【正文】 摘 要 數(shù)字濾波器是現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的重要組成部分之一，具有模擬濾波器所無法替代的新特性，因此在通信、語音與圖像處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它對(duì)于降低噪聲、提高信噪比及信號(hào)的頻譜純度等方面有著重要的意義。數(shù)字濾波器根據(jù)單位脈沖響應(yīng)的不同，可分為 FIR(有限長脈沖響應(yīng) )濾波器和 IIR(無限長脈沖響應(yīng) )濾波器， FIR 的優(yōu)點(diǎn)在于具有良好的相位特性， IIR 的優(yōu)點(diǎn)在于具有良好的幅頻特性，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)性能要求選擇不同的濾波器。目前濾波器的主要實(shí)現(xiàn)方法有三種，分別是：單片通用數(shù)字濾波器集成電路、采用 DSP 器件和 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列 )器件。本文采用 FPGA 器件來實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)方法上先用 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 完成濾波器的仿真、配置、編譯和下載。本文最后用實(shí)例介紹了 FIR 數(shù)字濾波器和 IIR 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)過程。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字濾波器 通信 集成電路 DSP FPGA Abstract Digital filter is a digital signal processing system is one of the important ponent, analog filters cannot be replaced by the new characteristic, therefore in the munication, speech and image processing, automatic control and other fields have a wide range of applications, it can reduce noise, improve the signal to noise ratio and signal spectrum purity has important significance. Digital filter according to unit impulse response of different, can be divided into FIR ( finite impulse response filter ) and IIR ( infinite i mpulse response ) filter, FIR have the advantages of good phase characteristics, IIR have the advantages of good amplitudefrequency characteristics, according to different system performance requirements of different filter. The filter main realizing methods has three kinds, respectively is: the monolithic integrated circuit, digital filter with DSP device and FPGA ( field programmable gate array ) device. This paper uses FPGA to realize filter design, the realization method on the first MATLAB / Simulink toolbox to establish filter model, then use SignalCompiler the Simulink model file ( the suffix is . MDL ) into the VHDL hardware description language file, finally using QuartusII plete filter simulation, configure, pile and download. Finally, examples of the FIR digital filter and IIR digital filter implementation process. Keywords: digital filter munication integrated circuit DSP FPGA 目 錄 1． 緒論 ..................................................... 1 研究背景 ..................................................... 1 研究現(xiàn)狀 ..................................................... 1 本課題研究內(nèi)容方法 ............................................ 3 2． 相關(guān)知識(shí)簡介 .............................................. 5 數(shù)字濾波器概述 .............................................. 5 數(shù)字濾波器的定義 ........................................ 5 數(shù)字濾波器的分類 ........................................ 6 FIR 和 IIR 數(shù)字濾波器的比較 ............................... 6 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要求和方法 .............................. 8 設(shè)計(jì)軟件簡介 ................................................ 9 軟件安裝問題 ............................................... 10 3． 數(shù)字濾波器的總體設(shè)計(jì)方案 .................................. 12 FIR 和 IIR設(shè)計(jì)方法概述 ..................................... 12 濾波器設(shè)計(jì)方法比較 ......................................... 12 4． FIR 設(shè)計(jì)實(shí)例 ............................................. 16 FIR 數(shù)字濾波器原理 ......................................... 16 16 階 FIR 濾波器 ............................................ 16 5． IIR 設(shè)計(jì)實(shí)例 ............................................. 27 IIR 數(shù)字濾波器原理 ......................................... 27 使用 DSP BUILDER設(shè)計(jì) IIR 濾波器 .............................. 30 4階直接Ⅱ型 IIR 濾波器設(shè)計(jì) .............................. 30 4階級(jí)聯(lián)型 IIR 濾波器設(shè)計(jì) ................................ 32 6． 總結(jié) .................................................... 38 參考文獻(xiàn) .................................................... 40 致謝 ....................................................... 41 1 1． 緒論 研究背景 當(dāng)今，數(shù)字信號(hào)處理（ DSP： Digtal Signal Processing）技術(shù)正飛速發(fā)展，它 不但自成一門學(xué)科，更是以不同形式影響和滲透到其他學(xué)科：它與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國防建設(shè)緊密相連；它影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，因此受到人們普遍的關(guān)注。 數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，實(shí)際生活中遇到的信號(hào)多種多樣，例如廣播信號(hào)、電視信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、通信信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)、射電天文信號(hào)、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)、控制信號(hào)、氣象信號(hào)、地震勘探信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、遙感遙測信號(hào)，等等。上述這些信號(hào)大部分是擬信號(hào)，也有小部分是數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一 維的，也可以是二維或多維的。大多數(shù)情況下一維模擬信號(hào)的自變量是時(shí)間，經(jīng)過時(shí)間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號(hào)便成為一維數(shù)字信號(hào)。因此，數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是用數(shù)字序列表示的信號(hào)，語音信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)一維離散時(shí)間序列；而圖像信號(hào)經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號(hào)是一個(gè)二維離散空間序列。數(shù)字信號(hào)處理，就是用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行各種處理，把信號(hào)變換成符合需要的某種形式。例如，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波以限制他的頻帶或?yàn)V除噪音和干擾，或?qū)⑺麄兣c其它信號(hào)進(jìn)行分離；對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分 析或功率譜分析以了解信號(hào)的頻譜組成，進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別；對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種變換，使之更適合于傳輸，存儲(chǔ)和應(yīng)用；對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼以達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的，等等。 數(shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號(hào)分析、處理技術(shù)的重要分支。無論是信號(hào)的獲取、傳輸，還是信號(hào)的處理和交換都離不開濾波技術(shù)，它對(duì)信號(hào)安全可靠和有效靈活地傳輸是至關(guān)重要的。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(hào)處理過程中，所處理的信號(hào)往往混有雜音，從接收到的信號(hào)中消除 2 或減弱噪音是信號(hào)傳輸和處理中 十分重要的問題。根據(jù)有用信號(hào)和噪音的不同特性，提取有用信號(hào)的過程成為濾波，實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器應(yīng)用極為廣泛，這里只列舉部分應(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(dòng)數(shù)字信號(hào)處理理論發(fā)展的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域只要包括 5個(gè)方面的內(nèi)容：第一，語音信號(hào)分析。即對(duì)語音信號(hào)的波形特征、統(tǒng)計(jì)特性、模型參數(shù)等進(jìn)行分析計(jì)算；第二，語音合成。即利用專用數(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(shí)別。即用專用硬件或計(jì)算機(jī)識(shí)別人 講的話，或者識(shí)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(hào)。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(huì)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)以成功地應(yīng)用于靜止圖像和活動(dòng)圖像的恢復(fù)和增強(qiáng)、數(shù)據(jù)壓縮、去噪音和干擾、圖像識(shí)別以及層析 X 射線攝影，還成功地應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、超聲波和紅外信號(hào)的可見圖像成像。 通信 在現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，幾乎沒有一個(gè)分支不受到數(shù)字濾波技術(shù)的影響。信源編碼、信道編碼、調(diào)制、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)壓縮以及自適應(yīng)信道均衡等，都廣泛地采用數(shù)字濾波器，特別是在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像通信、多媒體通信等應(yīng)用中，離開了數(shù)字濾波器，幾乎是寸步難行。其中，被認(rèn)為是通信技術(shù)未來發(fā)展方向的軟件無線電技術(shù)，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(shù)已形成具有 巨大市場的產(chǎn)業(yè)；可視電話和會(huì)議電視產(chǎn)品 3 不斷更新?lián)Q代。視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)所取得的成就和標(biāo)準(zhǔn)化工作，促成了電視領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，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(hào)占有的頻帶非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，因而壓縮數(shù)據(jù)量和降低數(shù)據(jù)傳輸速率是雷達(dá)信號(hào)數(shù)字處理面臨的問題。于是數(shù)字器件的出現(xiàn)促進(jìn)了雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步。在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)處理部分是不可缺少的，因?yàn)閺男盘?hào)的產(chǎn)生、濾波、加工到目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)和目標(biāo)成像都離不開數(shù)字濾波技術(shù)。雷達(dá)信號(hào)的數(shù)字濾波器是當(dāng)今十 分活躍的研究領(lǐng)域之一。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理 數(shù)字濾波器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，如對(duì)腦電圖和心電圖的分析、層析X射線攝影的計(jì)算機(jī)輔助分析、胎兒心音的自適應(yīng)檢測等。 音樂 數(shù)字濾波器為音樂領(lǐng)域開辟了一個(gè)新局面，在對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行編譯、合成、以及在音樂中加入交混回響、合聲等特殊效果特殊方面，數(shù)字濾波技術(shù)都顯示出了強(qiáng)大的威力。數(shù)字濾波器還可用于作曲、錄音和播放，或?qū)εf錄音帶的音質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)等。 其他領(lǐng)域 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根本不可能的，除了以上幾個(gè)領(lǐng)域外，還有很多其他應(yīng)用領(lǐng)域。例 如，在軍事上被大量應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、電子對(duì)抗、戰(zhàn)場偵察；在電力系統(tǒng)中被應(yīng)用于能源分布規(guī)劃和自動(dòng)