基于MATLABGUI的数字滤波器设计开题报告

XXXXXXX大学毕业设计（论文）开题报告题目基于MATLAB/GUI的数字滤波器设计系部自动化系专业自动化学生姓名学号指导教师职称毕设地点2013年3月1日1.结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述：1.1课题的研究意义21世纪是信息科学与技术的世纪，而数字化又是信息技术发展的方向。其中数字信号处理技术已经成为当今一门极其重要的学科。数字信号处理[1]在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等很多领域已经得到广泛的应用。面对庞杂繁多的原始信号,如何提取所需信号、抑制不需要的信号这就需要使用滤波器。滤波器的作用主要是选择所需频带的信号内容而抑制不需要的其他频带的信号内容，其中数字滤波器因其精度高、可靠性好、灵活性大等优点,在语音信号处理、信号频谱估计、信号去噪、无线通信中的数字变频以及图像处理等工程实际应用中都很广泛。由于数字滤波器的概念比较抽象，加上其数值计算又比较繁琐，所以借助好的计算机软件来进行辅助设计，这是数字滤波器研究领域的一个发展趋势。这样的软件有很多种，其中最具代表性的就是Matlab。作为强大的计算软件,MATLAB提供了编写图形用户界面的功能，而所谓图形用户界面,简称为GUI,是由各种图形对象,如图形窗口菜单按钮、文本框等构建的用户界面。1.2课题研究的概况MATLAB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是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，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。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。MATALB可以创建图形用户界面GUI(GraphicalUserInterface),它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。而且具有强大的绘图功能,可以轻松的获得更高质量的曲线图。数字滤波器早在20世纪40年代末就有人开始讨论它的可能性，50年代也有人讨论过，直到60年代中期才开始形成一套完整的正规理论。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已经可以用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实现。数字滤波器是对数字信号进行滤波处理[2]以得到期望的响应特性的离散时间系统。根据数字滤波器单脉冲响应的时域特性可将数字滤波器分为两种,即IIR（InfiniteImpulseResponse）无限长脉冲响应数字滤波器和FIR(FiniteImpulseResponse)有限长脉冲响应数字滤波器。从功能上分类,可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。如果IIR滤波器和FIR滤波器具有相同的性能，那么通常IIR滤波器可以用较低的阶数获得高的选择性，执行速度更快，所用的存储单元更少。但相比模拟滤波器，数字滤波器具有精确度高，使用灵活，可靠性高等优点，已广泛地应用在各个科学技术领域，如语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。随着数字信息时代的发展，数字滤波技术已经成为一门及其重要的科学和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是模拟电路技术存在很多难以解决的问题。而采用数字滤波器则可以避免很多类似的难题，当然它在其他方面也有很多突出的优点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的发展方向。目前，数字滤波器的设计在图像处理、数据压缩等方面的应用取得了令人瞩目的成就，近年来迅速发展。1.3与传统设计相比本课题研究的优点基于数字信号处理原理[3]，在分析数字滤波器设计理论和Matlab编程技术及其GUI图形用户界面设计的基础上，开发了具有交互式特点的数字滤波器软件，界面操作简单方便，可以根据需要选择滤波器类型，输入相关参数，然后选择相应的功能按钮，就可以得到滤波器的特性参数，并进行滤波器的性能分析，打破了以往滤波器设计过程中大量繁琐的数值计算问题，为数字滤波器的设计和应用提供了一个有效的辅助工具。参考文献[1]刘令谱.数字信号处理[M].哈尔滨工业大学出版社，2002.[2]张德丰.详解MATLAB数字信号处理[M].北京：电子工业出版社，2010.[3]陈瑞峰，左曙光，郭伟.基于MATLABGUI的信号分析系统[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2009，27（09）.[4]郑阿奇.MATLAB实用教程[M].北京：电子工业出版社，2007.[5]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.[6]宗节保，段柳云，王莹，段柳浠，李昕.基于MATLABGUI软件制作方法的研究与实现[J].电子设计工程，2010，18（07）.[7]张学敏，张建红，刘奭昕.基于图形用户界面的IIR滤波器的设计与仿真[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2010，11.[8]卢威特.信号处理滤波器设计:基于MATLAB和Mathematica的设计方法[M].北京：电子工业出版社，2002.[9]贾建科，韩团军，朱宁洲.基于MatlabGUI的模拟带通滤波器的设计[M].现代电子技术期刊，2010,321（10）.[10]林霖，杨丰，张志德.基于Matlab的“信号与系统”课程演示软件的应用[J].电气电子教学学报，2009，31（10）.2.毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：2.1毕业设计任务要研究或解决的问题把Matlab的GUI模块和信号处理工具箱的功能设计有机结合起来，以便提供一个“可视化”的信号处理平台。(1)熟练掌握Matlab/GUI的编程与调试；(2)熟悉滤波器的基本原理，并能使用信号处理工具箱进行基本的低通、带通和高通滤波器的设计；(3)利用软件工程理论进行系统化设计，如功能模块的划分和子模块之间的流程图设计；(4)利用GUI提供可视化的滤波器设计；(5)设计的验证（和Matlab/SignalProcessing工具箱中的结果进行比较研究）；(6)设计过程中的问题说明及思考；2.2设计思路(1)确定指标:在设计一个滤波器之前，必须首先根据实际的工程需要确定滤波器的技术指标。通常选择数字滤波器实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出：①绝对指标，它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器标,它以分贝值的形式给出要求,在工程实际应用中，这种指标最受欢迎。对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带内有线性相位。运用线性相位响应指标进行滤波器设计具有如下优点：①只包含实数算法，不涉及复数运算；②不存在延迟失真,只有固定数量的延迟；③长度为N的滤波器（阶数为N-1），计算量为N/2数量级。(2)逼近：确定了技术指标后，就可以建立目标数字滤波器模型。通常采用理想的数字滤波器模型。之后，利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。(3)性能分析和计算机仿真：上两步的结果是得到以差分、系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。2.3拟采用方法(1)在设计IIR滤波器时常用两种设计方法：直接法和间接法。直接法即直接运用Matlab信号处理工具箱提供的几个直接设计IIR数字滤波器的函数，这些函数把IIR数字滤波器典型设计中的复杂实现过程集成为一个整体，为设计IIR数字滤波器带来了极大的方便；间接法可以利用一些现成的公式实现，但对于要求任意幅度特性的滤波器则不适合，此时需要采用直接法。(2)在设计FIR数字滤波器时采用窗函数法、频率抽样法、最佳一致逼近法、最小均方误差法等实现。通过对数字滤波器的技术指标：通带边界频率Wp、通带最大衰减Ap、阻带截止频率Ws、阻带最小衰减As的对比，发现并总结IIR、FIR滤波器的优缺点，在实际应用中全面考虑并加以选择。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：指导教师签字：年月日上级审查意见：负责人签字：年月日