【正文】 .................................... 27 附 錄 ................................................. 28 附錄 1 軟件相關(guān)程序 ............................................. 28 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 研究 背景 當(dāng)今，飛速發(fā)展的數(shù)字信號處 理技術(shù)，已經(jīng)自成一門學(xué)科，并且以不同形式影響和滲透到其它學(xué)科當(dāng)中；與經(jīng)濟(jì)有者緊密的聯(lián)系 ， 與 國防建設(shè) 也 緊密相連 。影響 并 改變著我們的生產(chǎn) 和 生活方式， 所以 受到了廣泛的關(guān)注。 數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的 三 大趨勢，而數(shù)字是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，預(yù)示著我們的現(xiàn)實(shí)生活中的 許多信號 ，如無線電信號，電視信號，雷達(dá)信號，通信信號，射電天文學(xué)的信號多種多樣，基本的生物醫(yī)學(xué)信號，控制信號，天氣信號，地震信號，機(jī)械振動信號，依此類推。大多數(shù)這些信號是模擬信號，也可將數(shù)字信號的一小部分。模擬信號參數(shù)的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，該 參數(shù)可以是一維的，二維的，或者可以是多維的。在大多數(shù)情況下，由于模擬信號是下一維變量的時(shí)間離散化（采樣） ，而這樣的離散（量化）的幅度的模擬信號變?yōu)橐痪S數(shù)字信號。因此，數(shù)字信號實(shí)際上是由一個(gè)數(shù)字序列，它是一種數(shù)字音頻信號進(jìn)行采樣和量化的信號，以獲得一維離散時(shí)間序列 。而數(shù)字圖像信號進(jìn)行采樣，并獲得量化的信號是一個(gè)兩維離散空間序列。數(shù)字信號處理方法，是從數(shù)字值的處理順序不同，信號被轉(zhuǎn)換成一種形式，它是合適的。例如，數(shù)字信號被濾波以限制噪聲和干擾的數(shù)目后，他或過濾，或其他信號中分離 。信號或功率譜分析發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)信號 的頻譜的頻譜標(biāo)識信號的組合物 。變換的信號，使得它更適合于傳輸，存儲和應(yīng)用程序 。編碼的信號，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的。 數(shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號分析與處理技術(shù)的一個(gè)重要分支 [1]。同時(shí)采集，傳輸，或信號處理和交換信號是分不開的濾波技術(shù)，是高效，靈活和可靠的信號傳輸是必不可少的。在所有的電子系統(tǒng)中，使用最多技術(shù)最復(fù)雜的要算數(shù)字濾波器了。數(shù)字濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣。 研究現(xiàn)狀 在信號處理 的 過程中， 我們 所處理的信號往往 與噪聲 混 合 ，信號傳輸 和 處理中 一個(gè) 十分重要的問題 就是消除或者減弱從接收到的信號中的噪音 。 所 謂的濾波就是從有用信號和噪聲中通過它們的不同特性來提取有用信號的過程 ， 而濾波器就是能 實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)。 數(shù)字濾波器廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代通信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，在 這里 則 列舉 了 部分應(yīng)用最成功的領(lǐng)域。 語音處理 語音處理是最早應(yīng)用數(shù)字濾波器的領(lǐng)域之一，也是 最早 推動數(shù)字信號處理理基于 FPGA 數(shù)字高通濾波器設(shè)計(jì) 2 論發(fā)展的領(lǐng)域之一。 它主要 包括 5個(gè)方面的內(nèi)容：第一，語音信號 的 分析。 就是 對語音信號的波形特征、統(tǒng)計(jì)特性、模型參數(shù)等進(jìn)行分析 和 計(jì)算；第二，語音合成。利用專用數(shù)字硬件或在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行軟件來產(chǎn)生語音；第三，語音識別。即用專用硬件或計(jì)算機(jī) 來 識別 人講的話，或者識別說話的人；第四，語音增強(qiáng)。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語音信號。第五，語音編碼。主要用于語音數(shù)據(jù)壓縮，目前已經(jīng)建立了一系列語音編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)，大量用于通信和音頻處理。近年來，這 5方面都取得了不少研究成果，并且，在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些相關(guān)的軟件和硬件產(chǎn)品，例如，盲人閱讀機(jī)、啞人語音合成器、口授打印機(jī)、語音應(yīng)答機(jī)，各種會說話的儀器和玩具，以及通信和視頻產(chǎn)品大量使用的音頻壓縮編碼技術(shù)。 圖像處理 數(shù)字濾波技術(shù)成功地適用于恢復(fù)了靜止圖像和運(yùn)動圖像和增強(qiáng)，數(shù)據(jù)壓縮，噪聲和干擾，圖像識別斷層 X 射線 攝影，并進(jìn)一步在雷達(dá)，聲納，超聲波和紅外線信號的可見圖像成像成功使用。 通信 數(shù)字濾波技術(shù) 在 現(xiàn)代技術(shù)在通信領(lǐng)域中 的影響之大 ， 以至于 幾乎沒有一個(gè)分支不會受到 它的影響 。信源編碼，信道編碼，調(diào)制，復(fù)用，數(shù)據(jù)壓縮和自適應(yīng)信道均衡，數(shù)字濾波器被廣泛使用，特別是在數(shù)字通信，網(wǎng)絡(luò)通信，圖像通信，多媒體通信應(yīng)用，如葉的數(shù)字濾波器，幾乎無法移動。這被認(rèn)為是軟件無線電技術(shù)通信技術(shù)的未來發(fā)展方向，更是以數(shù)字濾波技術(shù) 為基礎(chǔ) 。 電視 數(shù)字電視取代模擬電視是一個(gè)必然的趨勢。高清晰度電視指日可待的普及，與之配套的視頻光盤技術(shù)已成 為行業(yè)具有巨大的市場 ?？梢曤娫捄鸵曨l會議產(chǎn)品的更新?lián)Q代。視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)成果和標(biāo)準(zhǔn)化工作，促進(jìn)了蓬勃發(fā)展的電視行業(yè)，而數(shù)字濾波器及其相關(guān)技術(shù)是視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)的重要基礎(chǔ)。 雷達(dá) 雷達(dá)信號占據(jù)很寬的頻帶，數(shù)據(jù)傳輸速率是非常高的，從而降低了壓縮的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸速率是所面臨的雷達(dá)信號的數(shù)字處理的一個(gè)問題。在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)，數(shù)字信號處理部分是必不可少的，因?yàn)閺男盘柹?，篩選，治療的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)和目標(biāo)成像是分不開的數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波器是現(xiàn)代雷達(dá)信號非?；钴S的研究領(lǐng)域之一。 其他領(lǐng)域 [2] 數(shù)字 濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域如此廣泛，以至于想完全列舉他們是 一個(gè)根本不能完成的事情 ，除了以上幾個(gè)方面，還有很多其他的應(yīng)用。例如，在軍事上被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航，制導(dǎo)，電子對抗，戰(zhàn)場偵察 。在配電系統(tǒng)中使用的能源規(guī)劃和自動檢測 。在環(huán)保應(yīng)用到自動監(jiān)測空氣污染和噪音干擾 。在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域被應(yīng)用到股市預(yù)測和經(jīng)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 濟(jì)分析。 本課題研究內(nèi)容方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)，大體上有如下幾種方法： 單片通用數(shù)字濾波器集成電路 使用簡單便捷 是 單片通用數(shù)字濾波器的最大優(yōu)點(diǎn)，但是如果 它 使用多字長和階數(shù)規(guī)格不夠多，在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 單 片擴(kuò)展 的方式則能使其應(yīng)用范圍變廣，但是這會使濾波器的體積和功耗增加，導(dǎo)致另一種局限性。 專用的 DSP 器件 DSP 芯片較單片機(jī) 則 有著更為突出的優(yōu)點(diǎn)，如 它的 內(nèi)部帶有乘法器、累加器，它的 工作方式 為 流水線及并行結(jié)構(gòu)，多總線，速度快，配有適于信號處理的指令等。但是，由于它 是 采用程序順序執(zhí)行， 所以受限于 一些要求高的實(shí)時(shí)性場合中的應(yīng)用。 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）器件 FPGA 器件 與采用 DSP 器件相對應(yīng)，用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器， 它 主要適用于一些要求 比 較高的實(shí)時(shí)性場合，在可編程邏輯器件容量不斷增大、速度不斷提高 的情況下，使單片系統(tǒng)集成 成 為了可能 [3]。 本 論 文介紹的數(shù)字濾波器 則是 采用 FPGA 器件來實(shí)現(xiàn)。先 是 用MATLAB/Simulink 工具箱建立濾波器模型， 然后 用 SignalCompiler 把 Simulink的模型文件 (后綴是 .mdl)轉(zhuǎn)化為硬件描述語言 VHDL 文件，最后利用 QuartusII軟件 完成濾波器的仿真、配置、編譯和下載。 基于 FPGA 數(shù)字高通濾波器設(shè)計(jì) 4 第 2 章 數(shù)字濾波器簡介 數(shù)字濾波器概述 一個(gè)信號選擇系統(tǒng) 可以被理解為 濾波器。 它的主要功能是實(shí)現(xiàn)某些信號成分的通過并且阻止或衰減其它的成分 。 它通常被窄意的理解為選頻系統(tǒng) ，如帶通、帶阻、低通、高通。在頻域和時(shí)域均衡器也是一個(gè)濾波器，傳輸介質(zhì)，如通信系統(tǒng)開放電線，電纜或類似物的特性也是濾波器。濾波器系統(tǒng)可以分成三類：模擬濾波器，采樣和數(shù)字濾波器。模擬濾波器（ AF）可以由 RLC無源濾波器也可以用運(yùn)算放大器有源濾波器，它是一種連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)相結(jié)合來構(gòu)成。從電阻，電容，電荷轉(zhuǎn)移器件，放大器等采樣濾波器（ SF） ，屬于離散時(shí)間系統(tǒng)中，振幅是連續(xù)的。開關(guān)電容濾波器，電荷耦合器是一種過濾器。數(shù)字濾波器（ DF）是由一個(gè)加法器，乘法器，一個(gè)延遲存儲單元，時(shí)鐘濾波電路和其他數(shù)字邏輯單元構(gòu)成。其 具有精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題，時(shí)分復(fù)用，能夠完成一些模擬濾波器的濾波任務(wù)就可以完成。其缺點(diǎn)是采樣的需要，量化，編碼，和一個(gè)手時(shí)鐘頻率限制，可處理的信號的最高頻率還不夠高。此外，由于有限字長效應(yīng)將導(dǎo)致頻域設(shè)計(jì)偏差值，量化和操作噪音和極限環(huán)振蕩。 數(shù)字濾波器的定義 輸入和輸出信號是數(shù)字信號，并改變由一些輸入信號的動作之間的關(guān)系中包含的頻率成分，或該設(shè)備的某些成分的相對比例 就是 數(shù)字濾波器。因此，數(shù)字濾波和模擬濾波相同的概念，但是該信號并實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法的形式。因?yàn)橛羞@種差異，未達(dá)到特殊的 濾波模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)等需要具有高的精度比模擬濾波器，穩(wěn)定，體積小，重量輕，柔性，和阻抗匹配的數(shù)字濾波器。如果 對 模擬信號進(jìn)行處理，通過 A / DC 和 D / AC，在匹配信號變換的形式，數(shù)字濾波器也可用于過濾模擬信號。 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)有兩種：一是使用通用計(jì)算機(jī)的，過濾器操作完成編制計(jì)算機(jī)程序來執(zhí)行，它是利用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn) 。第二，在硬件實(shí)現(xiàn)中，使用加法器，乘法器常數(shù)和延遲組裝成專門的設(shè)備，當(dāng)然，這種方法通常是可以達(dá)到的，但需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程。 數(shù)字濾波器的分類 通過不同的分類方法來對 數(shù)字濾波器 [4]進(jìn)行分類 ， 則可以分出不同的種類 ，湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 但總的來說是分成兩類 。一類稱為經(jīng)典濾波器，該濾波器的特征通常由輸入信號的頻率成分有用且要過濾掉所有的頻率分量占據(jù)不同的頻帶，通過適當(dāng)?shù)倪^濾器來實(shí)現(xiàn)的頻率選擇性濾波的目的。例如，該輸入信號包括噪聲，如果信號頻帶重疊并干擾不能有效地完成篩選出的干擾，這需要使用另一個(gè)類的被稱為現(xiàn)代濾波器，如維納濾波器，卡爾曼濾波器自適應(yīng)濾波器最優(yōu)濾波器。這些過濾器可以根據(jù)隨機(jī)信號的內(nèi)部，從干擾的最佳提取信號的一些統(tǒng)計(jì)分布可以。 從功能分類，濾波器可分為 高 通， 低 通，帶 阻 和帶 通 。理想濾 波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗麄兌际欠且蚬}沖響應(yīng)是無限長的，我們只能按照設(shè)計(jì)用于過濾一定的標(biāo)準(zhǔn)，從而有可能逼近，這些過濾器可以作為一個(gè)理想的近似標(biāo)準(zhǔn)使用。還請注意，數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù) H（ EJW）是周期性的在 2π，低通帶濾波器在2π的整數(shù)倍，而高頻帶在π的奇數(shù)倍，即，模擬的附近過濾器是有區(qū)別的。從單位脈沖響應(yīng)或從現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類，數(shù)字濾波器可以分成無限脈沖響應(yīng) (IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)（ FIR）濾波器。他們的系統(tǒng)函數(shù)分別為： 式 中的 H(z)稱為 N 階 IIR 濾波器函數(shù)， （ N1） 階 FIR 濾波器函數(shù) 為 式 中的 H(z)。 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要求和方法 濾波器的指標(biāo) [5]常常在頻域給出。數(shù)字濾波器的頻響特性函數(shù) H(ejw)一般為復(fù)函數(shù)，所以通常表示為： （ ） 在式 中， |H（ ejw） |稱為幅頻特性函數(shù)： θ（ w） 稱為相頻特性函數(shù)，幅頻特性表示信號通過該濾波器后各頻率成分的衰減情況，而相頻特性反映各頻率通濾波器后在時(shí)間上的延時(shí)情況。一般對 IIR 數(shù)字濾波器，通常只用幅頻響應(yīng) 函數(shù)|H（ ejw） |來描述設(shè)計(jì)指標(biāo)，相頻特性一般不作要求。而對 于 線性相位特性的濾波器，一般用 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 FIR 數(shù)字濾波器原理 FIR 數(shù)字 濾波器 [6]在 數(shù)字信號處理 的應(yīng)用中 扮演者舉足輕重的角色 ， FIR 數(shù)字濾波器可以提供理想的線性相位響應(yīng)，獲得了恒定的群延遲，在整個(gè)頻帶中，得基于 FPGA 數(shù)字高通濾波器設(shè)計(jì) 6 到的輸出信號的零失真，它是通過