基于MATLAB数字滤波器的设计及其仿真开题报告

本科毕业论文（设计）开题报告姓名：席晓伟学号：0612080117学院：机电学院专业：机械设计制造及其自动化班级：B0801指导教师：杨亮开题日期：2011年10月16日毕业论文（设计）题目基于MATLAB数字滤波器的设计课题来源□科研√应用□教学□其它成果类别□论文√设计一、课题的研究意义今天数字信号处理技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科；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，因此受到人们普遍的关注。数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛应用于各个学科技术领域，例如数字电视、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。随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极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，模拟电路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也有很多突出的优点，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。MATLAB是一门计算机编程语言，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛。二、课题研究的主要内容：（课题研究的重点和在研究过程中要解决的关键问题，所要实现预期成果）1．课题研究的重点(1)IIR数字滤波器的设计(2)写出MATLAB的设计程序（3）给出仿真结果2．主要设计内容（1）IIR数字滤波器的设计（2）数字滤波器的matlab程序设计3．拟解决的关键技术（1）制定技术指标（2）对各种滤波器的设计相应的计算振幅响应的函数4.实现的预期成果（1）通过综合运用数字信号处理的理论知识进行滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现（2）利用MATLAB进行程序设计,并调试,给出仿真结果三、课题的研究方法：1.课题的研究方法1.脉冲响应不变法脉冲响应不变法是一种时域上的转换方法，这种方法适用于系统函数可以用部分分式分解成单阶极点和滤波器是一个带限系统的情况，它使数字滤波器的冲击响应h(n）等于模拟滤波器的单位冲击响应ha(t)的采样值数字滤波器的脉冲响应与模拟滤波器的脉冲响应相似。以时问问隔T对其进行采样，得到h(n)，经过z=esT式的映射，可知：s平面的左半平面映射为z平面的单位圆内，因此一个因果的和稳定的模拟滤波器映射成因果的和稳定的数字滤波器。脉冲响应不变法是使数字滤波器在时域上模仿模拟滤波器，由于s平面到z平面的多值映射关系，会导致数字滤波器频率响应出现混叠现象。2.双线性变换法该法的基本思想是首先按给定的指标设计一个模拟滤波器，其次将这个模拟滤波器的系统函数H(s)，通过适当的数学变换方法把无限宽的频带，变换成频带受限的系统函数H(s~)。最后再将H(s~)进行常规z变换，求得数字滤波器的系统函数H(z)。这样由于在数字化以前已经对频带进行了压缩，所以数字化以后的频响可以做到无混叠效应。2.课题的研究思路(（1）IIR数字滤波器设计思路与步骤(1)写出IIR数字滤波器可用一个n阶差分方程y(n)=Σbrx(n-r)+Σaky(n-k),或用它的Z域系统函数:对照模拟滤波器的传递函数:不难看出,数字滤波器与模拟滤波器的设计思路相仿,其设计实质也是寻找一组系数{b,a},去逼近所要求的频率响应,使其在性能上满足预定的技术要求;不同的是模拟滤波器的设计是在S平面上用数学逼近法去寻找近似的所需特性H(S),而数字滤波器则是在Z平面寻找合适的H(z)。IIR数字滤波器的单位响应是无限长的,而模拟滤波器一般都具有无限长的单位脉冲响应,因此与模拟滤波器相匹配。由于模拟滤波器的设计在理论上已十分成熟,因此数字滤波器设计的关键是将H(S)→H(Z),即,利用复值映射将模拟滤波器离散化。已经证明,冲击响应不变法和双线性变换法能较好地担当此任,则在此基础上,数字滤波器的设计就可首先归结为模拟滤波器的设计了。图1数字滤波器设计步骤四、课题计划进度（各阶段计划完成的内容和所需时间）进度安排完成内容2009年10月16日—2009年11月30日撰写开题报告并准备答辩2009年12月01日—2010年01月20日充实和完善课题设计资料并完成初步设计要求2010年01月20日—2010年02月20日学习MATLAB软件2010年02月20日—2010年03月01日学习数字滤波器的基本知识2010年03月01日—2010年04月10日IIR数字滤波器的设计思路和步骤2010年04月10日—2010年04月30日利用MATLAB进行程序设计,并调试,给出仿真结果。2010年04月30日—2010年05月26编写毕业论文模拟滤波器离散化数字滤波器数字滤波器技术指标模拟滤波器技术指标相应的模拟滤波器设计指标参数变换日五、指导教师评语和意见：席晓伟同学所研究的课题是利用MATLAB软件来实现对IIR数字滤波器的设计。在较深入地学习和研究该课题所涉及到知识内容的基础上，提出了合理的设计方案，课题立意明确，技术路线可行，能够完成本研究课题，并撰写出达到本科学士学位论文要求的毕业论文,同意开题。指导教师（签字）：年月日六、所在系审查意见：同意开题系主任（签字）：年月日注：1．本表一式四份，指导教师一份，二级学院存档一份，学生本人二份一份留用、一份装订于毕业论文（设计）资料中。2．开题报告后需附关于本课题的文献综述。3．各项若不够请加附页或扩展表格。4．指导教师、系主任的签字及日期必须手写，不得打印。附、文献综述一、国内外研究现状及发展动态：Matlab是美国MathWorks公司自20世纪80年代中期推出的数学软件，优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使其很快在数学软件中脱颖而出。到目前为止，其最高版本6.0版已经推出。随着版本的不断升级，它在数值计算及符号计算功能上得到了进一步完善。Matlab已经发展成为多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。在欧美等高校，Matlab已经成为线性代数、自动控制理论、概率论及数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具，是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。Matlab的主要特点是：有高性能数值计算的高级算法，特别适合矩阵代数领域；有大量事先定义的数学函数，并且有很强的用户自定义函数的能力；有强大的绘图功能以及具有教育、科学和艺术学的图解和可视化的二维、三维图；基于HTML的完整的帮助功能；适合个人应用的强有力的面向矩阵(向量)的高级程序设计语言；与其它语言编写的程序结合和输入输出格式化数据的能力；有在多个应用领域解决难题的工具箱。Matlab作为一个数值运算软件和仿真工具正在越来越多的领域中得到不同程度的应用，下面的内容估计还可以大大的扩张。主要应用领域：1．工程运算2．控制系统设计3．DSP系统和通讯系统设计4．测量与测试5．图形处理6．金融建模与分析应用。Matlab在控制工程中的应用：Matlab是IEEE组织认可的最优化的科技应用软件。它提供了一种人机交互式的系统设计环境，并且以其语法规则简单、容易掌握、调试方便、分析手段齐全而著称，几乎成了许多工业设计部门和院校的必备软件和标准软件。对于一般的设计人员，它还有另外3个益处：①在微机上运行时，对配置要求不高；②资料文档齐全、详实；③易于使用，很快即可达到熟练的程度。Matlab集多种功能于一体，构成了一个方便的、功能强大的、界面友好的用户环境和系统开发平台，在众多领域中有着非常广泛的应用［1］2Matlab多媒体定时器在控制工程中的应用［2］一般情况下，Matlab因缺乏高精度的定时器，而不能实现实时控制。为此编制了定时精度可达1ms的定时器mex函数timerone，以在Matlab环境中构造计算机的实时控制系统。提供了多媒体定时器API函数，它的定时精度可达1ms，且每个定时事件均有单独的线程基于Matlab的Web应用原理，在信号分析和诊断上也可应用，例如文献资料证明，可以利用这一原理开发远程信号分析与诊断系统，其中包含频谱分析、相关分析、时序分析、小波分析、小波包含分析、时频分析、机械图像分析以及远程智能诊断系统，该系统能充分利用Matlab强大的信号分析和工程计算能力，充分发挥Matlab的平台良好的扩展性，以及对硬件和数据库的操作性，实现更高级的功能。滤波器在数值信号处理中有广泛的应用，为此我们将滤波器作简单介绍，达到抛砖引玉的作用。若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么，该滤波器的冲击响应（或滤波因子）也必然是离散的，我们称这样的滤波器为数字滤波器（DigitalFilter，DF）。当用硬件实现一个DF时，所需的元件是延迟器、乘法器和加法器。当在计算机上用软件实现时，它就是一段线性褶积（或卷积）的程序。我们知道，模拟滤波器（AnalogFilter，AF）只能用硬件来实现，其元器件是R，L，C及运算放大器或开关电路。因此，DF的实现要比AF容易的多，而且易获得较为理想的效果。滤波器的种类很多，分类方法也不同，如可以从功能上分，也可以从实现方法上分，或从设计方法上来分等等。但总的来说，滤波器可以分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。经典滤波器是假定输入信号x(n)中的有效信号和噪声（或干扰）信号成分各在不同的频带，当x(n)通过一个线性滤波系统后，可以将欲噪声信号成分有效地去除。可是，如果有效信号和噪声信号的频率带相互重叠，那么经典的滤波器将无能为力。现在的地质雷达信号处理中的滤波器主要采用经典的滤波器进行处理。因此有时滤波效果较好，有时较差。现代滤波理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称为时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。一旦信号被估计出，那么估计出的信号将比原信号会有高的信噪比。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征（如自相关函数、功率谱函数等等）导出一套最佳的估值算法，然后用硬件和软件实现。目前现代滤波器主要有：维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适应滤波器等，很多专家将基于特征分解的频率估计及奇异值分解算法都归入现代滤波器的范畴。二、文献的查阅范围及手段：Kluwer全文期刊数据库、Asme数据库、SpringerLink全文期刊数据库、ElsevierScience期刊等电子期刊全文数据库、中国期刊网、万方期刊网、重庆维普全文数据库、中国机械设计手册及机床设计图册、导师提供的部分资料、通过互联网检索等。三、主要参考文献：[1]张曙《数控机床发展的新趋势》.数控机床市场.2004年08期.[2]刘丽云，王元娥.普通机床数控化改造中要考虑的主要问题[J].装备制造技术，2007，(4).[3]赵忠敏.机床数控化改造的研究[J]煤矿机电.2005,(5).[4]荣西林《电工与电子技术》北京：冶金工业出版社，2001.[5]刘杰等编著《机电一体化设计》北京：冶金工业出版社，2003.1[6]孙志礼，冷聚兴，魏延刚，曾海泉《机械设计》东北大学出版社2000.9.[7]孙志礼等主编《机械设计》沈阳：东北大学出版社，2000.9.[8]靳龙《数控加工中心进给系统设计分析》《机械研究与应用》-2005年5期.[9]常兴，刘国锋，田勇.普通车床数控化改造及其设计计算.现代制造工程2005(8).[10]《OptimalPrincipleofCuttingToolforNCMachine-Center》PUWenyu《MechanicalEngineering&Automation》2005（01）.[11]《AutomaticToolChangerofNCMachiningCenter》LIUWei《MachineTool&Hydraulics》2005（05）.[12]周延佑.世界数控系统的发展与机床数控化改造[J]