强、 性能优异、线性相位等优点。 数字滤波器是数字 信号处理中的重要组成部分之一，在数字信号处 理中，数字滤波占有极其重要的地位。
• 国内研究成果：
我国在DSP技术起步较早，产品的研究开发成绩 斐然，基本上与国外同步发展，而在FPGA方面 起步较晚。全国有100来所高等院校从事 DSP&FPGA的教学和科研，除了一部分DSP芯片 需要从国外进口外，在信号处理理论和算法方面， 与国外处于同等水平.而在FPGA信号处理和系统 方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国 家同样的研究.如，西北工业大学和国防科学技术 大学的ATR实验室采用了FPGA可重构计算系统进 行机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该
系统进行复杂的卷积运算，同时利用它的可变柔
性来达到自适应的目的。北京理工大学研究利用 FPGA提高加解密运算的速度，等等。
MATLAB简介
• MATLAB是科研开发和工程设计的有力工具。 针对各种硬件目标的开发仿真，MATLAB提 供有相应的实时目标开发工具以完成各类 数值计算、符号计算、数据可视化等任务， 可以解决有关线性代数、矩阵分析、微积 分、微分方程、信号与系统、信号分析与 处理、系统控制等领域的问题
• 20世纪60年代起，由于计算机技术、集成工艺和 材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新台阶， 朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可 靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多 功能、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导 致数字滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器 和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70年 代后期，上述几种滤波器的单片集成己被研制出 来并得到应用，90年代至现在主要致力于把各类 滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对 滤波器本身的研究仍在不断进行。