開題報告是畢業論文答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一，下面是小編蒐集整理的通訊工程畢業論文開題報告範文，供大家閱讀參考。
題目：基於Matlab的FIR濾波器組設計方法研究
一、選題的依據及意義：
所謂數字訊號處理技術是指運用數值計算的方法對訊號進行分析、變換、綜合、估值與識別等的處理。隨著電子技術和電子計算機技術的發展?數字訊號處理技術受到了越來越廣泛的關注?數字訊號處理的理論和技術也在不斷豐富和完善?新的理論和新技術層出不窮。可以說?數字訊號處理是發展最快、應用最廣泛、成效最顯著的新科學之一?目前已廣泛地應用在語音、雷達、聲納、地震、影象、通訊、控制、生物醫學、遙感遙測、地質勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領域。 數字濾波器是數字訊號處理中的重要組成部分之一?在數字訊號處理中?數字濾波佔有極其重要的地位。濾波器可以分為IIR濾波器和FIR濾波器兩大類?IIR濾波器並不能得到嚴格的線性相位特性?因此在許多實際應用中為了得到線性相位特徵?還必須另外增加相位校正網路?使濾波器設計變得複雜?成本也高?而FIR濾波器在保證幅度特性滿足技術要求的同時?還可以很容易的做到有嚴格的線性相位特性。它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性?同時其單位抽樣響應是有限長的?因而濾波器是穩定的系統。因此?FIR濾波器在通訊、影象處理、模式識別等領域都有著廣泛的應用。 目前對數字濾波器的設計有多種方法?其中著名的Matlab軟體包?功能強大、使用方便。傳統的數字濾波器的設計過程複雜?計算工作量大?濾波特性調整困難?影響了它的應用。利用Matlab訊號處理工具箱可以快速有效的設計由軟體組成的常規數字濾波器?可以隨時對比設計要求和濾波器特性調整引數?直觀簡便?極大的減輕了工作量?有利於濾波器設計的最優化
在許多數字訊號處理系統中，如語音或音訊訊號處理中，有限衝激響應(FIR)濾波器是最常用的元件之一，它完成訊號預調、頻帶選擇和濾波等功能。FIR濾波器雖然在截止頻率的邊沿陡峭效能上不及無限衝激響應(IIR)濾波器，但是卻具有嚴格的線性相位特性，穩定性好，能設計成多通帶(或多阻帶)濾波器組，所以能夠在數字訊號處理領域得到廣泛的應用。
Matlab是mathswork公司推出的一套高效能的數值計算和視覺化軟體，它集數值分析、訊號運算、矩陣運算、訊號處理和圖形顯示於一體，具有很強的繪圖功能。利用它自帶的豐富的函式和訊號處理工具箱，可以很方便地設計和模擬FIR濾波器組。
二、國內外研究概況及發展趨勢(含文獻綜述)：
隨著積體電路技術的發展，各種新型的大規模和超大規模積體電路不斷湧現積體電路技術與計算機技術結合在一起，使得對數字訊號處理系統功能的要求越來越強。數字濾波在語音訊號、圖象處理、模式識別和譜分析等領域中的一個基本的處理技術。數字濾波與模擬濾波相比數字濾波具有很多突出的優點，主要是因為數字濾波器是過濾時間離散訊號的數字系統，它可以用軟體(計算機程式)或用硬體來實現，而且在兩種情況下都可以用來過濾實時訊號或非實時訊號。儘管數字濾波器這個名稱一直到六十年代中期才出現，但是隨著科學技術的發展及計算機的更新普及，數字濾波器有著很好的發展前景。20世紀60年代起，由於計算機技術、整合工藝和材料工業的發展，濾波器的發展上了一個新臺階，朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價廉等方向努力，其中高精度、小體積、多功能、穩定可靠成為70年代以後的主攻方向，導致數字濾波器、RC有源濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發展。到70年代後期，上述幾種濾波器的.單片整合己被研製出來並得到應用，90年代至現在主要致力於把各類濾波器應用於各類產品的開發和研製。當然，對濾波器本身的研究仍在不斷進行。
國外數字濾波器發展歷史及研究成果
數字濾波有線性濾波和非線性濾波。線性濾波是指卷積濾波?又分為頻域濾波和時域濾波?在實域中根據濾波方式又分為遞迴濾波和遞迴濾波。非線性濾波主要是指同態濾波?它是用取對數的方法將非線性問題線性化。 近些年?線性濾波方法?如Wiener濾波、Kalman濾波和自適應濾波得到了廣泛的研究和應用。同時一些非線性濾波方法?如小波濾波、同態濾波、中值濾波和形態濾波等都是現代訊號處理的前沿課題?不但有重要的理論意義?而且有廣闊的應用前景。Wiener濾波是最早提出的一種濾波方法?當訊號混有白噪聲時?可以在最小均方誤差條件下得到訊號的最佳估計。但是?由於求解Wiener-Hoff方程的複雜性?使得Wiener濾波實際應用起來很困難?不過Wiener 濾波在理論上的意義是非常重要的?利用Wiener濾波的純一步預測?可以求解訊號的模型引數?進而獲得著名的Levinson演算法[2]。 Kalman濾波是20 世紀60 年代初提出的一種濾波方法。與Wiener濾波相似?它同樣可以在最小均方誤差條件下給出訊號的最佳估計。所不同的是?這種濾波技術在時域中採用遞推方式進行?因此速度快?便於實時處理?從而得到了廣泛的應用。Kalman濾波推廣到二維?可以用於圖象的去噪。當假設Wiener濾波器的單位脈衝響應為有限長時?可以採用自適應濾波的方法得到濾波器的最佳響應。由於它避開了求解Wiener-Hoff方程?為某些問題的解決帶來了極大的方便闊。小波濾波就是利用訊號和噪聲的目的。同態濾波主要用於解決訊號和噪聲之間不是相加而是相乘關係時濾波問題。另外?當訊號和噪聲之間為卷積關係的時候?在一定條件下可以利用同態濾波把訊號有效地分離開來
?由同態濾波理論引申出的復時譜也成為現代訊號處理中極為重要的概念er濾波、Kalman濾波和自適應濾波都是線性濾波?線性濾波的最大缺點就是在消除噪聲的同時?會造成訊號邊緣的模糊。中值濾波是20世紀70年代提出的一種非線性濾波方法?它可以在最小絕對誤差條件下?給出訊號的最佳估計。這種濾波方法的優點?就是能夠保持訊號的邊緣不模糊。另外它對脈衝噪聲也有良好的清除作用。形態濾波是建立在集合運算上的一種非線性濾波方法?它除了用於濾除訊號中的噪聲外?還在圖象分析中發揮了重要的作用. 關於數字濾波器理論研究的發展也帶來了數字濾波器在實現上的空前發展。 20世紀60年代起?由於計算機技術、整合工藝和材料工業的發展?濾波器的發展上了一個新臺階?朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價廉等方向努力?其中高精度、小體積、多功能、穩定可靠成為70年代以後的主攻方向?導致數字濾波器、RC有源濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發展。到70年代後期?上述幾種濾波器的單片整合己被研製出來並得到應用?90年代至現在主要致力於把各類濾波器應用於各類產品的開發和研製。當然?對濾波器本身的研究仍在不斷進行
目前?國外有許多院校和科研機構在研究基於FPGA的DSP應用?比較突出的有Denmark大學的研究小組正在從事FPGA實現數字濾波器的研究。由於FPGA實現乘法器有困難?因此他們重點研究開發無乘法的濾波器演算法。加州大學洛杉磯分校的研究小組採用執行時重構技術開發了一種視訊通訊系統?該系統用一片FPGA可每幀重構四次完成視訊影象壓縮和傳送的操作。此外?他們還在進行Mojave專案的開發工作?力圖採用執行時重構技術來實現自動目標識別應用[3]。
國內數字濾波器發展歷史及研究成果
我國在DSP技術起步較早?產品的研究開發成績斐然?基本上與國外同步發展?而在FPGA方面起步較晚。全國有100來所高等院校從事DSP&FPGA的教學和科研?除了一部分DSP晶片需要從國外進口外?在訊號處理理論和演算法方面?與國外處於同等水平.而在FPGA訊號處理和系統方面?有了喜人的進展?正在進行與世界先進國家同樣的研究.如?西北工業大學和國防科學技術大學的ATR實驗室採用了FPGA可重構計算系統進行機載影象處理和自動目標識別?主要是利用該系統進行復雜的卷積運算?同時利用它的可變柔性來達到自適應的目的。北京理工大學研究利用FPGA提高加解密運算的速度?等等
國內外數字濾波器研究動態與趨勢
數字濾波器精確度高?使用靈活?可靠性高?具有模擬裝置沒有的許多優點?已廣泛地應用與各個科學技術領域?例如數字電視?語音?通訊、雷達、聲納、遙感、影象、生物醫學以及許多工程應用領域。隨著資訊時代數字時代的到來?數字濾波技術已經成為一門及其重要的科學和技術領域[5]。以往的濾波器大多采用類比電路技術?但是類比電路技術存在很多難以解決的問題?而採用數字則避免很多類似的難題?當然數字濾波器在其他方面也有很多突出的優點都是模擬技術所不能及的?所以採用數字濾波器對訊號進行處理是目前的發展方向。 數字濾波在通訊。影象編碼?語音編碼?雷達等許多領域有著十分廣泛的應用。目前?數字訊號濾波器的設計在影象處理?資料壓縮等方面的應用取得了令人矚目的進展和成就。近年來迅速發展[6]。
三、研究內容及實驗方案：
1研究內容
3.1 FIR濾波器組的設計
用窗函式法設計FIR濾波器組的基本思路為: (1)根據所要求的分析頻率範圍和頻率解析度選擇一組分析頻率ωk及相對應的原型理想低通濾波器的截止頻率ωck(k=0，1，…，L-1)，L為濾波器組的通道數，得出理想帶通濾波器組的複合頻率響應。(2)用窗函式法近似實現各個理想帶通濾波器。實際的複合頻率響應等於理想複合頻率響應與設計窗的頻率特性的卷積。在用窗函式法設計FIR濾波器時，還需要知道通帶內的紋波幅度δ，它可以根據阻帶衰減量As的要求來確定，通常的典型值為
As=-20lgδ=40∽60 (3)
如果選擇Kaiser窗，引數β的計算公式為
當As >50時，β=0.1102(As-8.7);
當21
濾波器的階數為
M=(As-7.95)/14.36△F+1 (5)
式中△F是歸一化過渡頻寬，即△F=△f•T，而
△f=△ω/2π (6)
過渡頻寬△ω的選擇根據對每個濾波器的頻率解析度要求來決定，必須滿足限制條件
△ωk<2ωck (7)
如果各通道採用相同的設計窗，保證中心頻率及頻寬的選擇能覆蓋-π到π頻率範圍(不管濾波器的中心頻率和頻寬如何分佈)，那麼最終得到的實際複合響應一定是理想的，即具有平坦幅度和線性相位。
在數字語音處理中，語音訊號取樣頻率f s=9.6kHz，頻譜分析範圍為200Hz到3200Hz，設計一FIR帶通濾波器組，使阻帶內衰減為60dB。選取濾波器通道數L=15，均勻分佈，則理想的原型低通濾波器的截止頻率為
f c=(3200-200)/(2x15)=100Hz
中心頻率為
f k =(200k+100)Hz, k=1,2,…,15
採用Kaiser窗函式設計，要求δ=10-3，取As=-20lgδ=60，則由式(4)、(5)、(6)和(7)可計算出相應的引數為
β=0.1102(As-8.7)=5.65326
△f<2f c=200Hz
△F<△f•T=200Hz/9600Hz
M=(As-7.95)/14.36△F+1≈175
則帶通濾波器組的實際複合衝激響應為
h(n)=w(nd) δ(n-nd)
其中延時nd =(M-1)/2=87
3.2 Matlab模擬
在Matlab平臺上進行FIR濾波器組的模擬主要有兩種途徑：一是基於資料流的模擬，一是基於時間流的模擬。基於資料流的模擬是用Matlab函式以命令列的形式實現，在模擬過程中不能改變初始資料或模擬引數，若想改變只有終止模擬重新操作。基於時間流的模擬是用動態模擬工具Simulink來實現，它提供了很多模組庫，只需將所需模組調出進行連線即可，初始資料或模擬引數在模擬過程中可以改變，以便動態地觀察系統隨之引起的變化。
兩種方法相比較而言，基於資料流的模擬有較高的靈活性，對一些特殊的功能模組，由於有Matlab大量函式的支援，用軟體程式設計實現比較容易。而Simulink提供的模組庫雖然也很多，但仍然不能滿足通訊系統的要求，有一定的限制。因此，我們用函式程式設計來模擬。對前面提到的數字語音處理中的FIR帶通濾波器組用Matlab進行模擬，根據系統所給引數編
3 實驗方案
1. 首先閱讀廣泛資料?對FIR濾波器的定義、設計方法做一下介紹?分析FIR低通濾波器的研究意義及作用。
2. Matlab作為工作平臺和開發工具?熟悉Matlab軟體程式設計的基本原理和實驗環境?實現模擬。
3. 針對FIR低通濾波器的濾波基本原理進行研究?查閱相關資料書籍。並利用窗函式的設計方法進行濾波設計?並運用Matlab進行模擬模擬。
四、目標、主要特色及工作進度
1目標
主要研究基於Matlab的FIR濾波器。具體是採用窗函式設計法、頻率取樣法、等波紋逼近法進行設計，並用Matlab軟體編寫程式進行模擬。
1?研究FIR濾波器的定義、分類、應用以及設計方法。
2?瞭解FIR濾波器窗函式的設計方法及原理。
3?瞭解FIR濾波器頻率取樣的設計方法及原理。
4?確定濾波器的技術指標，並進行Matlab模擬。
結合上述內容，設計程式設計，完成利用Matlab軟體設計FIR低通濾波器並進行模擬優化。通過設計程式設計，加深對知識的理解和運用
2主要特色
(1) 系統的單位衝激響應h (n)在有限個n值處不為零
(2) 系統函式H(z)在|z|>0處收斂，極點全部在z = 0處
(3) 結構上主要是非遞迴結構，沒有輸出到輸入的反饋，但有些結構中(例如頻率抽樣結構)也包含有反饋的遞迴部分。
設FIR濾波器的單位衝激響應h (n)為一個N點序列，0 ≤ n ≤N —1，則濾波器的系統函式為H(z)=∑h(n)*z^-n
就是說，它有(N—1)階極點在z = 0處，有(N—1)個零點位於有限z平面的任何位置進度。
3工作進度
第01～03周：資料查詢、方案論證、英文資料翻譯、開題報告撰寫。
第04～11周：濾波器結構設計;編寫程式、模擬測試。
第12～15周：對比測試。
第16～18周：畢業論文撰寫，答辯。
五、參考文獻
[1][美]恩格爾 W K. Digital Signal Processing Using MATLAB [M]. 西安:西安交通大學出版社，2002
[2][美] Nakamura S. Numerical Analysis and Graphic Visualization with MATLAB(SecondEdition) [M].北京:電子工業出版社，2002
[3]姚天任.數字語音處理[M].武漢:華中科技大學出版社，2002
[4][美]Edward n.訊號與系統基礎教程(第3版)(MATLAB版) [M].北京:電子工業出版社，2007
[5][美] Miroslav vac. 訊號處理濾波器設計——基於MATLAB和Mathematica的設計方法[M]. 北京：電子工業出版社，2004
[6]李雪.基於Matlab的FIR數字濾波器的研究[J]. 科技資訊，2009，12：460-461
[7]郭德才.基於Matlab的FIR數字濾波器的設計與模擬[J]. 通化師範學院學報，2009，30(8)：35-37