椭圆数字滤波器的设计.docx

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1、毕业设计专业：通信工程班级学号：学生姓名：指导教师：-O年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计椭圆数字滤波器的设计DesignofEllipticDigitalFilter2011年6月摘要本论文的主要研究内容是数字滤波器的根本原理及设计理论，并探讨了椭圆数字滤波器的设计过程。数字滤波器的设计理论中，重点介绍了数字滤波器间接法设计过程以及典型的三种滤波器设计数学模型，分别是巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器。椭圆数字滤波器的设计过程，需要将给定的数字滤波器技术指标转换为相应模拟滤波器的技术指标，并通过频率变换转换为模拟低通滤波器的技术指标，构建模拟低通滤波器原型，再通过频率变换及双线

2、性变换法或脉冲响应不变法得到所希望设计的椭圆数字滤波器。论文的最后局部，运用MATLAB仿真软件对椭圆数字滤波器进行了仿真。采用间接法得到了椭圆数字低通滤波器的频率响应特性曲线；采用直接法得到了椭圆数字带阻滤波器和椭圆数字带通滤波器的频率响应曲线，以及信号通过椭圆数字带通滤波器后滤除无用频率成分的滤波效果示意图。关键词：数字滤波器；椭圆滤波器；MATLABABSTRACTThemaincontentsofthispaperisthebasicprincipleandthedesigntheoryofdigitalfilter,anditalsocontainsthedesignofellipt

3、icdigitalfilterprocess.Digitalfilterdesigntheoryfocusesontheindirectmethodofdigitalfilterdesignprocessandthetypicalmathematicalmodelsoffilter,theyarebutterworthfilter,chebyshevfilterandelipticfilter.Designingaellipticdigitalfilter,firstly,Changethegivendigitalfilterspecificationsintothesametypeofana

4、logfilter,sspecifications;secondly,converttolow-passfilterspecifications,thirdly,buildaprototypeanaloglow-passfilter,finally,throughthefrequencytransformationandbilineartransformationmethodorthesameimpulseresponsemethoddesignthedesireddigitalfilter.Inlastofthispaper,IusedMATLABsimulationsoftwaresimu

5、latingtheellipticdigitalfilter.Indirectmethodhadbeenusedinellipticdigitallowpassfilter,sdesignandgotitsfrequencyresponsecurve.Ialsousedthedirectmethoddesignedellipticdigitalbandstopfilterandellipticdigitalbandpassfilter,gottheirfrequencyresponsecurveandtheeffectdiagramofsignalsafterellipticdigitalba

6、nd-passfilter.KeyWords：Digitalfilter;Ellipticfilter;MATLAB1绪论11.1 滤波器的开展1早期开展阶段1逐步开展阶段2快速开展阶段21.2 数字滤波器概述3数字滤波器的研究背景与意义3数字滤波器的应用现状32数字漉波器根本理论62.1 数字滤波器的根本工作原理62.2 数字滤波器的分类82.3 数字滤波器的特点93数字滤波器的设计103.1 数字漉波器的技术指标103.2 模拟漉波器根本原理12模拟滤波器的技术指标12巴特沃斯滤波器12切比雪夫滤波器15椭圆滤波器16模拟滤波器频率变换183.3 模拟漉波器与数字漉波器的转换关系20脉冲响

7、应不变法20双线性变换法224椭圆数字漉波器设计及仿真244.1 椭圆数字滤波器的设计步骤244.2 椭圆数字滤波器的MATLAB仿真24重要函数调用方式25椭圆数字滤波器设计仿真实例27结论错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。1绪论1.1 滤波器的开展随着计算机和信息科学的极大开展，信号处理已经逐步开展成为一门独立的学科，是信息科学的重要组成局部，在语音处理、图像处理、雷达、航空航天、地质勘探、通信、生物医学等众多领域得到了广泛的应用。滤波技术是信号分析、处理技术的重要分支，无论是信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号的平安可靠和有效灵

8、活地传递是至关重要的。利用该技术可以从接收到的各种信号中提取所需要的信号，抑制或消除不必要的干扰信号。滤波器正是采用滤波技术的具有一定传输选择性的信号处理装置。当信号输入后，滤波器将使信号中某些需要的成分得以传输至输出端，而使其中的另一些不需要的成分受到抑制而不被传输。因此，滤波器的功能可以理解为对输入信号进行某种运算、处理并变换为人们所需要的输出信号。在现代信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一种必不可少的组成局部处在一个十分重要的位置，并且日益显示其巨大的应用价值。尽管滤波技术的开展到现在只有九十多年的历史，但它的发生与开展已经经历了诸多变化，作为一种信号处理技术已相当完善。1.1.1

9、早期开展阶段1917年美国和德国科学家分别创造了LC滤波器，次年美国创造了第一个多路复用系统，由此翻开了滤波器的开展进程。早期的滤波器都是一些具有选择特性的电路或系统。如串联或并联谐振回路，串联谐振时，回路中的电流到达最大值，且与电压同相；并联谐振时，回路两端的电压到达最大值，且与电压同相。利用这一特点，可以选出所需要的的特定频率的信号。当需要选择的是某个波长的播送电台信号时，由于播送电台发出的信号不是单一频率的信号，而是占据了一定的频率范围，为了清晰地收听电台播送，人们希望在这个频率范围内的信号均能等衰减的通过，而这个频率范围以外的信号将被完全滤除掉。而前述的串、并联谐振回路的通频带较窄，衰

10、减特性也不够陡峭，所以需要寻找新的途径解决这一问题。由此出现了变压器双调谐耦合滤波器，该滤波器的通频带接近矩形，因而能够很好的满足这种特定要求。随着邮电通讯的开展，对滤波器又提出了进一步的要求：希望滤波器的话音衰减最小，相互间的连接阻抗匹配。这一要求导致了多种滤波器的设计理论的提出。最先出现的是定K式滤波器，即形网络两个支路上的阻抗ZI和Z?满足如下关系：Z1Z2=k2(1-1)并且引出了特性阻抗的概念，同时指出两个或两个以上的网络相连时，假设每个网络连接点左右两侧的特性阻抗相等，这种连接就成为二端对网络的匹配连接。这种连接方式有着十分简明的关系，合成网络两侧的特性阻抗等于第一个网络的特性阻抗

11、和最后一个网络的特性阻抗。合成网络的固有传输常数等于各分网络的固有传输常数之和，这种性质使得滤波器的设计得以简化。然而定K式滤波器也有它的缺乏之处,它在通带之内特性阻抗不太平稳，在阻带之内的衰减相当缓慢。为改善定K式滤波器的这一缺点，出现了M导出式滤波器。M导出式滤波器的特性阻抗和定K式滤波器的完全相同，然而它在阻带内衰减极快，但同时它的并联谐振点衰减不太理想。设计者为了得到更为精密、准确的结果，不断地在滤波器设计根底上改良、创新，极大地推动了滤波器的开展。在非线性器件产生后，非线性滤波器开展极快。非线性滤波器的输入与输出之间不是呈线性关系，从而使人们从原始选频模式中跳了出来，拓宽了滤波器的概

12、念，滤波器也从线性模式拓宽到了非线性模式，扩大了其应用范围O1.1.3 快速开展阶段20世纪50年代无源滤波技术日趋成熟，自60年代起，由于微电子技术、信息技术、计算机技术、集成工艺和材料工业的开展，滤波器朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、高稳定性和高性价比努力。这也成为70年代以后滤波器开展的主攻方向，使得有源RC滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移滤波器等各种滤波器开展极快。随着集成电路技术的进一步开展，在70年代后期，将滤波器集成于单一芯片，而目前应用普遍的集成滤波器是开关电容滤波器。80年代，主要致力于各类新型滤波器性能的研究,进一步提高滤波器性能的同时逐渐扩大滤波器应用范围

13、。90年代至今,滤波器的开展主要致力于各类滤波器的应用，当然，滤波器的性能改良是永远不会止步的。我国在50年代以后开始广泛使用滤波器，主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的开展，我国滤波器在研制、生产、应用方面已纳入国际开展轨道。1.2 数字滤波器概述1.2.1 数字滤波器的研究背景与意义当今，随着科技的日新月异，数字信号处理技术正飞速开展，它的理论与应用得到了飞跃式的进步，且形成了一门极重要的学科，并以不同形式影响和渗透到其它学科。它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连，它影响、改变着我们的生产、生活方式。同时，数字化、智能化、网络化是当代信息技术开展的大趋势，且数字化是智能化和网络化

14、的根底，而数字信号处理又是数字化必不可少的一局部，因此数字信号处理技术受到了人们的普遍关注。在实际生活中，我们会遇到多种多样的信号，例如播送信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、天文信号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动信号、遥感遥测信号等等。上述初始信号大局部为模拟信号，模拟信号是自变量连续的函数，它的自变量可以是一维的，也可以是二维或多维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化（采样）和幅度上的离散化（量化），一维模拟信号便成为一维数字信号。数字信号实际上是用数字序列表示的信号，例如，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个一维离散

15、时间序列；图像信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散空间序列。数字信号处理，就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。例如，对数字信号进行滤波以限制它的频带或滤除噪音和干扰，或将它与其它信号进行别离；对信号进行频谱分析或功率谱分析以了解信号的频谱特性，进而对信号进行识别；对信号进行某种变换，使之更适合于传输、存储和应用；对信号进行编码以到达数据压缩的目的，等等。滤波器按所处理的信号类型不同，可分为模拟滤波器和数字滤波器，其中数字滤波器是数字信号处理的主要装置之一。目前已研制出多种专用数字信号处理芯片，可以很方便地实现一个数字滤波器。因为数字滤波器的数

16、字运算方式，使其相较于模拟滤波器具有高精度、高稳定性、可采用超大规模集成电路、体积小、重量轻、实现灵活、参数调整容易且不要求阻抗匹配等优点。如果在数字滤波系统的前后加上AD（模拟-数字）和DA（数字-模拟）转换器，它的作用就等效于模拟滤波器，也可以用来处理模拟信号。1.2.2 数字滤波器的应用现状在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器的应用极为广泛，这里只列举局部成功的应用领域。(1)语音处理语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论开展的领域之一。该领域主要包括五个方面的内容：第一，语音信号分析，即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算；第二，语音合成，即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音；第三，语音识别，即用专用硬件或计算机识别人讲的话或识别