MATLAB模拟滤波器设计方案 .docx
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1、精品名师归纳总结封面可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结作者: PanHongliang仅供个人学习摘 要几乎在全部的工程技术领域中都会涉及到信号处理问题,滤波器作为信号处理的重要组成部分,已进展的相当成熟。本论文第一介绍了滤波器的滤波原理以及模拟滤波器、数字滤波器的设计方法。重点介绍了模拟滤波器的设计和可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结仿真。系统争辩了模拟滤波器(包括巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器)的设 计原理和方法,并在此基础上论述了模拟滤波器(包括低通、高通、带通、带 阻)的设计。在此基础上,用MATLAB虚拟实现模拟滤波器。此设计扩展性好,便于调剂滤波器的性能
2、,可以依据不同的要求在MATLAB上加以实现。通过MATLAB的仿真与实现,可以看出传统的模拟滤波器设计方法繁琐且不直观,而MATLAB具有较严谨的科学运算和图形显示这一优点,使设计结果显示的更加直 观,而且对滤波器的精度也有了很大的提高,能更好的达到预期成效。同时,又对模拟滤波器低通至高通、带通、带阻的转换进行了理论上的阐述。关键字: 滤波/模拟滤波器 / MATLABMATLAB BASEDDESIGNOFANALOGFILTERSABSTRACTIn almost all areas of engineering and technology willbe related to sign
3、al processing, signal processing filter as an important component of the development has reached a mature state. This paper introduces the principle of filter and filter analog filters, digitalfilterdesign method. Focuses on the design of analog filters and simulation.Analog filter system including
4、the Butterworth filter and Chebyshev filter design principles and methods, and on this basis on the analog filters including low- pass, high pass, band-pass, band-stop design. On this basis, the use of virtual realization of analog filters MATLAB. Good scalability of this design, easy to adjustthe p
5、erformance of filterscan be based on different requirements to be in the realization of MATLAB.Through the MATLAB simulation and realization of, we can see that the traditional design method of analog filters and do not intuitive red, and MATLABwith more stringent scientific computing and graphical
6、display of theadvantages of the design showed that the more intuitive, but also to filter accuracy hasbeen greatly improved to better achieve the desired results. At the same time, low- pass analog filters of high pass, band-pass, band-stop conversion of a theoreticalKEYWORD :Filtering,Analog filter
7、s, MATLAB1 引言 49可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结我们知道,模拟滤波器是对模拟信号实行线性滤波的一种线性时不变系统,如图1.1所示。在时域内,它的动态特性可以用系统的单位冲激函数的响应来描述,也就是该滤波系统在任何时刻对输入单位冲激信号=( t)的输出响应。这个函数从时域上反映了该滤波系统的传输特性。对于任意输入信号,系统的输出可以卷积表示:9111112131 引言图象是人类社会活动中最常用的信息载体,我们总是设法延长视觉功能, 补偿视觉功能的不足,从图象中提取更多的信息。图象又是客观世界能量或状态以可视化形式在二维平面上的投影,是社会生活中最常见的一种信息媒体
8、。它传递着物理世界的能量和事物状态的信息,是人类猎取外界原始信息的主要途径。我们在生产、科研或日常生活中看到的场景图象,包含着物体的“大 量”的信息,通过感觉、知觉、记忆、认知、搜寻、形成概念,直到最终懂得和识别视觉刺激。传统的方法如利用光学或模拟电路对图象进行处理,如望远镜、显微镜、眼镜,照相机、电视、录象机等。而数字图象处理是利用运算机(或数字技 术)对图象信息进行加工处理,以猎取更多有用的信息。在这方面,已经成为一门独立的新学科,并有着广泛的应用。图象锐化处理是要增强图象频谱中的高频部分。相当于从原图象中减去它的低频重量,即原始图象经平滑处理后所得的图像。我们用 Viaual C+ 6.
9、0(简称 VC)软件来实现我们的 Butterworth 算子。 VC是 Microsoft公司开发的软件开发环境,为许多领域供应软件开发平台,图像处理就是其中之一,该公司在这方面已经进展的相当成熟了。有许多语言及工具能实现图像锐化处理,由于图像锐化有数学的模型,完成 数学运算当然具有许多的工具,其实我们平常接触到的许多软件都可以完成图像锐化的算法,如 Visual C+,Vb ,photoshop ,等等。每种工具语言都有自己不同的特点,及自己不同的偏向性。如Visual C+,Vb ,虽然是从最基本的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结原理上(基本的数学算法)完成图像锐化的,但
10、是由于语言种类和各式的限制会有大量的代码要编写,这样就简洁造成错,一旦出错修改起来特殊的繁琐。Photoshop 属于高级应用程序,基本设计不到编程,这样不是很有利于懂得图像锐化的原理。 MATLAB属于高级编程语言,省去了不必要的代码,为编程人员减轻了劳动强度,一些常用的数学公式已经建立了库,不用我们再去编写,节省了时间,同时也不容也出错。所以我们这里选用这种语言完成课题图像锐化的编写。2图像锐化与滤波器2.1 图像增强的争辩意义与应用领域2.1.1 图像增强的介绍图像增强是数字图像处理中的一个重要争辩内容,是数字图像处理的一项基本技术,所以要想明白图像增强就先要明白数字图像处理的一些基本内
11、容。数字图像处理的主要争辩 1 目的在于通过对原始图像的再加工,使之能具备更好的视觉成效或能中意某些应用的特定需求。图像处理着重强调图像之间进行 的各类变换,以及对图像中感爱好的部分进行特点提取与目标的分隔。前述过 程一般可用算法的形式加以表述,对于某些对处理速度有特殊要求的场合,仍 可以通过芯片等硬件的形式来实现。数字图像处理作为一门学科形成于20 世纪 60 岁月初期。首次获得实际成功应用的是美国喷气推动试验室。他们对航天探测器徘徊者7 号在 1964 年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术,获得了巨大的成功。为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的产生。数字图像处
12、理取得的另一个巨大成就是医学上获得的成果。1972 年英国工程师豪斯菲尔德制造了用于头颅诊断的X 射线运算机断层摄像装置,就是我们常所说的CT( Computer Tomograph,运算机断层摄像)。 CT 的基本方法是依据人的头部截面的投影,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结经运算机处理来重建截面图像,称为图像重建。与此同时,图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就,如航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等,使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。从70 岁月中期开头,随着运算机技术和人工智能、思维科学争辩的
13、快速进展,数字图像处理向更高、更深层次进展。人们已开头争辩如何用运算机系统说明图像,实现类似人类视觉系统懂得外部世界,这被称为图像懂得或运算机视觉。数字图像处理是由图像猎取技术,图像增强技术,图像复原技术,颜色图像处理技术,图像压缩技术,外形学处理技术,图像分割技术,图像识别与提取技术等各种处理技术依据实际的应用需要有机的组合在一起的一门图像处理技 术。图像增强是数字图像处理最简洁和最有吸引力的领域。基本上,增强技术是显示那些被模糊了的细节,或简洁的突出一幅图像中感爱好的特点。一个图像增强的例子是增强图像的对比度,使其看起来好一些。图像增强技术在实际应用中的确能制造出令人中意的结果。大多数的工
14、具都基 于数学和统计学的观念,但是,它们的用途是严格面对问题的。换言之,图像 的增强与其说是一门科学,其实更像是一门艺术,一个正确的图像增强定义是 高度主观化的。例如,一种很适合增强X 射线图像的方法,不愿定是增强由空间探测器发回的火星图像的最好方法。2.1.2 图像增强的争辩意义由于在现实生活中系统图片的清楚程度不行防止要受到各种因素的影响,例如室外光照度不够均匀就会造成图像灰度过于集中。由摄像头获得的图像经过数/模转换(该功能在图像系统中由数字采集卡来实现)、线路传送都会产生噪声污染等等。因此图像质量不行防止的降低了,轻者表现为图像不干净,难于看清细节。重者表现为图像模糊不清,连概貌也看不
15、出来。因此,在对图像进行分析之前,必需要对图像质量进行改善,其中一个最常用的方法就是图像增 强。图像增强技术是一类基本的图像处理技术,目的是对一幅图像进行加工, 突出图像中的某些信息,减弱或除去某些不需要的信息,以得到对具体应用来可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结说视觉成效更好、更有用的图像,或转换成一种更适合人或机器进行分析处理 的形式。图像增强不考虑图像质量下降的缘由,只将图像中感爱好的特点有选 择的突出,而衰减不需要的特点,它的目的主要是提高图像的可懂度。由于图 像增强技术的主观性,它在刑侦案件的侦查中可以对案犯图像的重点部分进行 增强,可以说当今社会例如医学上的X 光成像
16、上等许多应用领域已经离不开图像增强技术的应用了。所以图像增强技术的实现与应用越来越受到人们的重视。2.1.3 图像增强的应用领域现实生活中图像增强技术的应用 2 主要表现在以下几个方面:1. 图像增强技术在生物医学工程方面的应用腺钼靶 X 线 CRComputed Radiography,运算机放射照相术 摄影是近年来在钼靶、IPImaging Plate,图像板 板的基础上进展起来的一种新技术,安全牢靠、图像清楚,可显示出乳腺中微小肿块及钙化点。数字乳腺图像质量的好坏直接影响医生对疾病的诊断,但由于乳腺钙化点的空间外形比较小,加之由于噪声的埋没,许多情形下会发生误诊和漏诊。因此,对其进行图像
17、增强是特殊必要的。2. 数字图像增强技术在移动视频上的应用前不久恩智浦半导体在2007 3GSMGlobal System For Mobile Communication, 全球移动通信系统 世界大会上宣布,它将把世界一流的图像增强技术用于移动图片和移动视频应用,包括便携式摄像机、下载的视频、手机电视等等,从而明显提升用户的移动观看体验。3. 图像增强在生物识别系统预处理上的应用图像预处理过程就是图像增强处理过程,例如指纹识别系统的预处理 , 其目的是对输入噪声较多的灰度图像进行增强 , 去除图像中的叉点、断点以及模糊不清的部分, 改善图像视觉成效 , 最终达到对图像进行适当的分解以利于特点
18、提取。4. 图像增强技术在工业生产上的应用工业电视图像信号在传输过程中不行防止的会遇到多种干扰的影响。因此,工业电视图像进入调度室后假如未经确定的图像处理,其画面的清楚度不够高。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结因此,有必要利用图像增强技术以增强工业电视图像画面的清楚度。2.2 图像增强技术的进出现状和开发工具介绍2.2.1 图像增强技术的进出现状图像增强有着较长的争辩历史,学术思想特殊活跃,新理论、新方法不断涌 现,始终是国内外图像处理领域争辩的热点,目前为止已经提出了许多方法和理论。这一方面是由于图像增强本身的重要性,另一方面也反映了图像增强这个课题的深度和难度。传统的图像增
19、强的方法有空域法与频域法两种,空域法就是直接对图像本身进行处理,基本上以灰度映射为基础。频域法是将原先的图片经过傅立叶变换后转换到频率中去处理,再将处理后的图片经过傅立叶反变换转换到空间域。但是这两种传统的算法有确定的局限性,功能比较单一往往在改善图像的对比度和增强图像的细节的同时放大了噪声。因此人们始终在查找一种功能更强大的算法以保证在增强图像细节的同时抑制了图像的噪声,最终随着小波变换理论的介入,这一现状得到了很大的改观。 由于小波的多辨论率分析 3 具有良好的空间域和频率域局部化特性,小波增强在增强图像细节的同时仍抑制了图像的噪声,因此对基于小波变换的图像增强 的算法的争辩越来越受到人们
20、的关注。同时小波变换图像增强的算法也有它的局限性,小波分析的图像增强技术包含了小波的分解与合成运算,其数据量大 ,运算时间较长 ,因此在许多实际应用中 ,特殊是实时系统中没有得到认可和推广,但这并不说明小波分析不适用于图像增强。由于小波分析本身无可替代的优越性,其处理结果常常比某些传统的处理方法更令人中意。随着算法的不断改进以及高速芯片的研制成功,其速度问题将会得到解决。所以用小波分析进行图像增强,将会得到人们的重视和应用。因此,人们意识到依据具体的应用要求设计新的图像增强方法,或对现有的方法进行改进以得到中意的图像增强结果,照旧是争辩的主流方向。2.2.2 图像增强的开发工具介绍图像增强的开
21、发工具主要有两种,一种是微软公司供应的VC+ ,一种是MATLAB ,这两种开发工具既有各自的优点又有缺点。VC+ 运行速度快,可移植才能强等特点,并且供应了丰富的图像操作函数,但可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结是在程序的编写上相对繁琐,对编程人员有很高的要求。而MATLAB 有着丰富数字图像处理的库函数,使得开发者能够直接在需要的时候调用,而不需要进行复杂的编程,将开发者从纷杂的程序代码中解脱出来,并且它的程序思维更接近日常的数学思维,所以更简洁上手,但是 MATLAB一个很大的缺点就是程序运行得慢,工作效率低。2.3 滤波器2.3.1 滤波器简介从广义上讲,任何对某些频率(
22、相对于其他频率来说)进行修正的系统称为滤波器。严格的讲,对输入信号通过确定的处理得到输出信号,这个处理通常是提取信号中某频率范畴内的信号成分,把这种处理的过程称为滤波。实现滤波处理的运算电路或设备称为滤波器。在许多科学技术领域中,广泛应用线性滤波和频谱分析对信号进行加工处理,模拟滤波是处理连续信号,数字滤波就是处理离散信号,而后者是在前者的基础上进展起来的。我们知道,无源或有源模拟滤波器是分立元件构成的线性网络,他们的性能可以用线性微分方程来描述,而数字滤波器是个离散线性系统,要用差分方程来描述,并以离散变换方法来分析。这些方程组可以用专用的或通用的数字运算机进行数字运算来实现。因此,数字滤波
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