一、選題的來源、目的、意義和基本內(nèi)容

1、題目來源：學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)選題指南。

2、目的和意義：

    信號(hào)處理技術(shù)是指運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、合、估值與識(shí)別等的處理。隨著電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注，數(shù)字信號(hào)處理的理論和技術(shù)也在不斷豐富和完善，新的理論和新技術(shù)層出不窮。可以說，數(shù)字信號(hào)處理是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、成效最顯著的新科學(xué)之一，目前已廣泛地應(yīng)用在語音、雷達(dá)、聲納、地震、圖像、通信、控制、生物醫(yī)學(xué)、遙感遙測、地質(zhì)勘探、航空航天、故障檢測、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。

     過程中，所處理的信號(hào)往往混有噪音，從接收到的信號(hào)中消除或減弱噪音是信號(hào)傳輸和處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號(hào)和噪音的不同特性，提取有用信號(hào)的過程稱為濾波，實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器應(yīng)用極為廣泛。

二、國內(nèi)外研究綜述

    信號(hào)處理一經(jīng)問世，便吸引了很多學(xué)科的研究者，并把它應(yīng)用于自己的研究領(lǐng)域�？梢哉f，數(shù)字信號(hào)處理是應(yīng)用最快，成效最為顯著的新學(xué)科之一。在語音、雷達(dá)、聲納、地震、圖像、通信系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用，他有效地推動(dòng)了眾多工程技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)改造和科學(xué)發(fā)展。近年來，隨著多媒體的發(fā)展，DSP芯片已在家電、電話、磁盤機(jī)等設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

三、參考文獻(xiàn)

[1]  馬玉韜, 軒秀巍, 車進(jìn), 滕建輔. 基于全相位濾波理論的基因預(yù)測[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，(07).

[2]  黃 翔 東，王 兆 華.全相位FIR濾波器族[J].  天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2008，（6）

選題意義：

當(dāng)今，數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)飛速發(fā)展，它不但自成一門學(xué)科，更是以不同的形式影響和滲透到其他的學(xué)科。它與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國防建設(shè)緊密相連，它影響或改變著我們的生產(chǎn)，生活方式，因此受到人們的普遍的關(guān)注。 

智能化，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，實(shí)際生活中遇到的信號(hào)多種多樣，例如廣播信號(hào)，電視信號(hào)，雷達(dá)信號(hào)，通信信號(hào)，導(dǎo)航信號(hào)，射電天文信號(hào)，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，控制信號(hào)，氣象新號(hào)，地震勘測信號(hào)，機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，遙感遙測信號(hào)，等等。上述的這些信號(hào)大部分是模擬信號(hào)，也有小部分是數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一維的，也可以是二維的。大多數(shù)情況下一維模擬信號(hào)的自變量是時(shí)間，經(jīng)過時(shí)間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號(hào)便成為一維數(shù)字信號(hào)。因此，數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是用數(shù)字序列表示的信號(hào)，語音信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)二維離散時(shí)間序列。數(shù)字信號(hào)處理，就是用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行各種處理，把信號(hào)變換成符合需要的某種形式。例如，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行離散，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析或者功率譜分析以了解信號(hào)的頻譜組成，進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種變換，使之更適合于傳輸，存儲(chǔ)和應(yīng)用，對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼以達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的等等

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在信號(hào)處理過程中，所處理的信號(hào)往往混有噪音，從接收到的信號(hào)中消除或減弱噪音是信號(hào)傳輸和處理中十分重要的問題。根據(jù)有用信號(hào)和噪音信號(hào)的不同特性，提取有用信號(hào)的過程成為濾波。實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)被稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器應(yīng)用極為廣泛，這里只列舉部分應(yīng)用最成功的領(lǐng)域。

（1）語音處理 

語音處理是最早應(yīng)用數(shù)字濾波器的領(lǐng)域之一，也是最早推動(dòng)數(shù)字信號(hào)處理理論發(fā)展的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域主要包括5個(gè)方面的內(nèi)容：第一，語音信號(hào)分析。即對(duì)語音信號(hào)的波形特性，統(tǒng)計(jì)特性，模型參數(shù)等進(jìn)行分析計(jì)算。第二，語音合成。即利用專用硬件或在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行軟件來產(chǎn)生語音。第三，語音識(shí)別。即利用專用硬件或計(jì)算機(jī)識(shí)別人的講話，或者識(shí)別說話的人。第四，語音增強(qiáng)。即從噪音或者干擾中提取被掩蓋的語音信號(hào)。第五，語音編碼。主要用于語音數(shù)據(jù)的壓縮，目前已經(jīng)建立了一系列語音編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，大量用于通信和音頻處理。 

（2）圖像處理 

數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于靜止圖像和活動(dòng)圖像的恢復(fù)和增強(qiáng)，數(shù)據(jù)壓縮，去噪音和干擾，圖像識(shí)別以及層析X射線攝影，還成功地應(yīng)用于雷達(dá)，聲納，超聲波和紅外線的可見圖像成像。 

（3）通信 

在現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，幾乎沒有一個(gè)分支不受到數(shù)字濾波器技術(shù)的影響。信源編碼，信道編碼，調(diào)制，多路復(fù)用，數(shù)據(jù)壓縮以及自適應(yīng)信道均衡等，都廣泛的采用數(shù)字濾波器，特別是在數(shù)字通信，網(wǎng)絡(luò)通信，圖像通信，多媒體通信等應(yīng)用中，離開了數(shù)字濾波器，幾乎是寸步難行，其中，別人玩是通信技術(shù)未來發(fā)展方向的軟件無線電技術(shù)，更是以數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)。 

（4）電視 

數(shù)字電視取代模擬電視已經(jīng)是必然的趨勢。高清晰電視的普及指日可待，與之配置的視頻光盤技術(shù)已經(jīng)形成巨大市場產(chǎn)業(yè)：可視電話和會(huì)議電視產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)所取得的成就和標(biāo)準(zhǔn)化工作，促成了電視領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，而數(shù)字濾波器及其相關(guān)技術(shù)是視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)的重要基礎(chǔ)。 

（5）雷達(dá) 

雷達(dá)信號(hào)占有的頻帶非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，因而壓縮數(shù)據(jù)量和降低數(shù)據(jù)傳輸速率是雷達(dá)信號(hào)數(shù)字處理面臨的首要問題。告訴數(shù)字器件的出現(xiàn)促進(jìn)了雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步。在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)處理部分是不可缺少的，因?yàn)閺男盘?hào)處理，濾波，加工到目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)和目標(biāo)成像的顯示都離不開數(shù)字濾波技術(shù)。雷達(dá)信號(hào)的數(shù)字濾波器是當(dāng)今十分活躍的研究領(lǐng)域之一。

（6）聲納 

聲納信號(hào)處理分為兩大類，即有源聲納信號(hào)處理和無源聲納信號(hào)處理，有源聲納系統(tǒng)涉及的許多理論和技術(shù)與雷達(dá)系統(tǒng)相同。例如，他們都要產(chǎn)生和發(fā)射脈沖是探測信號(hào)，他們的信號(hào)處理任務(wù)都主要是對(duì)微弱的目標(biāo)回?fù)苓M(jìn)行檢測和分析，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測，定位，跟蹤，導(dǎo)航，成像顯示等目的，他們要應(yīng)用到的主要信號(hào)處理技術(shù)包括濾波，門限比較，譜估計(jì)等。 

（7）生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理 

數(shù)字濾波器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，如對(duì)腦電圖和心電圖的分析，層析x射線攝影的計(jì)算機(jī)輔助分析，胎兒心音的自適應(yīng)檢測等。 

（8）音樂 

數(shù)字濾波器為音樂領(lǐng)域開辟了一個(gè)新局面，在對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行編輯，合成以及在音樂中加入交混回響，合聲等特殊方面，數(shù)字濾波技術(shù)都顯示出了強(qiáng)大的威力。數(shù)字濾波器還可用于作曲，錄音和播放，或?qū)εf錄音帶的音質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)等。

（9）其他領(lǐng)域 

數(shù)字濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域如此廣泛，以至于完全列舉他們是根本不可能的，處理以上幾個(gè)領(lǐng)域外，還有許多其他的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在軍事上唄大量應(yīng)用于導(dǎo)航，制導(dǎo)，電子對(duì)抗，戰(zhàn)場偵查。。 

     隨著信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代的到來，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)車位一門及其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是，模擬電力技術(shù)存在很多難以解決的問題，例如， 模擬電路元件對(duì)溫度的敏感性，等等。而采用數(shù)字技術(shù)則避免很多類似的難題，當(dāng)然數(shù)字濾波器在其他方面有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，在前面部分已經(jīng)提到，這些都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理是目前發(fā)展的方向

三、本文研究內(nèi)容

主要研究基于Matlab的FIR帶通濾波器。具體是采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、頻率采樣法、等波紋逼近法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用Matlab軟件編寫程序進(jìn)行仿真。 

1.研究FIR濾波器的定義、分類、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)方法。

2.了解FIR濾波器窗函數(shù)的設(shè)計(jì)方法及原理。 

3.了解FIR濾波器頻率采樣的設(shè)計(jì)方法及原理。 

4.了解FIR濾波器等波紋逼近的設(shè)計(jì)方法及原理。 

5.確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)，并進(jìn)行Matlab仿真。 

結(jié)合上述內(nèi)容，設(shè)計(jì)編程，完成利用Matlab軟件設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器并進(jìn)行仿真優(yōu)化。通過設(shè)計(jì)編程，加深對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。

四、設(shè)計(jì)方案

1、IIR濾波器的設(shè)計(jì)原理

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)一般是利用目前已經(jīng)很成熟的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常采用模擬濾波器原型有butterworth函數(shù)、chebyshev函數(shù)、bessel函數(shù)、橢圓濾波器函數(shù)等。

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟：

（1） 按照一定規(guī)則把給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)；

（2） 根據(jù)模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)為響應(yīng)的模擬低通濾波器；

（3） 很據(jù)脈沖響應(yīng)不變法和雙線性不變法把模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器；

（4） 如果要設(shè)計(jì)的濾波器是高通、帶通或帶阻濾波器，則首先把它們的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)為數(shù)字低通濾波器，最后通過頻率轉(zhuǎn)換的方法來得到所要的濾波器。

2、 FIR濾波器的設(shè)計(jì)原理

FIR濾波器通常采用窗函數(shù)方法來設(shè)計(jì)。窗設(shè)計(jì)的基本思想是，首先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)睦硐脒x頻濾波器（它總是具有一個(gè)非因果，無限持續(xù)時(shí)間脈沖響應(yīng)），然后街區(qū)（加窗）它的脈沖響應(yīng)得到線性相位和因果FIR濾波器。

它是從時(shí)域出發(fā)，用一個(gè)窗函數(shù)截取理想的 得到h(n)，以有限長序列h(n)近似理想的 ：如果從頻域出發(fā)，用理想的  在單位圓上等角度取樣得到H(k),根據(jù)h(k)得到H（z）將逼近理想的H (z),這就是頻率取樣法。

窗函數(shù)設(shè)計(jì)法

    同其他的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法一樣，用窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器也是首先要對(duì)濾波器提出性能指標(biāo)。一般是給定一個(gè)理想的頻率響應(yīng)    ，使所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的頻率響應(yīng)h  去逼近所要求的理想濾波器的響應(yīng)。窗函數(shù)的設(shè)計(jì)的任務(wù)在于尋找一個(gè)可實(shí)現(xiàn)（有限長單位脈沖響應(yīng)）的傳遞函數(shù)。

       =  （4—1）

  去逼近。我們知道，一個(gè)理想的頻率響應(yīng) 的傅立葉變換

        =     （4—2）

      

     所得到的理想單位脈沖響應(yīng)往往是一個(gè)無限長序列。對(duì) 經(jīng)過適當(dāng)?shù)募訖?quán)、截?cái)嗵幚聿诺玫揭粋�(gè)需要的有限長脈沖響應(yīng)序列。對(duì)應(yīng)不同的加權(quán)、截?cái)�，就有不同的窗函�?shù)。所要尋找的濾波器脈沖響應(yīng)就等理想脈沖響應(yīng)窗函數(shù)的乘積。即

   h=w          （4—3）

由此可見，窗函數(shù)的性質(zhì)就決定了濾波器的品質(zhì)。例如：窗函數(shù)的主瓣寬度決定了濾波器的過渡帶寬：窗函數(shù)的旁瓣代銷決定了濾波器的阻帶衰減。

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）   

窗函數(shù)法設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器可以按如下步驟進(jìn)行：

1、確定數(shù)字濾波器的性能要求。確定各臨界頻率{}和濾波器單位脈沖響應(yīng)長度N。

2、根據(jù)性能要求和N值，合理的選擇單位脈沖響應(yīng)h(n)有奇偶對(duì)稱性，從而確定理想頻率響應(yīng)的幅頻特性和相位特性。

3、用傅立葉反變換公式求得理想單位脈沖響應(yīng)  。

4、選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)W（n），根據(jù)式h=w，求得所設(shè)計(jì)的FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)。

5、用傅立葉變換求得其頻率響應(yīng)H，分析它的幅頻特性，若不滿足要求，可適當(dāng)改變窗函數(shù)形式或長度N，重復(fù)上述過程，直至得到滿意的結(jié)果。

五、論文結(jié)構(gòu)

六、參考文獻(xiàn)

[1]  馬玉韜, 軒秀巍, 車進(jìn), 滕建輔. 基于全相位濾波理論的基因預(yù)測[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，(07).

[2]  黃 翔 東，王 兆 華.全相位FIR濾波器族[J].  天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2008，（6）

[3] 黃翔東，王兆華.任意正交變換下的全相位等效 FIR 濾波器的構(gòu)造[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39(9)：1120-1125

[4] 丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2000.195～225.

[5] 董長虹等. MATLAB信號(hào)處理與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[6] 樓順天，李博菡.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998[M].

[7] 侯正信.全相位列率濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].信號(hào)處理，2001 增刊，Vol(17)：132-135

[8] 丁玉美, 高西全.數(shù)字信號(hào)處理[M]. 第三版. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2008, 6. 

[9] 閆勝利. FIR濾波器及設(shè)計(jì)原理[J]. 長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 6, 4(1): 21-24. 

[10] 姚齊國. 基于MATLAB的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[J]. 江西理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 2, 27(1): 50-52. 

[11] 楊守衛(wèi). FIR數(shù)字濾波器應(yīng)用分析探討[J]. 河北省工程咨詢?cè)簩W(xué)報(bào), 2011, 7, 29(15): 47-49. 

[12] 朱敏.  MATLAB數(shù)字信號(hào)處理工具箱的開發(fā)和應(yīng)用[J]. 信息與電腦, 2010, 2, 26(8): 154-155. 

[13] 姚海燕. FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)窗函數(shù)法與頻率抽樣法比較[J].

安陽工學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 6,  12(6): 51-53. 

[14] 劉波. MATLAB信號(hào)處理[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006, 7. 

[15] 鄔國揚(yáng), 張萱, 呂昂等. 模擬電子技術(shù)[M]. 第二版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2007, 3. 

[16] 邵朝, 陰亞芳, 盧光躍.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2004.133~136 

[17] Sanjit K.Mitra,Digital Signal Processing-A Computer-Based Approach[J] 3e.北京:清華大學(xué)出版社,2006.427~428 

[18] 趙健，李毅，楊菊平．?dāng)?shù)字信號(hào)處理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.93~95