數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

前言

　　濾波含有過濾之意，運(yùn)用于信號處理就是將信號中無用部分濾除，得到想要的部分。濾波概念的內(nèi)涵非常豐富，凡是信號經(jīng)過的系統(tǒng)，不論是硬件系統(tǒng)，還是算法、程序等軟件系統(tǒng)，都會起到濾波的作用，只不過當(dāng)人們把濾除信號中某些特定組成部分作為明確的追求目標(biāo)時(shí)，才冠之以濾波器的稱謂。濾波有多種稱謂，如去噪、降噪、信號恢復(fù)、信號重構(gòu)、信號分離及信號增強(qiáng)等。實(shí)現(xiàn)這些目的的技術(shù)手段和方法多種多樣，它是信號處理的重要內(nèi)容之一?！　男盘柼幚淼慕嵌榷裕瑸V波就是恢復(fù)噪聲背景下的有用信號，進(jìn)而對信號中有用信息進(jìn)行檢測與參數(shù)估計(jì)。噪聲與有用信號是相對的，由于噪聲的形式及規(guī)律多種多樣，可以認(rèn)為凡是影響或阻礙信號中有用信息提取的成分，都是噪聲。　　對于濾波，需要澄清一個概念，即濾波并不是將噪聲完全濾除，只不過是對其進(jìn)行衰減。　　人們往往熟知模擬濾波器，即通過不同的電子元器件組成模擬電路，構(gòu)成有源或是無源濾波器來實(shí)現(xiàn)濾波功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字濾波技術(shù)越來越受到人們的重視，這主要是因?yàn)閿?shù)字濾波器具有性能可靠、精度高、設(shè)計(jì)簡單、性能參數(shù)易變等特點(diǎn)。只要信號處理芯片的速度能夠得到進(jìn)一步的提高，達(dá)到或接近模擬電路的水平，數(shù)字濾波技術(shù)將取代現(xiàn)有的模擬濾波技術(shù)?！　?shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容之一，它涉及的內(nèi)容非常之廣，主要有經(jīng)典濾波方法和現(xiàn)代濾波方法。經(jīng)典濾波方法主要有低通、高通、帶通、帶阻濾波，相關(guān)濾波，限幅濾波，中值濾波，基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波，基于中值數(shù)絕對偏差的決策濾波，算術(shù)平均濾波，滑動平均濾波，加權(quán)滑動平均濾波，一階滯后濾波，加權(quán)遞推平均濾波，消抖濾波，限幅消抖濾波，維納濾波及卡爾曼濾波等。現(xiàn)代濾波方法主要有小波濾波、自適應(yīng)濾波、匹配濾波、最優(yōu)濾波、卷積濾波、追蹤濾波、粒子濾波、相空間濾波、信號盲分離濾波、獨(dú)立分量濾波、混沌濾波、支持向量機(jī)濾波、基于人工智能信號處理的濾波及復(fù)合多項(xiàng)技術(shù)的濾波等。每一種濾波方法都有各自的特點(diǎn)和適用場合。經(jīng)典濾波方法在理論上相對成熟，應(yīng)用較多，許多現(xiàn)代濾波技術(shù)在理論上還不很完善，應(yīng)用場合也有待進(jìn)一步開發(fā)。

內(nèi)容概要

本書詳細(xì)介紹了數(shù)字濾波原理、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)。全書共六章，包括噪聲的基礎(chǔ)知識，數(shù)字濾波器的基礎(chǔ)知識，低通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及性能分析，高通、帶通及帶阻數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，數(shù)字濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，工程中簡易濾波方法，并在附錄中分別介紹了數(shù)字濾波的分析工具和常用窗函數(shù)。本書文字簡明扼要，物理概念清晰，貼近工程實(shí)際，避免煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使讀者能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，對低通、高通、帶通、帶阻及多頻帶數(shù)字濾波器原理和設(shè)計(jì)方法有一個全面的了解。書中用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)了每一種濾波器，程序都經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，并對實(shí)際信號進(jìn)行了濾波處理，列出了部分處理結(jié)果，便于讀者對其性能進(jìn)行分析比較，方便對實(shí)際工程信號的濾波處理。    本書可作為相關(guān)專業(yè)本科生、研究生學(xué)習(xí)數(shù)字濾波技術(shù)的專業(yè)教材，也可作為對數(shù)字濾波技術(shù)感興趣的科研與工程技術(shù)人員的參考用書。    本書的先修課程為高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)及數(shù)字信號處理。

書籍目錄

1 噪聲的基礎(chǔ)知識  1.1 隨機(jī)噪聲及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律    1.1.1 隨機(jī)噪聲的概率分布    1.1.2 噪聲的統(tǒng)計(jì)特征  1.2 噪聲的相關(guān)函數(shù)    1.2.1 噪聲自相關(guān)函數(shù)    1.2.2 噪聲互相關(guān)函數(shù)  1.3 噪聲的功率譜密度  1.4 工程中常見的噪聲    1.4.1 白噪聲    1.4.2 高斯噪聲    1.4.3 限帶白噪聲    1.4.4 窄帶噪聲    1.4.5 色噪聲  1.5 工程中其他的噪聲    1.5.1 差模噪聲和共模噪聲    1.5.2 分形噪聲    1.5.3 椒鹽噪聲    1.5.4 量化噪聲  1.6 噪聲與信道作用方式  1.7 信噪比  1.8 噪聲響應(yīng)2 數(shù)字濾波器的基礎(chǔ)知識  2.1 數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)    2.1.1 DF傳遞函數(shù)的定義    2.1.2 DF傳遞函數(shù)與單位沖激響應(yīng)  2.2 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)分析  2.3 數(shù)字濾波器的構(gòu)成    2.3.1 直接構(gòu)成法    2.3.2 間接構(gòu)成法  2.4 數(shù)字濾波器的分類    2.4.1 按頻率分布特性分類    2.4.2 按實(shí)現(xiàn)方式分類    2.4.3 按對沖激響應(yīng)特性分類3 低通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及性能分析  3.1 有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器和無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器    3.1.1 FIR DF    3.1.2 IIR DF  3.2 數(shù)字濾波器的遞歸與非遞歸實(shí)現(xiàn)  3.3 數(shù)字濾波器的技術(shù)要求及指標(biāo)  3.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法概述  3.5 IIR DF設(shè)計(jì)    3.5.1 由AF到DF    3.5.2 對給定技術(shù)指標(biāo)的逼近方法概述    3.5.3 巴特沃斯模擬低通濾波器設(shè)計(jì)方法    3.5.4 切比雪夫模擬低通濾波器設(shè)計(jì)方法    3.5.5 巴特沃斯與切比雪夫模擬低通濾波器性能比較    3.5.6 沖激不變法設(shè)計(jì)IIR DF    3.5.7 雙線性z變換法設(shè)計(jì)IIR DF  3.6 FIR DF設(shè)計(jì)    3.6.1 FIR DF的線性相位特性    3.6.2 傅里葉級數(shù)法設(shè)計(jì)FIR DF    3.6.3 頻率抽樣法設(shè)計(jì)FIR DF    3.6.4 切比雪夫逼近法設(shè)計(jì)FIR DF  3.7 IIR DF和FIR DF設(shè)計(jì)比較4 高通、帶通及帶阻數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)  4.1 設(shè)計(jì)中符號的約定  4.2 高通、帶通及帶阻模擬濾波器設(shè)計(jì)    4.2.1 LP AF到HP AF    4.2.2 LP AF到BP AF    4.2.3 LP AF到BS AF  4.3 采用第二條途徑設(shè)計(jì)高通、帶通及帶阻數(shù)字濾波器    4.3.1 BP DF設(shè)計(jì)    4.3.2 其他形式DF設(shè)計(jì)  4.4 高通、帶通及帶阻數(shù)字濾波器直接設(shè)計(jì)    4.4.1 HP DF直接設(shè)計(jì)    4.4.2 BP DF直接設(shè)計(jì)    4.4.3 BS DF直接設(shè)計(jì)5 數(shù)字濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用  5.1 MATLAB簡介  5.2 MATLAB常用命令  5.3 MATLAB使用技巧  5.4 MATtAB信號處理常用函數(shù)  5.5 IIR濾波器階數(shù)估計(jì)    5.5.1 巴特沃斯濾波器階數(shù)估計(jì)    5.5.2 切比雪夫Ⅰ型濾波器階數(shù)估計(jì)    5.5.3 切比雪夫Ⅱ型濾波器階數(shù)估計(jì)    5.5.4 橢圓濾波器階數(shù)估計(jì)  5.6 低通原型模擬濾波器設(shè)計(jì)    5.6.1 巴特沃斯低通原型模擬濾波器設(shè)計(jì)    5.6.2 貝塞爾低通原型模擬濾波器設(shè)計(jì)    5.6.3 切比雪夫Ⅰ型低通原型模擬濾波器設(shè)計(jì)    5.6.4 切比雪夫Ⅱ型低通原型模擬濾波器設(shè)計(jì)    5.6.5 橢圓低通原型模擬濾波器設(shè)計(jì)  5.7 IIR DF設(shè)計(jì)    5.7.1 經(jīng)典設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)IIR DF    5.7.2 直接設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)IIR DF    5.7.3 最大平滑法設(shè)計(jì)IIR DF  5.8 FIR DF設(shè)計(jì)    5.8.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR DF    5.8.2 頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR DF    5.8.3 最小二乘法設(shè)計(jì)FIR Df    5.8.4 內(nèi)插法設(shè)計(jì)FIR DF    5.8.5 最優(yōu)化法設(shè)計(jì)FIR DF    5.8.6 升余弦法設(shè)計(jì)FIR DF  5.9 數(shù)字濾波器的應(yīng)用    5.9.1 IIR DF的應(yīng)用    5.9.2 FIR DF的應(yīng)用6 工程中簡易濾波方法  6.1 算術(shù)平均濾波法  6.2 限幅濾波法  6.3 中值（或中位值）濾波法  6.4 滑動平均濾波法  6.5 中值平均濾波法  6.6 限幅平均濾波法  6.7 一階滯后濾波法  6.8 加權(quán)滑動（遞推）平均濾波法  6.9 消抖濾波法  6.10 限幅消抖濾波法附錄A 數(shù)字濾波的分析工具附錄B 常用窗函數(shù)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　6.8 加權(quán)滑動（遞推）平均濾波法　　1）加權(quán)滑動平均濾波實(shí)現(xiàn)方法加權(quán)滑動平均濾波法是對滑動平均濾波法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)重。通常是越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)重越大。但要保證權(quán)系數(shù)的和為1。　　給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。　　2）加權(quán)滑動平均濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場合　　加權(quán)滑動平均濾波法適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是對于純滯后時(shí)間常數(shù)較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。　　其程序?qū)崿F(xiàn)方法只要在滑動窗中的每一個數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，且保證權(quán)系數(shù)和為1，擾可以了。這里不再給出具體例子。　　6.9 消抖濾波法　　1）消抖濾波實(shí)現(xiàn)方法　　設(shè)置一個濾波計(jì)數(shù)器，將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較：如果采樣值等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零；如果采樣值大于或小于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器+1，并判斷計(jì)數(shù)器是否大于等于上限N（溢出），如果計(jì)數(shù)器溢出，則將本次值替換為當(dāng)前有效值，并將計(jì)數(shù)器清零。　　2）消抖濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場合　　消抖濾波法對于變化緩慢的被測參數(shù)有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開／關(guān)跳動或顯示器上數(shù)值的抖動。缺點(diǎn)是不宜處理快速變化的參數(shù)，如果在計(jì)數(shù)器益出的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會將干擾值當(dāng)做有效值導(dǎo)人系統(tǒng)?！　?.1 0限幅消抖濾波法　　1）限幅消抖濾波實(shí)現(xiàn)方法　　限幅消抖濾波法相當(dāng)于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”，即先限幅，后消抖。　　2）限幅消抖濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場合　　限幅消抖濾波法繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)了“消抖濾波法”中的某些缺陷，避免將干擾值導(dǎo)入系統(tǒng)，但不宜處理快速變化的參數(shù)。

編輯推薦

　　《數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用》主要以經(jīng)典濾波方法中的低通、高通、帶通、帶阻、多頻帶數(shù)字濾波器及工程中簡易數(shù)字濾波器為研究對象，對其工作原理、設(shè)計(jì)方法、工程實(shí)現(xiàn)及性能進(jìn)行較全面的分析和闡述，為其在工程信號處理中更好地應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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