基于MATLAB的高階帶通濾波器的設(shè)計與仿真畢業(yè)論文

1、學(xué) 號 1009131110 畢 業(yè) 設(shè)計 課 題 基于matlab的高階帶通濾波器的設(shè)計與仿真 學(xué)生姓名 李曉艷 院 部 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級 10通信（2）班 指導(dǎo)教師 王珍鳳 二 一 四 年 五 月目 錄插圖清單ii插表清單ii摘 要iiiabstractiv第1章 概 述11.1 引言11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3 數(shù)字濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域21.4 數(shù)字濾波器基本概念2第2章 基于matlab的高階帶通濾波器設(shè)計方法32.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟32.2 數(shù)字濾波器的設(shè)計方法42.2.1 fir濾波器的特點(diǎn)42.2.2 窗函數(shù)設(shè)計法52.2.3 頻率抽樣設(shè)計法62.2.4 最優(yōu)化設(shè)計法

2、7第3章 基于matlab的設(shè)計與仿真83.1 matlab簡介83.2 simulink簡介與功能83.3 基于matlab的設(shè)計與仿真103.3.1 窗函數(shù)法的設(shè)計與仿真103.3.2 頻率抽樣法的設(shè)計與仿真133.3.3 最優(yōu)化設(shè)計法17第4章 利用simulink實現(xiàn)帶通濾波器19結(jié) 論21參考文獻(xiàn)22致 謝23插圖清單圖2-1 各種數(shù)字濾波器的理想幅度頻率響應(yīng)3圖2-2 數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟4圖3-1 增強(qiáng)simulink的模塊功能的方法9圖3-2 矩形窗函數(shù)波形圖11圖3-3 矩形窗函數(shù)的頻譜圖12圖3-4 用矩形窗設(shè)計帶通濾波器的頻譜響應(yīng)圖12圖3-5 用矩形窗設(shè)計帶通濾波器的沖

3、激響應(yīng)圖13圖3-6 帶通濾波器的頻率響應(yīng)圖15圖3-7 帶通濾波器的幅度響應(yīng)15圖3-8 帶通濾波器的沖激響應(yīng)圖16圖3-9 輸入、輸出波形頻譜16圖3-10 頻率特性17圖3-11 幅度特性18圖4-1 帶通濾波器的仿真圖19圖4-2 濾波器的參數(shù)設(shè)置19圖4-3 混合波形20圖4-4 經(jīng)過導(dǎo)通濾波器后的波形20插表清單表1-1 濾波器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用2表2-1 幾種常見窗函數(shù)參數(shù)對比6基于matlab的高階帶通濾波器的設(shè)計與仿真摘 要隨著國家信息化的不斷發(fā)展，科技水平的不斷提高，信息處理方面的研究越來越顯得重要。而濾波器的出現(xiàn)也為人們的生活帶來了便捷。我們所生活的世界是充滿了各種各樣的信

4、息，有些是我們需要的，有些對我們來說卻是多余，而那些多余的信號往往會混雜在我們需要的信號之中傳遞給我們。為了更好地接收到信息，我們必須對這些信號進(jìn)行處理，通過處理讓有用的信號留下來，不需要的則被濾除或則消弱，這個過程，我們就需要用到濾波器來實現(xiàn)。隨著社會通信技術(shù)的不斷發(fā)展緊不，濾波器在通信中起到不可或缺的作用，尤其是在民用中的地位越來越顯著。在社會通信事業(yè)的發(fā)展的推動下，擴(kuò)頻通信將更具潛力，會有更寬廣的發(fā)展道路。本文介紹如何運(yùn)用matlab進(jìn)行高階帶通濾波器的設(shè)計與仿真，在窗函數(shù)法、頻率抽樣法、最優(yōu)化設(shè)計法三種方法的基礎(chǔ)上，尋找一種最優(yōu)化設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波器；matlab；窗函數(shù)法；頻

5、率抽樣法；最優(yōu)化設(shè)計法design and simulation of high orderbandpass filter based on matlababstractwith the continuous development of the national information, the improvement of science and technology, information processing technology becomes more and more important. the filter has brought convenience to people

6、s life. the world we live in is full of all kinds of information, some of what we need, some of us are redundant, and unwanted signals often confounding delivered to us in the signal we need. in order to receive information, we must process these signals, stay by processing make the useful signal, n

7、eed not is filtered or weaken, the process, we need to make use of filter. with the development of communication technology is not tight, filter plays an indispensable role in communication, especially more and more significant role in the civil. in promoting the development of social communication

8、business, spread spectrum communication will be more potential, there will be more broad development road. this paper introduces the design and simulation of how to use matlab for high order band pass filter, based on the window function method, frequency sampling method, the optimization design met

9、hod of the three methods, to find an optimal design method.key words: digital filter; matlab; window function method; frequency sampling method; optimization design method第1章 概述1.1引 言濾波器就是讓我們所需要的信號盡可能完整的傳遞給我們，把干擾的噪聲信號盡可能的消除或者減弱。與模擬濾波技術(shù)相比，數(shù)字濾波技術(shù)對數(shù)字信號分析、處理更加方便。在信號處理過程中，濾波器就起到了一個分離信號的作用。濾波器是一種用來消除有用信號里

10、面參雜的干擾信號的器件，與模擬濾波器相對應(yīng)的應(yīng)用在離散系統(tǒng)中是數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器的種類有很多，總體也可以分為兩大類：傳統(tǒng)濾波器和新型濾波器。傳統(tǒng)濾波器通過不同的占用頻帶將輸入信號中的有用成分和希望濾除的頻率分離，得到理想的信號，從而達(dá)到濾波的目的。但是，如果信號占用的頻帶差距太小出現(xiàn)重疊，傳統(tǒng)濾波器的效果將不會太明顯，起不到很好的作用。為了更好地得到有用信號，滿足人們的更大需求，新型濾波器就誕生了。新型濾波器與傳統(tǒng)濾波器相比，運(yùn)用更加靈活，可以根據(jù)隨機(jī)信號的某類特征，設(shè)定某種最優(yōu)化的準(zhǔn)則下，最大限度的抑制干擾，從而得到最佳的信號。帶通濾波器使有用信號能夠通過某一頻段，其他的信號被抑制較低的狀

11、態(tài)，從而達(dá)到過濾的目的。一個完美的濾波器理想狀態(tài)下應(yīng)該是一個平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有增益也沒有衰弱，干擾能夠完全被抑制或消除。盡管濾波器的發(fā)展相當(dāng)?shù)难杆伲M(jìn)步的特別快，但仍無法做到將理想的狀態(tài)。濾波器的發(fā)展也只能越來越精深，卻無法做到完美。新型數(shù)字濾波器根據(jù)濾波特性可以分成低通、高通、帶通和帶阻等濾波器1.2國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀在通信行業(yè)，濾波器對信號的處理，相當(dāng)重要?？諝庵写嬖谥鞣N信號，當(dāng)所需的信號的某種電磁波發(fā)送到空氣中時，要想接收到需要的信號，就需要對信號進(jìn)行處理分析，通過處理才能得到更清晰無干擾的信號。因此研究數(shù)字濾波器是很有必要的，它對通信和其它領(lǐng)域的發(fā)展有著不可少的作用?，F(xiàn)如今數(shù)字濾

12、波器的設(shè)計層出不窮，形態(tài)各異，但依舊無法克服設(shè)計效率較低，無可視化的圖形，參數(shù)較為修改復(fù)雜等缺點(diǎn)。數(shù)字信號處理的理論和技術(shù)始一出現(xiàn)就受到極大的關(guān)注，近年來已經(jīng)慢慢完善成為了一個嶄新的學(xué)術(shù)科學(xué)性質(zhì)的體系。推動數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的十分迅速主要是歸功于數(shù)字信號處理的幾大優(yōu)點(diǎn)：靈動性、原則性、高精確度和定性、便于大面積的集成、能夠大量的落實模擬系統(tǒng)無從實現(xiàn)的諸多的性能。事實上數(shù)字濾波器的另一方面也有相當(dāng)突出的優(yōu)點(diǎn)，因此信號處理是數(shù)字濾波器的另一個目標(biāo)。1.3 數(shù)字濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字信號處理技術(shù)關(guān)聯(lián)牽扯到的行業(yè)范圍十分的廣闊：概括進(jìn)去了有通信、語言、圖形符號等。數(shù)字化信號在實際生活中是多種多樣的：最

13、常見的電視、廣播、通信，與生活密切聯(lián)系的航空、天文氣象，大到軍事上的雷達(dá)、控制等。各種各樣的數(shù)字信號一直伴隨在我們生活的周邊。在通信過程，濾波器起著相當(dāng)大的作用，是缺之必少的。主要應(yīng)用如表1-1：表1-1 濾波器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用1.4 數(shù)字濾波器基本概念濾波的基本思路就是分析出有用信號和無用的噪音兩者之間最大的差異特性，在經(jīng)過一系列計算和改進(jìn)進(jìn)行提取有用信號的過程。數(shù)字信號處理，循名責(zé)實主要是利用數(shù)學(xué)上的公式或者具有特定的符號的序列把有用的信號取而代之。使用數(shù)字計算的方式，找出有用信號和噪音在序列波形里的分布，經(jīng)過一系列的相位、周期變換分理處兩種信號的濾波過程。濾波器是對應(yīng)于一個離散系統(tǒng)的模擬

14、濾波器的應(yīng)用設(shè)備，一個數(shù)字濾波器的作用是用于消除摻雜有的噪聲干擾設(shè)備從而獲得有用信號。它是利用離散的時變系統(tǒng)的特性的優(yōu)點(diǎn)，分析輸入信號的特征，經(jīng)過計算和處理。也可以說是將輸入信號變換成一定的輸出，從而達(dá)到目的，以獲得有用的信號。它是利用離散時變系統(tǒng)的優(yōu)勢特征。具體的過程是分析輸入信號的特征，通過計算和處理把輸入信號轉(zhuǎn)換成一定的輸出，最后獲得有用的信號，由此實現(xiàn)濾波目的。第2章 基于matlab的高階帶通濾波器設(shè)計方法2.1 數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟圖2-1為各種數(shù)字濾波器對的理想幅度頻率響應(yīng)（只表示正頻率部分）?；蛘咴试S信號的有用頻率分量通過抑制不需要的信號分量的輸出，獲得一個數(shù)字信號，它基本上是

15、由離散時不變線性系統(tǒng)中實現(xiàn)該算法的準(zhǔn)確性的限制數(shù)字濾波器裝置是用于處理具有一個發(fā)送的選擇特性的一個數(shù)字信號的裝置，該系統(tǒng)的基本原理是利用離散系統(tǒng)特性進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換原始信息， hyperlink file:/c:usersadmini1appdatalocaltemprar$exa0.711paperpass-vip%e4%b8%93%e4%b8%9a%e7%89%88-%e6%a3%80%e6%b5%8b%e6%8a%a5%e5%91%8ahtmlssentence_detail104.htm t right 將數(shù)字輸入的信號轉(zhuǎn)換成由特定的操作序列的數(shù)字輸出。hyperlink c:users

16、admini1appdatalocaltemprar$exa0.711paperpass-vip-htmlssentence_detail117.htm t right 本其質(zhì)上是一個數(shù)字濾波器操作流程，完成對信號的處理操作。hyperlink c:usersadmini1appdatalocaltemprar$exa0.711paperpass-vip-htmlssentence_detail116.htm t right 。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號的線性濾波系統(tǒng)hyperlink c:usersadmini1appdatalocaltemprar$exa0.711paperpass-vip-h

17、tmlssentence_detail115.htm t right 在輸入序列中的頻率特性分別與所述數(shù)字濾波器（或頻譜）的輸出序列，所述數(shù)字濾波器的響應(yīng)于所述采樣單元，也稱為與該濾波器的頻域相呼應(yīng)的頻率的分布曲線。hyperlink c:usersadmini1appdatalocaltemprar$exa0.711paperpass-vip-htmlssentence_detail120.htm t right 數(shù)字濾波器的原理是指：fir濾波器是對應(yīng)于一個離散系統(tǒng)的模擬濾波器的應(yīng)用設(shè)備，一個數(shù)字濾波器的作用是用于消除摻雜有的噪聲干擾設(shè)備從而獲得有用信號。它是利用離散的時變系統(tǒng)的特性的優(yōu)點(diǎn)

18、，分析輸入信號的特征，經(jīng)過計算和處理。也可以說是將輸入信號變換成一定的輸出，從而達(dá)到目的，以獲得有用的信號。它是利用離散時變系統(tǒng)的優(yōu)勢特征。具體的過程是分析輸入信號的特征，通過計算和處理把輸入信號轉(zhuǎn)換成一定的輸出，最后獲得有用的信號，由此實現(xiàn)濾波目的。實行過程中可能會遇到以下幾個問題：（1） 確定一個數(shù)字濾波器對性能指標(biāo)的真實的目標(biāo)需求。（2） 指導(dǎo)一個具有穩(wěn)定的因果系統(tǒng)的函數(shù)來無限接近這一目標(biāo)的性能參量。（3） 最后的問題就是，使用一個精準(zhǔn)度是有限的傳遞函數(shù)來設(shè)計濾波器。時間飛快，轉(zhuǎn)眼我們即將畢業(yè)了。從定題到開題再到撰寫論文直到完成歷經(jīng)了幾個月的時間，我終于在老師的幫助下完成了我的論文，回想

19、起來很短暫，但是在遇到問題，分析問題，解決問題的過程卻是記憶猶新。每次我都會在感覺解決不了的時候告訴自己，不能被難題打敗，所以在失敗后都會再鼓足勇氣挑戰(zhàn)。最后完成論文的時候我真的很開心，因為這是在給我大學(xué)四年的學(xué)習(xí)送上的一份答卷，我必須認(rèn)真對待。此外，這篇論文的完美收尾，離不開老師的指導(dǎo)。（1） 特點(diǎn)：以下幾個有具濾波器還緊接著，由于fir濾波器的脈沖響應(yīng)在單位長度下是有限的，所以總能由fft（快速的傅立葉變換）算法運(yùn)算之后得到濾波后的信號，因此可以大大提高了運(yùn)算效率。fir數(shù)字。以上是關(guān)于fir數(shù)字濾波器的設(shè)計的研究，線性相位要的要求比較嚴(yán)格受限制。除此，fir濾波器的單位抽樣響應(yīng)是有限長的

20、，故濾波器必須是平穩(wěn)的該數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)參量的非零值是有限的。（2） 由于系統(tǒng)函數(shù)是因果的系統(tǒng)，所以所有的極點(diǎn)在z =0處呈現(xiàn)收斂的狀態(tài)。（3） 該濾波器系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)不是一般的遞歸結(jié)構(gòu)，在沒不僅過輸出到輸入反饋的情況之下，一些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，仍然會包括一個反饋遞歸組成模塊。2.2.2 窗函數(shù)設(shè)計法在此，我要感謝一些人，首先，我要感謝我的老師，謝謝你們傳授我們知識，謝謝你們曾經(jīng)的幫助，你們見證我們的成長。特別要感謝我的指導(dǎo)老師王珍鳳，感謝您在百忙之中抽時間給我們看論文，指出錯誤，并指導(dǎo)我改正。再次，我要感謝我身邊的小伙伴們，我的同學(xué)，我的朋友，亦或是不認(rèn)識的陌生人，謝謝你們帶給我歡樂，謝謝你們

21、的陪伴，謝謝你們讓我感到溫暖，四年大學(xué)有你們的陪伴，更加美好。最后我要感謝我的母校銅陵學(xué)院，謝謝您的培育。設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為，其單位脈沖響應(yīng)是 （2.1） （2.2）假使可以把當(dāng)作已經(jīng)知道的，可以經(jīng)過z變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。設(shè)截取的額一段用表示，即 （2.3）以上，是一個矩形序列，長度為n。濾波器的單位脈沖響應(yīng)理想狀態(tài)下設(shè)定為，n為抽樣長度值，系統(tǒng)函數(shù)的表達(dá)式為 （2.4）具有有限長度的序列h（n）來替換系統(tǒng)的單位脈沖函數(shù)，這樣一來，非常容易導(dǎo)致錯誤，并在頻率影響下，容易產(chǎn)生gibbs效應(yīng)。這種效果是由波動的通頻帶展寬和過渡區(qū)，不能滿足技術(shù)要求造成的。這所造成的截斷，也被稱

22、為截斷效應(yīng)。為了減少這種影響，需要引入一個線性相位fir濾波器的設(shè)計，以滿足技術(shù)要求。另一方面，我們也了解到是一個以為周期的函數(shù)，能夠書寫成傅里葉級數(shù)的形式，故能夠稱傅里葉法。 用窗函數(shù)設(shè)計fir濾波器的過程如下：工程中常見的窗函如有很多種，這幾種窗函數(shù)參數(shù)的比較見表2-1所示。表2-1 幾種常見窗函數(shù)參數(shù)對比窗函數(shù)旁瓣峰值主瓣最小阻帶衰減/db寬度/m衰減/db矩形窗13-4-21三角窗-258-25漢寧窗-318-44漢明窗-418-53布萊克曼窗-5712-742.2.3 頻率抽樣設(shè)計法窗函數(shù)法把時域作為起點(diǎn)，選取給定狀態(tài)的窗函說來截取特定長度的，拿此去等同于理想的，由此獲取的臨界于期望

23、的完美的頻率響應(yīng)。由于頻率抽樣發(fā)把時域作為起點(diǎn)，對設(shè)定的期望的頻率響應(yīng)給予同樣大小距離的取數(shù)，即 （2.5）接著，把這個設(shè)定成現(xiàn)實的fir數(shù)字濾波器的頻率特性的抽樣值，即令 ， （2.6）我們畢業(yè)了，不是結(jié)束，而是新生活的開始。未來的路還很長，讓我們策馬奔騰吧！ 同也可以通過抽樣值獲得樣和。此或者用來臨界或者。得到后，拿dft定義，能夠按照頻域的獨(dú)一無二的n個抽樣值來得到有每個抽樣點(diǎn)上，濾波器的真實頻率響應(yīng)都是要求苛刻的，與完美期望狀態(tài)下的頻率響應(yīng)的數(shù)值照應(yīng)著相統(tǒng)一，但是每個抽樣點(diǎn)的頻率響應(yīng)確實根據(jù)每個抽樣點(diǎn)的加權(quán)內(nèi)嵌函數(shù)的擴(kuò)展疊加演進(jìn)的?？梢哉f部分臨界偏差是無法避免的，偏差的波動范圍是通過期

24、望頻率響應(yīng)的性質(zhì)確定的，期望中的頻率響應(yīng)波動范圍越小，內(nèi)嵌值越臨近期望的完美狀態(tài)。通過采取某個與頻率對映的演變帶中嵌入照應(yīng)的不間斷的采樣點(diǎn)，增添演進(jìn)帶使它最佳不間斷的辦法，用此使得通帶和阻帶中的演進(jìn)相對舒緩，由此使得臨界偏差盡可能的小。選取內(nèi)n個抽樣值得束縛限制條件： （2.7）使得阻帶消減的方法如下：（1）擴(kuò)大演進(jìn)帶寬，舍棄演進(jìn)帶獲得阻帶消弱的添加。（2）演進(jìn)帶的促進(jìn)研究。采取線性最佳的方法獲得演進(jìn)帶采樣點(diǎn)的位置，獲取期望的相對極臨近的演進(jìn)帶（不僅僅是隨隨便便的設(shè)置一個演進(jìn)帶）。（3）加大n。假使僅僅加大阻帶的衰弱，而卻不改變演進(jìn)帶寬，這時，可以通過加大采樣點(diǎn)n來實現(xiàn)。由此所導(dǎo)致的弊端是使濾

25、波器的階數(shù)增加了，運(yùn)算更加復(fù)雜化了。把頻域作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行探索，物理概念明了，利落便捷；利于窄帶濾波器設(shè)計，此刻時頻率響應(yīng)僅有極少部分是非零值，然而截至頻率卻沒有想象中的容易掌握。2.2.4 最優(yōu)化設(shè)計法最優(yōu)化設(shè)計法是把任何抽樣值都當(dāng)作變量，某些優(yōu)化準(zhǔn)則，采用迭代計算的計算機(jī)來計算，可以擁有最佳的結(jié)果?，F(xiàn)實生活中，僅僅通過運(yùn)用函數(shù)法中的矩形窗的設(shè)計方法，這樣才能實現(xiàn)第一種最佳化準(zhǔn)則，不如人意的是吉布斯 (gibbs )效應(yīng)的無法避免性，讓設(shè)計的理想性難以實現(xiàn)，無法滿足人們的需求。經(jīng)過進(jìn)一步的思考，只有通過使用別的窗函數(shù)才能避免吉布斯效應(yīng)。雖然解決了這個問題，但是新的問題又出現(xiàn)了，此時體現(xiàn)了一個道

26、理，魚和熊掌不可兼得，也就是說這種函數(shù)無法實現(xiàn)最優(yōu)化準(zhǔn)則。為了實現(xiàn) fir df的最優(yōu)化設(shè)計 ,運(yùn)用另一種優(yōu)化準(zhǔn)則才是最佳的。一般情況下，濾波器的設(shè)計過程中對帶通和阻帶的誤差波動的設(shè)求是不同的。等波紋切比雪夫逼近準(zhǔn)則使用不一樣的加權(quán)函數(shù)，獲取在不一樣（通常指的是通帶和阻帶)的加權(quán)誤差，以便落實最大波動實施功能標(biāo)準(zhǔn)的前提下得出盡可能的小值窗函數(shù)和頻率采樣法在fir濾波器的研究中被普遍的施行，遺憾的是兩種方法不是最佳的方法。正常情況下，線性相位濾波器在各種頻帶內(nèi)偏差范圍的設(shè)定是因需而異的。等波紋切比雪夫逼近運(yùn)用加權(quán)逼近誤差，用來表示為： （2.8）以上，在追求比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r下，逼近加權(quán)函數(shù)能夠得到

27、相當(dāng)大的全值，反之，獲得的應(yīng)該是相對比較小的加權(quán)值。fir 數(shù)字濾波器劃成4 種類別，濾波器的頻率響應(yīng)仍然能夠具有唯一表達(dá)性： （2.9）以上，k0 ,1 , 被定義為幅度函數(shù)，也是一個純實數(shù)，照舊能夠用同一的式子表示： （2.10）以上，是的確定函數(shù)，是m個余弦函數(shù)的線性組合。第3章 基于matlab的設(shè)計與仿真3.1 matlab簡介matlab是matrix laboratory（矩陣實驗室）的縮寫。它的創(chuàng)始人是美國new mexico大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任cleve moler，起初萌發(fā)這一動機(jī)是為了解決線性代數(shù)的矩陣運(yùn)算問題，從而減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)。但是給軟件推出后，受到了很大的關(guān)注，應(yīng)用范

28、圍也隨之變廣。后來moler教授等專家組建起了the mathworks軟件開發(fā)公司，慢慢將matlab推上市場，因為matlab中具有豐富的運(yùn)算符、翻天覆地的函數(shù)庫及相應(yīng)開拓的工具包，所以能夠應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)計算、信號處理、圖像處理和財務(wù)分析等各行業(yè)。另外，matlab軟件自帶的十分完善的工具箱，為設(shè)計所需的數(shù)字濾波器提供了更為便利、有用的工作操縱環(huán)境。matlab具有很多其它工程計算軟件沒有的優(yōu)點(diǎn)，比如說它操作起來會比較簡單，不會像c語言一樣，程序出現(xiàn)錯誤就運(yùn)行不出結(jié)果。在matlab中輩出部分錯誤的情況下，還是會運(yùn)行出結(jié)果，同時還會提醒用戶錯誤的地方，很是友好。matlab還在運(yùn)算能

29、力很強(qiáng)，而且快速、高效。在圖形功能方面也很強(qiáng)大，可以支持2d/3d的圖形描述。還有一點(diǎn)，matlab本身內(nèi)嵌了simulink組件，該組件不用編程，只需建立仿真模型，再設(shè)置到相應(yīng)的參數(shù)就可以對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。3.2 simulink簡介與功能simulink模型是通過對模型的設(shè)計模板進(jìn)行嵌入模塊庫形式而創(chuàng)建的，每個功能模塊是通過對系統(tǒng)的定量描述，處理系統(tǒng)通過可視化技術(shù)的效果顯示出來。當(dāng)進(jìn)行繁雜的simulink仿真時模型有時會出現(xiàn)混亂，這個時候進(jìn)行創(chuàng)建分支系統(tǒng)，這樣一來不僅簡化了模型，還可以對仿真進(jìn)行定量的分析。simulink使用起來簡單、易懂。它提供了一個圖形交互化的環(huán)境，也就是他的用戶

30、界面上，在鼠標(biāo)的拖動下，一個可能很復(fù)雜的模型就可以很輕松地被建立起來。在進(jìn)行建模時，各個需要的模塊拖放好后調(diào)整相應(yīng)的位置，再用鼠標(biāo)將各模塊連接起來，一個完整的系統(tǒng)就構(gòu)造好了。用戶在仿真前需要進(jìn)行各個模塊的參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置好之后就即可進(jìn)行模型的動態(tài)分析。其中公共模塊庫是最基礎(chǔ)，最通用的模塊庫，被用在各個領(lǐng)域，共包括16個模塊，有commonly used blocks(通用模塊庫)、continuous(連續(xù)系統(tǒng)模塊)、discontinuous(非線性系統(tǒng)模塊庫)等。simulink主要由這幾個部分，有模塊庫、模型造構(gòu)、指令分析、演示程序等等。simulink的模塊庫包括公共模塊庫換和專業(yè)模

31、塊庫兩類simulink模型的創(chuàng)建就是通過內(nèi)嵌模塊庫的器件在模型設(shè)計模板上采用圖標(biāo)的形式，通過模型參數(shù)、屬性設(shè)置等具體操作來完成模塊創(chuàng)建。在進(jìn)行復(fù)雜的simulink仿真時，有時候模塊太多會顯得模型很亂、看不清楚、弄不明白，又或者需要分析其中某部分的情況，就需要創(chuàng)子系統(tǒng)了，這樣不僅簡化了模型，而且對仿真分析也有幫助。simulink因為其優(yōu)勢明顯而被應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，像通信與衛(wèi)星、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車等等。使用matlab/simulink仿真時，可分為通用或者專用仿真模塊。仿真模塊一般有三部分：信號源、系統(tǒng)和信宿。信號源是指輸入到系統(tǒng)中的信號，可以是各類型的。系統(tǒng)是指對輸入的信號源的數(shù)學(xué)

32、抽象，系統(tǒng)又可以分為連續(xù)線性，非線性等等。信宿是指接收信號的部分，可以在示波器上顯示。說到具體仿真，第一，根據(jù)通信系統(tǒng)原理要求從而建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，懂得每個模塊的意義和關(guān)聯(lián)，最終畫出系統(tǒng)框圖。第二，再根據(jù)系統(tǒng)框圖，在simulink的untitled窗口中建立模型，首先要從模型庫中找到需要的模塊，逐一找完，然后將各模塊位置調(diào)節(jié)好，最后完成連接就建模成功了。第三，在仿真模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定或修改功能模型的參數(shù)及整個系統(tǒng)的參數(shù)。第四，要設(shè)置合適的觀察窗口，以便分析波形數(shù)據(jù)。使用simulink的預(yù)定義模塊，然后根據(jù)需要設(shè)置各種詳細(xì)參數(shù)即可得到精確的系統(tǒng)框圖。simulink模型可指定信號和參量的

33、屬性。如果不指定參數(shù)屬性，simulink則會根據(jù)自己的算法自動標(biāo)記屬性，然后自動檢查，保證得到的數(shù)據(jù)的正確合法化。如圖3-1是增強(qiáng)simulink的模塊功能增強(qiáng)simulink模塊功能的方法利用simulink本身來建立子系統(tǒng)，封鎖自定義的模塊采用matlab的m文件、fortran以及c代碼生成自定義模塊將simulink與開發(fā)軟件的s-函數(shù)無間隙連接起來，完成復(fù)雜的功能將原有的fortran和c代碼連接起來第三方開發(fā)的工具箱其他工程軟件（如adams、femlab和labview等）與matlab的銜接接口，simulink可以非常方便的使用這些軟件中的信息，同時也可以被這些軟件調(diào)用圖3

34、-1 增強(qiáng)simulink的模塊功能的方法 3.3 基于matlab的設(shè)計與仿真matlab給使用者提供了很多可用的函數(shù)，為濾波器的發(fā)展增添了許多便利。與舊的濾波器對照，新的濾波器的設(shè)計更加利索，運(yùn)算也相當(dāng)?shù)目旖荨，F(xiàn)在可以通過兩個函數(shù)實現(xiàn)實現(xiàn)firdf的最優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)在先熟悉一下兩個函數(shù)：（1）n ,fo ,ao ,weights =remezordf ,a ,dev（2）h =remez(n ,fo ,ao ,weights, ftype)3.3.1 窗函數(shù)法的設(shè)計與仿真本次拿矩形窗函數(shù)來實現(xiàn)，其它函數(shù)類似 。只需要在window=boxcar(n)和hn = fir1(n-1,wc,box

35、ca(n)的兩個點(diǎn)根據(jù)需要變動函數(shù)。矩形窗程序設(shè)計示例：wls = 0.2*pi; %低端阻帶截止頻率wlp = 0.35*pi; %低端通帶截止頻率whp = 0.65*pi; %高端阻帶截止頻率wc = wlp/pi,whp/pi; %通帶寬度，求hn時會用b = wlp-wls; %過渡帶n = ceil(4/0.15); n=0:n-1; %n階向量window=boxcar(n); %調(diào)用窗函數(shù)h1,w=freqz(window,1); %求頻率響應(yīng)figure; %新建一個圖形框stem(window); %離散畫圖，看窗函數(shù)xlabel(n); %x軸標(biāo)簽title(矩形窗函數(shù))

36、; %標(biāo)題figure; %新建一個圖形框plot(w/pi,20*log(abs(h1)/abs(h1(1); %畫頻譜圖，進(jìn)行歸一化grid; %顯示表格線xlabel(w/pi); %x軸標(biāo)簽，歸一化ylabel(幅度(db); %y軸標(biāo)簽title(矩形窗函數(shù)的頻譜); %標(biāo)題%以下2段是關(guān)于帶通方面的hn=fir1(n-1,wc,boxcar(n); h2,w=freqz(hn,1,512); %求離散的頻響figure %新建一個圖形框stem(n,hn); xlabel(n); %x軸標(biāo)簽ylabel(h(n); %y軸標(biāo)簽title(矩形窗函數(shù)帶通濾波器的單位脈沖響應(yīng)); %標(biāo)

37、題figure; %新建一個圖形框plot(w/pi,20*log(abs(h2)/abs(h2(1); grid; %顯示表格線xlabel(w/pi); %x軸標(biāo)簽ylabel(幅度(db); %y軸標(biāo)簽title(矩形窗函數(shù)帶通濾波器的幅度特性); %標(biāo)題矩形窗函數(shù)的波形、頻譜、帶通濾波器單位脈沖響應(yīng)、帶通濾波器幅度特性的仿真結(jié)果如圖3-2、3-3、3-4、3-5所示：圖3-2 矩形窗函數(shù)波形圖圖3-3 矩形窗函數(shù)的頻譜圖圖3-4 矩形窗函數(shù)帶通濾波器的單位脈沖響應(yīng)圖3-5矩形窗函數(shù)帶通濾波器的幅度特性3.3.2 頻率抽樣法的設(shè)計與仿真程序設(shè)計如下：wsl=0.12*pi; %低阻帶邊緣

38、wsl=0.12*pi; %低阻帶邊緣wpl=0.32*pi; %低通帶邊緣 wph=0.62*pi; %高通帶邊緣 delta=(wpl-wsl); %過度帶 m=ceil(2*pi*3/delta); %抽樣點(diǎn)數(shù) al=(m-1)/2; wl=(2*pi/m); %抽樣間隔 k=0:m-1;t1=0.12; t2=0.6; %過渡帶樣本點(diǎn) hrs=zeros(1,ceil(0.12*pi/wl)+1),t2,t1,ones(1,ceil(0.3*pi/wl),t1,t2,zeros(1,ceil(0.3734*pi/wl),t2,t1,ones(1,ceil(0.3*pi/wl),t1,t

39、2,zeros(1,ceil(0.12*pi/wl)+1); wdl=0 0.12 0.32 0.62 0.82 1; k1=0:floor(m-1)/2);k2=floor(m-1)/2)+1:m-1;angh=-al*(2*pi)/m*k1,al*(2*pi)/m*(m-k2);h=hrs.*exp(j*angh);h=real(ifft(h); %傅立葉反變換figure(1); %沖擊響應(yīng)圖 stem(k,h);title(impulse response); xlabel(n);ylabel(h(n); grid;figure(2); %幅頻曲線圖hf=abs(h);w=k*wl/p

40、i;plot(w,hf,*b-) axis(0 1 -0.1 1.1);title(amplitude response); xlabel(frequency in pi units);ylabel(hr(w); set(gca,xtickmode,manual,xtick,wdl); set(gca,ytickmode,manual,ytick,0 0.12 0.6 1);grid; figure(3);fs=15000; c,f3=freqz(h,1); f3=f3/pi*fs/2; plot(f3,20*log10(abs(c);title(頻譜特性);xlabel(頻率/hz);yla

41、bel(衰減/db); grid; t=(0:100)/fs; x=sin(2*pi*t*700)+sin(2*pi*t*3200)+sin(2*pi*t*6200);q=filter(h,1,x); a,f1=freqz(x);f1=f1/pi*fs/2; b,f2=freqz(q); f2=f2/pi*fs/2; figure(4);subplot(2,1,1);plot(f1,abs(a);title(輸入波形頻譜圖);xlabel(頻率);ylabel(幅度); subplot(2,1,2); plot(f2,abs(b); title(輸出波形頻譜圖);xlabel(頻率);ylab

42、el(幅度);帶通濾波器的頻率響應(yīng)、幅度響應(yīng)、頻帶特性、輸入輸出波形圖的仿真結(jié)果如圖3-6、3-7、3-8、3-9所示：圖3-6 帶通濾波器的頻率響應(yīng)圖圖3-7 帶通濾波器的幅度響應(yīng)圖3-8帶通濾波器的頻譜特性圖3-9 輸入、輸出波形頻譜3.3.3 最優(yōu)化設(shè)計法上面已經(jīng)運(yùn)用等波紋切比雪夫逼近準(zhǔn)則來實現(xiàn)，matlab程序如下：w1=100;w2=200;rp=1;rs=30;fs=1000; %數(shù)字濾波器的各項指標(biāo)； wp=100,200;ws=50,250; n,wn=cheb1ord(wp/(fs/2),ws/(fs/2),rp,rs); p,q=cheby1(n,rp,wn,bandpas

43、s); %創(chuàng)建chebyshev帶通濾波器； figure(1); freqz(p,q); h,w=freqz(p,q); figure(2);plot(w*fs/(2*pi),abs(h);grid;xlabel(頻率/hz); ylabel(幅度); 頻率、幅度特性的仿真結(jié)果如圖3-10、3-11所示：圖3-10 頻率特性圖3-11 幅度特性第4章 利用simulink實現(xiàn)帶通濾波器。對以上設(shè)計的帶通濾波器進(jìn)行仿真，在matlab中打開simulink窗口畫出仿真圖如圖4-1，單機(jī)三個信號源，采樣頻率frequency分別設(shè)置為100、500、900hz，sample time為2000hz圖4-1 帶通濾波器的仿真圖濾波器設(shè)置如圖4-2，這個設(shè)置使得振幅為1/2，頻率在1/5和4/5之間的信號都能通過，小于或高于這個頻率范圍的其余信號全部過濾掉。圖4-2 濾波器的參數(shù)設(shè)置scope2產(chǎn)生的波形如圖4-3，是沒有經(jīng)過濾波器過濾的信號的波形圖，由波形圖可以明顯的看出信號的混雜，有很多干擾信號。沒有經(jīng)過處理的信號將是參雜很多干擾的，使得我們接收到的信號很不明確，無法確定幸好的準(zhǔn)確度。圖4-3 混合波形scope1產(chǎn)生的波形如圖4-4，是經(jīng)過帶通濾波器處理的信號的