毕业设计论文温度巡检系统的应用与开发设计.docx

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1、摘要2ABSTRACT31绪论41.1 滤波器组的发展历史及分类41.1 提出概念阶段41.2 .2基本理论发展的初步阶段411.3丰富完善理论阶段51.2 本研究课题的理论及实际意义51.3 滤波渊组的研究现状61.4 滤波器组的应用研究71.4.1 在语音、图像编码中的应用71.4.2 数字多路器71.4.3 CDMA通信方面的应用72多抽样率系统的理论分析82.1 整数倍抽取和内插82.2 多抽样率系统中的多相表示113滤波器组的基本原理123.1 滤波器组概念123.2 滤波器组分析133.3 滤波器组调制常用方法153.3.1 单个滤波器叠加型滤波器组153.3.2 调制型滤波器组1

2、54余弦调制滤波器组164.1 余弦调制滤波器组的实现方法164.2 余弦调制滤波相组的设计方法164.2.1 余弦调制滤波器组的基本原理164.2.2 原型滤波相的设计方法175余弦调制漉波器组的MAT1AB实现195.1 原型滤波相（低通滤波相）MAT1AB仿真195.2 八通道余弦调制滤波器MAT1AB仿真195.2.1 用频带等分（频带宽度为4khz）的办法设计滤波器组205.2.2 用冲激响应公式实现余弦调制滤波器225.2.3 滤波器组特性验证246总结与展望26致谢27参考资料28余弦调制滤波器组是多抽样率数字信号处理领域研究的问题。对小波分析、语音编码、图像压缩等具有重要的研究

3、价值。传统的研究方法是在满足滤波组近似重构的情况下通过寻优的方法得到滤波器的冲激响应。所得到的滤波器性能较差，其阻带衰减大约在40dB,对于一些对滤波器阻带性能要求较高的应用场合，这个数值是达不到要求的。本文为了得到较好的滤波器特性，选择由窗函数设计余弦调制滤波器组。考虑到滤波器组在过渡带出现的其幅频特性变化的情况，选择在两个滤波器交叠的中心频率处，使其满足滤波器的近似完全重构条件，其附近的误差也降到很小的范围之内。用本文的方法，在重构误差的情况下，取得了较好的滤波器特性，其阻带衰减可达到5OdB,由MAT1AB实验程序及结果，可以证明这种方法的有效性与优越性。关键词：滤波器组，近似准确重构，

4、多抽样率，MAT1AB仿真ABSTRACTCosinemodu1atedfi1terbanksisaprojectwhichbe1ongstomu1ti-samp1eratedigita1signa1process.Ithasimportantresearchva1ueforwave1et,speechcode,imagecompressandsoon.Thetraditiona1methodisthattheimpu1seresponseoffi1tercanbegottenbyoptimizationunderthenearperfectreconstructioncondition.Th

5、eperformanceoffi1tersisnotverygood.Theattenuationofstop-bandisa1most-40dB.Thenearperfbancecannotsatisfytherequirementforsomeapp1icationsituation.Forgettingbetterfi1terperformance,Wedesignfi1terbanksusingwindowfunctionmethod.Consideringthefrequencyresponseoffi1terchangerapid,wemakethefi1terisperfectr

6、econstructiononthepointofcenterfrequency.Theerrorofreconstructionissma11bythepoint.App1yingthemethodofthisartic1e,wecangetthattheattenuationofstop-bandis-50dB,Thecorrectnessandva1idityareproved.Keyword:fi1terbanks,nearperfectreconstruction,mu1ti-samp1erate,MAT1ABsimu1ation1.1 滤波器组的发展历史及分类余弦调制滤波器组应用于

7、多抽样率数字信号处理领域。多抽样率数字信号处理涉及的问题是一个数字系统中需要解决多于一个抽样率的一些问题。这是现代数字通信理论的一个重要的部分，因为我们要求现代通信中的数字传输系统能处理若干不同抽样率的数据(比如，电传打字机、传真、低比特率语音、视频等)。多抽样率数字信号处理的主要问题是设计一个有效的系统，使一个信号的抽样率提高或者降低任意倍。我们把降低信号抽样率的过程叫做抽取，而把提高信号抽样率的过程叫做内插。在许多信号处理技术和信号处理的应用中，抽样周期T是一个基本考虑，它常常决定实行信号处理是否方便，高效等。某些场合中，输入信号可能己被抽样，抽样周期T是某预先决定的值，我们的目的是将这个

8、抽样信号变换成一个新的、具有不同抽样周期的抽样信号，所得的信号仍要对应于原来的模拟信号，这时就可能有必要将系统中信号的抽样率从一个抽样率变到另一个抽样率。我们称这样的系统为多抽样率系统。子带信号处理从提出概念到今天大约30年的历史，期间经历以下几个阶段：111提出概念阶段滤波器组的研究最早起源于20世纪70年代，主要应用在多速率采样，减少计算复杂度以及减少传输数据率和存储单元的要求。开始受到人们的关注时期是在1980年，提出了两通道余弦调制滤波器组由于子带滤波器组中存在:(1)分析综合滤波器Q)上下采样器，所以子带重构信号一般存在三种失真：幅度失真、相位失真、混叠失真。一般存在混叠失真的滤波器

9、组是线性周期时变系统，而完全消除混叠失真的系统是线性时不变系统。如果滤波器组的输出是输入的纯延时，则称为近似重构系统。1.1.2基本理论发展的初步阶段在1986年，Smith和BamWeII提出的共扼滤波器组首次实现了近似完全重构。在1986年由Veter1i和在1987年由Vaidyanathan分别独立研究了滤波器组的近似完全重构条件，并将两通道子带延伸到M(M2)子带。他们引入了多相位分量分析滤波器组的方法使得滤波器组的设计和分析大大简化，从而推动了这一学科的发展。特别是Vaidyanathan,他和他的研究组提出了FIR无损系统的品格结构，用于设计近似完全重构的余弦调制滤波器组，可以实

10、现功率互补的滤波器组，简化了滤波器的优化设计。这些极大地推动了滤波器组的理论和应用的发展。1.1 .3丰富完善理论阶段满足一定正则条件的滤波器组可以迭代计算出小波，MaHat提出了双尺度方程以及塔式分解算法，这些成果将滤波器组和小波紧密联系在一起，使得滤波器组与小波理论及设计有了非常紧密的联系。众学者开始重视利用滤波器组设计小波，以及滤波器组自身理论的研究。在此期间，众人公认的最有代表性的人物是VaidyanathanP.P.,他系统地提出了M通道余弦调制滤波器组的理论，他将当时的研究成果汇集成册，成为当时将从事此领域研究者的必读之书。按照滤波器组所具有的特点，滤波器组分成如下几类：(I)M带

11、均匀滤波器组自从引入多相位分量分析滤波器组后，许多学者开始了在这方面的研究。余弦调制M带滤波器组的出现是一次重要飞跃，得出了完全重构条件，并用格形结构进行了实现。大大简化了M带滤波器组的设计而且出现了类似FFT的快速算法，即快速离散余弦变换。用调制的方法实现M带滤波器组的方法得到广泛的应用。其中提出的设计方法有:非余弦任意正交调制的M带滤波器组、扩展高斯函数的余弦调制滤波器组、用DFT调制的M带滤波器组等。(2)线性相位滤波器组在某些应用中希望滤波器组是线性相位的，所以线性相位的滤波器组成为了人们研究的热点之一。线性相位一般是通过FIR滤波器实现的，所以由FIR滤波器做原型滤波器的滤波器组得到

12、了广泛的研究。自从1993年，M通道线性相位正交滤波器组理论诞生以后，余弦调制滤波器组被延伸到线性相位滤波器组领域，从而大大简化了线性相位滤波器组的设计，后来提出的用矩阵分解的方法设计线性相位的滤波器组使得设计更加简洁。后来研究的任意长度任意通道的线性相位滤波器组的理论、结构、及设计方法更具一般性。(3)过采样滤波器组当采样因子R小于通道数M时，称为过采样滤波器组。与临界采样滤波器组相比，它具有如下优点：(1)增加了设计的自由度，完全重构条件比较容易满足。(2)增加了系统抗噪声能力。(3)可以设计任意延时的滤波器组。(4)方便设计线性相位滤波器组。1.2 本研究课题的理论及实际意义到20世纪9

13、0年代随着小波理论的迅速发展，小波的多分辨分析理论表明，满足一定正则条件的滤波器组可以迭代计算出小波，双尺度方程和塔式分解算法的提出将滤波器组和小波紧密的联系起来，给滤波器组的发展注入了新的活力。本课题着眼于滤波器组设计。在实际应用当中，滤波器组广泛应用于多载波调制，语音信号的子带编码等领域，随着应用的不断扩展，对滤波器组性能的要求也不断提高，特别像高保真音箱等，对于输出音质要求较高的应用，提高滤波器组的阻带衰减可以降低信号之间的相关性，防止失真的发生。1.3 滤波器组的研究现状由于滤波器组在子带编码和小波分析中有重要的作用，滤波器组成为人们研究的热点。对滤波器组的要求主要有以下两个方面:第一

14、，近似完全重构，即基本无失真地恢复原始信号。第二，各子带滤波器的性能要好，即较小的过渡带、较小的通带波纹和较大的阻带衰减。滤波器组的理论分析方法基本上有两种思路，一种是树型结构滤波器组，另一种是并行结构滤波器组。而且人们对并行结构滤波器组进行了较多的探讨。首先讨论两种设计方法的利与弊。对于树型结构，它一般是由两通道滤波器组级连而成的。其优点是对子频带的划分灵活，可以根据信号的特征对子带进行划分，因为它的滤波是分级实现的，下一级的滤波必须等上一级处理完才能进行，数据传输的延时与级数有关，在滤波器阶数一定的前提下，级数越多，延时越长。因为它每一次频带划分的滤波运算都是独立进行的，所以其计算量大。在

15、实际设计中还是要根据具体的要求来加以选择，只要延时能够满足要求，树型结构滤波器组是-种理想的选择。对于并行结构滤波器组，也称为M带滤波器组，它对输入信号的处理是通过一个对频带进行均匀划分的滤波器组一次性完成的。其优点是延时小，计算量小，由于这种方法可以实现一次性将全部子带信号算出，不必对每个子带单独计算，第一章绪论当采样因子R小于通道数M时，称为过采样滤波器组。与临界采样滤波器组相比，它具有如下优点:（1）增加了设计的自由度，近似完全重构条件比较容易满足。（2）增加了系统抗噪声能力。（3）可以设计任意延时的滤波器组。（4）方便设计线性相位滤波器组。当采样因子R小于通道数M时，称为过采样滤波器组

16、。与临界采样滤波器组相比，它具有如下优点:（1）增加了设计的自由度，近似完全重构条件比较容易满足。（2）增加了系统抗噪声能力。（3）可以设计任意时延的滤波器组。（4）方便设计线性相位滤波器组。实现一次性将全部子带信号算出，不必对每个子带单独计算，能够节省计算量，对于实时系统来说可以降低对处理器和存储器的要求，对系统实现成本的降低有重要影响。所以对于多子带系统来说，并行结构滤波器组更有其优越性。在满足延迟，并且子带数较少的条件下，树型结构的滤波器组可以取得较好的滤波效果和较好的重构性。在实际产品中已有应用。并行结构滤波器组则尚处于研究阶段。由于并行结构滤波器组具有延时小，节省计算量的特点是树型结构滤波器组无法比拟的，按不同的设计思想阐述并型结构滤波器组的研