基于Matlab的数字滤波器的设计

唐 山 学 院

数字信号处理 课 程 设 计

题 目 基于MATLAB的数字滤波器设计

系 (部) 信息工程系

班 级

姓 名

学 号

指导教师

2014 年 1 月 6 日至 1 月 10 日 共 1 周

2014 年 1 月 9 日

课程设计成绩评定表

出勤

情况 出勤天数

缺勤天数

成

绩

评

定 出勤情况及设计过程表现（20分）

课设答辩（20分）

设计成果（60分）

总成绩（100分）

提问

（答辩）

问题

情况

综

合

评

定

指导教师签名：

年 月 日

1 引言

数字滤波在通信、图像编码、语音编码、雷达等许多领域中有着十分广泛的应用。目前，数字信号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进展和成就。近年来迅速发展起来。

MATLAB是美国MathWorks公司推出的一套用于工程计算的可视化高性能语言与软件环境。MATLAB为数字滤波的研究和应用提供了一个直观、高效、便捷的利器。它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互式的工作环境中。MATLAB推出的工具箱使各个领域的研究人员可以直观方便地进行科学研究、工程应用，其中的信号处理(signalproeessing)、图像处理(imageproeessing)、小波(wavelet)等工具箱为数字滤波研究的蓬勃发展提供了有力的工具。

数字滤波器与模拟滤波器相比，具有精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配以及能实现模拟滤波器无法进行的特殊滤波等优点。本文主要介绍有限冲激响应数字滤波器（FIR）和无限冲激响应数字滤波器（IIR）的设计原理、方法、步骤以及在MATLAB中的实现，并以实例形式列出设计程序和仿真结果。

matlabfir滤波器设计

MATLAB是一个高级编程语言和交互式环境，被广泛应用于各种科学和工程问题的数值分析、数据可视化和编程开发等领域。FIR滤波器是数字信号处理中经常使用的一种滤波器，它是基于有限长冲激响应的滤波器。在MATLAB平台上，我们可以使用fir1函数来设计FIR滤波器。

一、FIR滤波器设计基础

1.1 什么是FIR滤波器

FIR滤波器是有限长冲激响应滤波器，由于其具有线性相位特性和可控阶数等优点，在数字信号处理中得到了广泛的应用。一般来说，FIR滤波器的频率响应特性由滤波器的系数函数确定。

FIR滤波器的设计一般采用窗函数法、最小二乘法、频率抽取法等方法。窗函数法是最常见的一种方法，大部分情况下选择的是矩形窗、汉宁窗、布莱克曼窗等。

1.3 fir1函数介绍

fir1函数是MATLAB中用于FIR滤波器设计的函数，用法为：

h = fir1(N, Wn, type)

N为滤波器的阶数，Wn是用于指定滤波器截止频率的参数，type指定滤波器类型，可以是低通、高通、带通、带阻等。

二、使用fir1函数设计FIR滤波器

2.1 设计要求

采样率为300Hz；

滤波器阶数为50；

截止频率为50Hz。

2.2 实现步骤

（1）计算规范化截止频率

规范化截止频率是指在数字滤波器设计中使用的无单位量，通常范围为0到1。在本例中，我们需要将50Hz的截止频率转化为规范化截止频率。 Wn = 2*50/300 = 1/3

根据计算出的规范化截止频率和滤波器阶数，我们可以使用fir1函数来进行滤波器设计。

此处滤波器的阶数为50，规范化截止频率为1/3，类型为低通。

（3）绘制滤波器的幅频响应图

为了验证设计的低通FIR滤波器是否符合要求，我们需要绘制其幅频响应图。

未知驱动探索，专注成就专业

1

利用MATLAB设计巴特沃斯低通数字滤波器

引言

数字滤波器是数字信号处理中的重要组成部分，可以用于去除信号中的噪音和不需要的频率成分。巴特沃斯滤波器是一种常见的数字滤波器，被广泛应用于信号处理领域。

本文将介绍如何利用MATLAB设计巴特沃斯低通数字滤波器，并给出详细的步骤和示例代码。

设计步骤

利用MATLAB设计巴特沃斯低通数字滤波器主要包括以下步骤：

1. 设计滤波器的参数

2. 计算滤波器的传递函数

3. 绘制滤波器的幅频响应曲线

4. 通过频域图像观察滤波器的性能

下面将分别介绍每个步骤的详细操作。 未知驱动探索，专注成就专业

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设计滤波器的参数

巴特沃斯低通数字滤波器的参数包括截止频率和阶数。截止频率决定了滤波器的通频带，阶数决定了滤波器的陡峭程度。

通过MATLAB的butter()函数可以方便地设计巴特沃斯低通数字滤波器。该函数的参数为滤波器的阶数和截止频率。

示例代码如下：

order = 4; % 阶数

cutoff_freq = 0.4; % 截止频率

[b, a] = butter(order, cutoff_freq);

计算滤波器的传递函数

通过设计参数计算得到滤波器的传递函数。传递函数是一个复数，包括了滤波器的频率响应信息。

使用MATLAB的freqz()函数可以计算滤波器的传递函数。该函数的参数为滤波器的系数b和a，以及频率取样点的数量。

示例代码如下：

freq_points = 512; % 频率取样点数量

[h, w] = freqz(b, a, freq_points); 未知驱动探索，专注成就专业

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绘制滤波器的幅频响应曲线

经过计算得到的传递函数能够提供滤波器的幅频响应信息。通过绘制幅频响应曲线，可以直观地观察滤波器的频率特性。

使用MATLAB的plot()函数可以绘制滤波器的幅频响应曲线。该函数的参数为频率点和传递函数的幅值。

基于MATLAB信号处理工具箱的数字滤波器设计与仿真

• 简介：传统的数字滤波器的设计过程复杂，计算工作量大，滤波特性调整困难，影响了它的应用。本文介绍了一种利用MATLAB信号处理工具箱（Signal Processing

Toolbox）快速有效的设计由软件组成的常规数字滤波器的设计方法。给出了使用MATLAB语言进行程序设计和利用信号处理工具箱的FDATool工具进行界面设计的详细步骤。利用MATLAB设计滤波器，可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数，直观简便，极大的减轻了工作量，有利于滤波器设计的最优化。本文还介绍了如何利用MATLAB环境下的仿真软件Simulink对所设计的滤波器进行模拟仿真。

• 关键字：数字滤波器 MATLAB FIR IIR

• 一、引言：

在电力系统微机保护和二次控制中，很多信号的处理与分析都是基于对正弦基波和某些整次谐波的分析，而系统电压电流信号（尤其是故障瞬变过程）中混有各种复杂成分，所以滤波器一直是电力系统二次装置的关键部件【1】。目前微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。利用MATLAB信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）可以快速有效的实现数字滤波器的设计与仿真。

1 数字滤波器及传统设计方法

数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列，并在转化过程中，使信号按预定的形式变化。数字滤波器有多种分类，根据数字滤波器冲激响应的时域特征，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR）滤波器。

IIR数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配。所以IIR滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。FIR数字滤波器的单位脉冲响应是有限长序列。它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数问题，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。