【正文】 江西理工大學應用科學學院 畢業(yè)設計 (論文 )外文資料翻譯 系 ： 信息工程系 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 092 姓 名 彭凱華 學 號： 08060409231 附 件： ； 。 指導教師評語： 簽名： 年 月 日 1 附件一： 外文資料翻譯譯文 數字濾波器的仿真與實現 當今，數字信號處理技術正飛速發(fā)展，它不但自成一門學科，更是以不同形式影響和滲透到其他學科；它與國民經濟息息相關，與國防建設緊密相連；它影響或改變著我們的生產、生活方式，因此受到人們的普遍關注。 數字化、智能化和網絡化是當代信息技術發(fā)展的大趨勢，而數字化是智能化和網絡化的基礎，實際生活中遇到的信號多種多樣，例如廣播信號、電視信號、雷 達信號、通信信號、導航信號、射電天文信號、控制信號、氣象信號、遙感遙測信號，等等。上述信號大部分是模擬信號，也有小部分數字信號。模擬信號是自變量的連續(xù)函數，自變量可以是一維的，也可以是二維或多維的。大多數情況下一維模擬信號的自變量是時間，經過時間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號便成為一維數字信號。因此，數字信號實際上是用數字序列表示的信號，語音信號經采樣和量化，得到的數字信號是一個一維離散的時間序列；而圖像信號經采樣和量化后，得到的數字信號是一個二維離散空間序列。數字信號處理，就是用 數值計算的方法對數字序列進行各種處理，把信號變換成符合需要的某種形式。例如，對數字信號經過濾波以限制他的頻帶或濾除噪音和干擾，或將他們與其他信號進行分離；對信號進行頻譜分析或功率譜分析以了解信號的頻譜組成，進而對信號識別；對信號進行某種變換，使之更適合傳輸、存儲和應用；對信號進行編碼以達到數據壓縮的目的，等等。 數字濾波技術是數字信號分析、處理技術的重要分支。無論是信號的獲取、傳輸，還是信號的處理和交換都離不開濾波技術，它對信號安全可靠和有效靈活地傳輸是至關重要的。在所有的電子系統(tǒng)中，使用最多技術最復雜的要 算數字濾波器了，數字濾波器的優(yōu)劣直接決定產品的優(yōu)劣。 在信號處理過程中，所處理的信號往往混有噪聲，從接收到的信號中消除或減弱噪音是信號處理和傳輸中十分重要的問題。根據有用信號和噪音的不同特性，提取有用信號的過程稱為濾波，實現濾波的系統(tǒng)稱為濾波器。在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，數字濾波器的應用極為廣泛，這里只列舉部分應用最成功的領域。 （ 1）語音處理 語音處理是最早應用數字濾波器的領域之一，也是最早推動數字信號處理理論發(fā)展的領域之一。該領域主要包括 5個方面的內容：第一，語音信號分析。即對語音信號的波形特征、 統(tǒng)計特征、模型參數等進行分析計算；第二，語音合成。即利用專用數字硬件或在通用計算機上運行軟件來產生語音；第三，語音識別。即用專用硬件或計算機識別人講的話，或者識別說話的人；第四，語音增強。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語音信號。第五，語音編碼。主要用于語音數據壓縮，目前已經建立了一系列語音編碼的國際標準，大量用于通信和語音處理。近年來，這 5 個方面都取得可不少的研究成果，并且，在市場上已出現了一些相關的軟件和硬件產品 。 例如，盲人閱讀器、啞人語音合成器、口授打印機、語音應答機，各種會說話的儀器和玩具，以及通信和視 聽產品大量使用的音頻編碼技術。 （ 2）圖像處理 數字濾波技術以成功地應用于靜態(tài)圖像和活動圖像的恢復和增強、數據壓縮、去噪音和干擾、圖 2 像識別以及層析 X 射線攝影，還成功地應用于雷達、聲納、超聲波和紅外信號的可見圖像成像。 （ 3）通信 在通信技術領域內，幾乎沒有一個分支不受到數字濾波技術的影響。信源編碼、信道編碼、調 制、多路復用、數據壓縮以及自適應信道均衡等，都廣泛應用數字濾波器，特別是在數字通信、網絡通信、圖像通信、多媒體通信等應用中，離開了數字濾波器，幾乎寸步難行。其中，被認為是通信技術未來發(fā)展方向的軟件無線 電技術，更是以數字濾波器為基礎。 （ 4）電視 數字電視取代模擬電視已是必然趨勢。高清晰度電視的普及指日可待，與之配套的視頻光盤技術已經形成具有巨大市場的產業(yè)；可視電話和會議電視產品不斷更新換代。視頻壓縮和音頻壓縮技術所取得的成就和標準化工作，促成了電視領域產業(yè)的蓬勃發(fā)展，而數字濾波器及其相關技術是視頻壓縮和音頻壓縮技術的重要基礎。 （ 5）雷達 雷達信號占有的頻帶非常寬，數據傳輸速率也非常高，因而壓縮數據量好降低數據傳輸速率是雷達信號數字處理面臨的首要問題。高速數字器件的出現促進了雷達信號處理技術的進步。在現 代雷達系統(tǒng)中，數字信號處理部分是不可或缺的，因為從信號的產生、濾波、加工到目標參數的估計和目標成像顯示都離不開數字濾波器技術。雷達信號的數字濾波器是當今十分活躍的研究領域之一。 （ 6）生物醫(yī)學信號處理 數字濾波器在醫(yī)學中的應用日益廣泛，如對腦電圖和心電圖的分析、層析 X射線攝影的計算機輔助分析、胎兒心音的自適應檢測等。 （ 7）其他領域 數字濾波器的應用領域如此廣泛，以至于想完全列舉他們是根本不可能的，除了以上幾個領域外，還有很多其他的應用領域。例如，在軍事上被大量應用于導航、制導、電子對抗、戰(zhàn)場偵測；在電力系 統(tǒng)中 被 應用于能源分布規(guī)劃和自動檢測；在環(huán)境保護中被應用于對空氣和噪聲干擾的自動檢測；在經濟領域中被應用于股票市場預測和經濟效益分析，等等。 數字濾波器介紹 ： 模擬和數字濾波器 在信號處理、過濾功能是一個不 排 除部分信息 ,如隨機噪音、提取有用的信號部分 ,如部分地勢在一定的頻率范圍 . 有兩大類型的過濾 , 模擬以及數字 。 他們是完全不同的物理結構 ,如何工作 . 類比電子電路模擬用的過濾部分組成 ,例如由電阻、電容 opamps 和生產所需的過濾效果 . 這種過濾器被廣泛使用的電路減少噪音等方面的應用 ,提高視頻信號、圖像均 衡的高科技傳真系統(tǒng)等眾多領域 . 有完善的技術標準設計的模擬電路進行過濾特定要求 . 在各個階段 ,是一個信號 ,是電機電壓和過濾 ,目前直接的物理模擬量 (例如聲音或視頻信號和變頻器生產 )處理 . 數碼過濾用數字進行數值計算處理器 3 的信號抽樣值 . 處理器的可能通用計算機等 PC 或專業(yè)發(fā)展計劃圖 (數字信號處理器 )芯片 . 模擬信號必須先投入使用的取樣和數碼藝術發(fā)展局 (模擬到數字轉換器 ). 由此二元多 ,占抽樣連續(xù)輸入信號的價值 ,轉移到處理器 ,進行數字計算 . 這些計算通常涉及多方面的投入和增加產品價值的共同因素 . 如有必要 ,這些計 算結果 ,現在是抽樣信號值的過濾 ,產出通過發(fā)展援助委員會 (類比數位轉換器來 )信號轉換回模擬形式 。 濾波器是指用來對輸入信號進行濾波的硬件或軟件。如果濾波器的輸入、輸出 都是離散信號，則該濾波器的沖擊響應也必然是離散的，這樣的濾波器定義為數字濾波器。數字濾波器的功能，就是把輸入序列 X 通過一定的運算變換成輸出序列 Y。 根據數字濾波器沖激響應函數的時域特性，可將數字濾波器分為兩種，即無限長沖激相應 IIR濾波器和有限長沖激響應 FIR 濾波器。 IIR 數字濾波器的優(yōu)點是可以利用模擬濾波器設計的結果，而模擬濾波器的設計有大量 圖表可查，方便簡單。它的缺點是相位的非線性；若需要線性相位，則要采用全通網絡進行相位校正。圖象處理以及數據采集傳輸都要求濾波器具有線性相位特性。而 FIR 數字濾波器可以實現線性相位，又可具有任意幅度特性。從數字濾波器的單位沖擊響應來看，可分為兩大類：有限沖擊響應（ FIR）數字濾波器和無限沖擊響應（ IIR）數字濾波器。 FIR 濾波器卻可以得到嚴格的線性相位，然而由于 FIR 濾波器的系統(tǒng)函數的極點固定在原點，所以只能用較高的階數來實現其高選擇性，對于同樣的濾波器設計指標， FIR 濾波器所要求的階數要比 IIR 高 5 至 10 倍，所以成本較高，信號延遲也較大。但是如果要求相同的線性相位，則 IIR濾波器就必須加全通網絡進行相位校正，同樣也要增加濾波器網絡的節(jié)數和復雜性。 FIR 濾波器可以用非遞歸的方法實現，在有限精度下不會產生振蕩，同時由于量化舍入以及系數的不確定性所引起的誤差的影響要比 IIR 濾波器小的多，并且 FIR 濾波器可以采用 FFT 算法，運算速度快。但是不象 IIR 濾波器可以借助模擬濾波器的成果， FIR 濾波器沒有現成的計算公式，必須要用計算機輔助設計軟件（如 MATLAB）來計算。由此可知， FIR 濾波器應用比較廣，而 IIR 濾波器則用 在相位要求不是很嚴格的場合。 濾波器從功能上分又可分為如下 4 類 : (1)低通濾波器 (LPF)； (2)高通濾波器 (HPF )； (3)帶通濾波器 (BPF )； (4)帶阻濾波器 (BSF)。 理想濾波器的幅頻特性下圖虛線為： 4 MATLAB 介紹 ： MATLAB 是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory）之意。除具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。 MATLAB 作為世界頂尖的數學應用軟件，以其強大的工程計算、算法研究、 工程繪圖、應用程序開發(fā)、數據分析和動態(tài)仿真等功能，在航空航天、機械制造和工程建筑等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。而 C 語言功能豐富，使用靈活方便，目標程序效率高。既有高級語言的優(yōu)點，又有低級語言的特點。因此， C 語言 是目前應用最廣的編程語言。雖然 MATLAB 是一個完整的、功能齊全的編程環(huán)境，但在某些情況下，與外部環(huán)境的數據和程序的交互是非常必須而且有益的。 利用 MATLAB 設計濾波器，可以隨時對比設計要求和濾波器特性調整參數，直觀簡便，極大的減輕了工作量，有利于濾波器設計的最優(yōu)化。 在電力系統(tǒng)微機保護和二次控制中，很多信號的處理與分析都是基于正旋基波和某些整次諧波而進行的，而系統(tǒng)電壓電流信號（尤其是故障瞬變過程）中混有各種復雜成分，所以濾波器一直是電力系統(tǒng)二次裝置的關鍵部件。目前微機保護和二次信號處理軟件主要采用數 字濾波器。傳統(tǒng)的數字濾波器設計使用繁瑣的公式計算，改變參數后需要重新計算，在設計濾波器尤其是高階濾波器時工作量很大。利用 MATLAB 信號處理箱可以快速有效地實現數字濾波器的設計與仿真。 MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學 ,工程中常用的形式十分相似 ,故用 MATLAB來解算問題要比用 C,FORTRAN 等語言完相同的事情簡捷得多 .當前流行的 MATLAB (Toolbox)。 工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包 .功能 工具包用來擴充 MATLAB 的符號計算 ,可視化建模仿真 ,文字處理及實時控制等功能 .學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包 ,控制工具包 ,信號處理工具包 ,通信工具包等都屬于此類 。 開放性使 MATLAB 廣受用戶歡迎 .除內部函數外 ,所有 MATLAB 主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件 ,用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包 。 數字濾波器的設計 數字濾波器設計的基本要求 數字濾波器設計要經過三個步驟： （ 1）確定指標：在設計一個濾波器前，必須有一些指標。這些指標要根據應用確定。在 很多實際應用中，數字濾波器常常被用來實現選頻操作。因此，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相 5 位響應。幅度指標主要以兩種方式給出。第一種是絕對指標。它提供對幅度響應函數的要求，一般應用于 FIR 濾波器的設計。第二種指標是相對指標。它以分貝值的形式給出要求。在工程實際中，這種指標最受歡迎。對于相位響應指標形式，通常希望系統(tǒng)在通頻帶中人有線性相位。運用線性相位響應指標進行濾波器設計具有如下優(yōu)點： ① 只包含實數算法，不涉及復數運算； ② 不存在延遲失真，只有固定數量的延遲； ③ 長度為 N 的濾波器（階數為 N1），計算量為 N/2 數 量級。 （ 2）模型逼近：一旦確定了指標，就可利用前面學習過的基本原理和關系式，提出一個濾波器模型來逼近給定的指標體系。 （ 3）實現：上面兩步的結果得到的濾波器，通常是以差分方程、系統(tǒng)函數或脈沖響應來描述的。根據這個描述用硬件或者計算機軟件來實現它。 FPGA 介紹： 可編程邏輯器件是一種可以構成各種用途邏輯的通用芯片，它是實現專用集成電路 ASIC（ Application Specific Integrated Circuit）的半定制器件，它的出現和發(fā)展使電子系統(tǒng)設計師借助于 CAD 手段在實驗室里就可以設 計自己的 ASIC 器件。特別是 FPGA（ Field Programmable Gate Array）的產生與發(fā)展，使其成為繼微處理器、存儲器之后的為電子數字系統(tǒng)設計而確定的又一種新的工業(yè)標準 (即可以按標準產品目錄在銷售市場上購到 )。數字系統(tǒng)正朝向以微處理器、存儲器、FPGA 三種標準積木塊構成或是它們的集成方向發(fā)展。 使用 FPGA 器件設計數字電路，不僅可以簡化設計過程，而且可以降低整個