具有单位增益的带通FIR滤波器设计-通信工程毕业论文-开题报告

一、选题的来源、目的、意义和基本内容

1、题目来源：学院毕业设计选题指南。

2、目的和意义：

    信号处理技术是指运用数值计算的方法对信号进行分析、变换、合、估值与识别等的处理。随着电子技术和电子计算机技术的发展，数字信号处理技术受到了越来越广泛的关注，数字信号处理的理论和技术也在不断丰富和完善，新的理论和新技术层出不穷。可以说，数字信号处理是发展最快、应用最广泛、成效最显著的新科学之一，目前已广泛地应用在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信、控制、生物医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、自动化仪表等领域。

     过程中，所处理的信号往往混有噪音，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音的不同特性，提取有用信号的过程称为滤波，实现滤波功能的系统称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器应用极为广泛。

二、国内外研究综述

    信号处理一经问世，便吸引了很多学科的研究者，并把它应用于自己的研究领域。可以说，数字信号处理是应用最快，成效最为显著的新学科之一。在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信系统等众多领域都获得了极其广泛的应用，他有效地推动了众多工程技术领域的技术改造和科学发展。近年来，随着多媒体的发展，DSP芯片已在家电、电话、磁盘机等设备中广泛应用。

三、参考文献

[1]  马玉韬, 轩秀巍, 车进, 滕建辅. 基于全相位滤波理论的基因预测[J].上海交通大学学报，2013，(07).

[2]  黄 翔 东，王 兆 华.全相位FIR滤波器族[J].  天津大学电子信息工程学院，2008，（6）

选题意义：

当今，数字信号处理的技术飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同的形式影响和渗透到其他的学科。它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连，它影响或改变着我们的生产，生活方式，因此受到人们的普遍的关注。 

智能化，数字化和网络化是当今信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号，电视信号，雷达信号，通信信号，导航信号，射电天文信号，生物医学信号，控制信号，气象新号，地震勘测信号，机械振动信号，遥感遥测信号，等等。上述的这些信号大部分是模拟信号，也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化（采样）和幅度上的离散化（量化），这类模拟信号便成为一维数字信号。因此，数字信号实际上是用数字序列表示的信号，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散时间序列。数字信号处理，就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。例如，对数字信号进行离散，对信号进行频谱分析或者功率谱分析以了解信号的频谱组成，进而对信号进行识别，对信号进行某种变换，使之更适合于传输，存储和应用，对信号进行编码以达到数据压缩的目的等等

二、国内外研究现状

在信号处理过程中，所处理的信号往往混有噪音，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音信号的不同特性，提取有用信号的过程成为滤波。实现滤波功能的系统被称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器应用极为广泛，这里只列举部分应用最成功的领域。

（1）语音处理 

语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。该领域主要包括5个方面的内容：第一，语音信号分析。即对语音信号的波形特性，统计特性，模型参数等进行分析计算。第二，语音合成。即利用专用硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音。第三，语音识别。即利用专用硬件或计算机识别人的讲话，或者识别说话的人。第四，语音增强。即从噪音或者干扰中提取被掩盖的语音信号。第五，语音编码。主要用于语音数据的压缩，目前已经建立了一系列语音编码国际标准，大量用于通信和音频处理。 

（2）图像处理 

数字滤波技术已经成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强，数据压缩，去噪音和干扰，图像识别以及层析X射线摄影，还成功地应用于雷达，声纳，超声波和红外线的可见图像成像。 

（3）通信 

在现代通信技术领域内，几乎没有一个分支不受到数字滤波器技术的影响。信源编码，信道编码，调制，多路复用，数据压缩以及自适应信道均衡等，都广泛的采用数字滤波器，特别是在数字通信，网络通信，图像通信，多媒体通信等应用中，离开了数字滤波器，几乎是寸步难行，其中，别人玩是通信技术未来发展方向的软件无线电技术，更是以数字滤波技术为基础。 

（4）电视 

数字电视取代模拟电视已经是必然的趋势。高清晰电视的普及指日可待，与之配置的视频光盘技术已经形成巨大市场产业：可视电话和会议电视产品不断更新换代。视频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作，促成了电视领域产业的蓬勃发展，而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。 

（5）雷达 

雷达信号占有的频带非常宽，数据传输速率也非常高，因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。告诉数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。在现代雷达系统中，数字信号处理部分是不可缺少的，因为从信号处理，滤波，加工到目标参数的估计和目标成像的显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。

（6）声纳 

声纳信号处理分为两大类，即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理，有源声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。例如，他们都要产生和发射脉冲是探测信号，他们的信号处理任务都主要是对微弱的目标回拨进行检测和分析，从而达到对目标进行探测，定位，跟踪，导航，成像显示等目的，他们要应用到的主要信号处理技术包括滤波，门限比较，谱估计等。 

（7）生物医学信号处理 

数字滤波器在医学中的应用日益广泛，如对脑电图和心电图的分析，层析x射线摄影的计算机辅助分析，胎儿心音的自适应检测等。 

（8）音乐 

数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面，在对音乐信号进行编辑，合成以及在音乐中加入交混回响，合声等特殊方面，数字滤波技术都显示出了强大的威力。数字滤波器还可用于作曲，录音和播放，或对旧录音带的音质进行恢复等。

（9）其他领域 

数字滤波器的应用领域如此广泛，以至于完全列举他们是根本不可能的，处理以上几个领域外，还有许多其他的应用领域。例如，在军事上呗大量应用于导航，制导，电子对抗，战场侦查。。 

     随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经车位一门及其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电力技术存在很多难以解决的问题，例如， 模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面有很多突出的优点，在前面部分已经提到，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前发展的方向

三、本文研究内容

主要研究基于Matlab的FIR带通滤波器。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。 

1.研究FIR滤波器的定义、分类、应用以及设计方法。

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。 

结合上述内容，设计编程，完成利用Matlab软件设计FIR带通滤波器并进行仿真优化。通过设计编程，加深对知识的理解和运用。

四、设计方案

1、IIR滤波器的设计原理

IIR数字滤波器的设计一般是利用目前已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计，通常采用模拟滤波器原型有butterworth函数、chebyshev函数、bessel函数、椭圆滤波器函数等。

IIR数字滤波器的设计步骤：

（1） 按照一定规则把给定的滤波器技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标；

（2） 根据模拟滤波器技术指标设计为响应的模拟低通滤波器；

（3） 很据脉冲响应不变法和双线性不变法把模拟滤波器转换为数字滤波器；

（4） 如果要设计的滤波器是高通、带通或带阻滤波器，则首先把它们的技术指标转化为模拟低通滤波器的技术指标，设计为数字低通滤波器，最后通过频率转换的方法来得到所要的滤波器。

2、 FIR滤波器的设计原理

FIR滤波器通常采用窗函数方法来设计。窗设计的基本思想是，首先选择一个适当的理想选频滤波器（它总是具有一个非因果，无限持续时间脉冲响应），然后街区（加窗）它的脉冲响应得到线性相位和因果FIR滤波器。

它是从时域出发，用一个窗函数截取理想的 得到h(n)，以有限长序列h(n)近似理想的 ：如果从频域出发，用理想的  在单位圆上等角度取样得到H(k),根据h(k)得到H（z）将逼近理想的H (z),这就是频率取样法。

窗函数设计法

    同其他的数字滤波器的设计方法一样，用窗函数设计滤波器也是首先要对滤波器提出性能指标。一般是给定一个理想的频率响应    ，使所设计的FIR滤波器的频率响应h  去逼近所要求的理想滤波器的响应。窗函数的设计的任务在于寻找一个可实现（有限长单位脉冲响应）的传递函数。

       =  （4—1）

  去逼近。我们知道，一个理想的频率响应 的傅立叶变换

        =     （4—2）

      

     所得到的理想单位脉冲响应往往是一个无限长序列。对 经过适当的加权、截断处理才得到一个需要的有限长脉冲响应序列。对应不同的加权、截断，就有不同的窗函数。所要寻找的滤波器脉冲响应就等理想脉冲响应窗函数的乘积。即

   h=w          （4—3）

由此可见，窗函数的性质就决定了滤波器的品质。例如：窗函数的主瓣宽度决定了滤波器的过渡带宽：窗函数的旁瓣代销决定了滤波器的阻带衰减。

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）   

窗函数法设计线性相位FIR滤波器可以按如下步骤进行：

1、确定数字滤波器的性能要求。确定各临界频率{}和滤波器单位脉冲响应长度N。

2、根据性能要求和N值，合理的选择单位脉冲响应h(n)有奇偶对称性，从而确定理想频率响应的幅频特性和相位特性。

3、用傅立叶反变换公式求得理想单位脉冲响应  。

4、选择适当的窗函数W（n），根据式h=w，求得所设计的FIR滤波器单位脉冲响应。

5、用傅立叶变换求得其频率响应H，分析它的幅频特性，若不满足要求，可适当改变窗函数形式或长度N，重复上述过程，直至得到满意的结果。

五、论文结构

六、参考文献

[1]  马玉韬, 轩秀巍, 车进, 滕建辅. 基于全相位滤波理论的基因预测[J].上海交通大学学报，2013，(07).

[2]  黄 翔 东，王 兆 华.全相位FIR滤波器族[J].  天津大学电子信息工程学院，2008，（6）

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