【正文】 示 .由于這種結(jié)構(gòu)所使用的延遲單元最少 (只有 2 個(gè) ),得到了廣泛地應(yīng)用 ， 因此稱之為標(biāo)準(zhǔn)型 IIR 濾波器 。 28 IIR濾波器具有多種形式，主要有：直接型 (也稱直接 I型 )、標(biāo)準(zhǔn)型 (也稱直接 II型 )、變換型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型。 圖 綜合后生成的 TCL文件 Quartus II 編譯 單擊圖 中的步驟 3 圖標(biāo)，調(diào)用 Quartus II 完成編譯適配過(guò)程，生成 編程 文件：文件和 文件 ，可以直接用于 FPGA的編程配置 。 22 圖 濾波器設(shè)計(jì)界面 （ 2）濾波器分析 計(jì)算完 FIR 濾波器系數(shù)后， 往往需要對(duì)設(shè)計(jì)好的 FIR 濾波器進(jìn)行相關(guān)的性能分析，以便了解該濾波器是否滿足設(shè)計(jì)要求，分析如下：如圖 是 FIR 濾波器的幅頻響應(yīng)；如圖 是 FIR 濾波器的相頻響應(yīng)；如圖 是幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)的比較；如圖 是 FIR 濾波器的沖激響應(yīng)；如圖 是 FIR 濾波器的階躍響應(yīng)；如圖 是 FIR 濾波器的零極點(diǎn)；如圖 是 FIR 濾波器系數(shù)；如圖 是 FIR 濾波器的量化。把 4 個(gè)子系統(tǒng) fir4tap 的輸出端口 y 連接起來(lái)，接入一個(gè) 4 輸入端口的加法器，得到 FIR濾波器的輸出 yout。 雙擊模型中的“ SignalCompiler”模塊，會(huì)出現(xiàn)如圖 所示的對(duì)話框，點(diǎn)擊“ Analyze” (分析 )按 鈕后， SignalCompiler 就會(huì)對(duì)模型進(jìn)行分析，檢查模型有無(wú)錯(cuò)誤，并在 Matlab 主窗口彈出對(duì)話框給出相關(guān)信息。由于程序的編寫往往不能達(dá)到良好優(yōu)化而使濾波器性能表現(xiàn)一般，而采用調(diào)試好的 IP Core 需要向 Altera 公司購(gòu)買。但 長(zhǎng)期以來(lái)， FPGA 一直被用于系統(tǒng)邏輯或時(shí)序控制上，很少有信號(hào)處理方面的應(yīng)用，其原因主要是因?yàn)樵?FPGA 中缺乏實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)。 由 FPGA 構(gòu)成的 DSP 電路可以同樣以并行或順序方式工作。因而，盡管擁有多個(gè)硬件乘加器，使用了環(huán)形疊代的方法進(jìn)行乘法操作，且許多 DSP 處理 器還擁有使用多乘法器的并行指令，用于加速算術(shù)運(yùn)算，然而由于其順序的工作方式、較低的數(shù)據(jù)處理速率，以及缺乏實(shí)時(shí)工作的性能，使其至今仍只適合于低端的數(shù)字信號(hào)處理。 對(duì)于線性相位濾波器，通常采用 FIR 濾波器，其單位脈沖響應(yīng)滿足一定 條件，可以證明其相位特性在整個(gè)頻帶中是嚴(yán)格線性的，這是模擬濾波器無(wú)法達(dá)到的。 12 3． 數(shù)字濾波器的總體設(shè)計(jì)方案 FIR 和 IIR 設(shè)計(jì)方法 概述 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法等； FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法、切比雪夫逼近法等。 Quartus 平臺(tái)與 Cadence、 ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys 和 Synplicity 等 EDA 供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)工具相兼容。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析 、仿真和設(shè)計(jì)工作，而且利用 MATLAB 產(chǎn)品的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對(duì) MATLAB 的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，不斷完善 MATLAB 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。 IIR低通濾波器指標(biāo)參數(shù)如圖 所 示。而 FIR 濾波器則要靈活的多，尤其它能易于適應(yīng)某些特殊的應(yīng)用，如構(gòu)成微分器或積分器，或用于巴特沃斯、切 比雪夫等逼近不可能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的情況，例如，由于某些原因要求三角形振幅響應(yīng)或一些更復(fù)雜的幅頻響應(yīng)，因而有更大的適應(yīng)性和更廣闊的天地。另外，在這種結(jié)構(gòu)中，由于運(yùn)算過(guò)程中對(duì)序列的舍入處理，這種有限字長(zhǎng)效應(yīng)有時(shí)會(huì)引起寄生振蕩。 數(shù)字濾波器從現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者從單位脈沖響應(yīng)分類，可以分成無(wú)限脈沖響應(yīng) (IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)（ FIR）濾波器。 一般用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器：一是采用通用計(jì)算機(jī)，把濾波器所要完成的運(yùn)算編成程序通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，也就是采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是硬件實(shí)現(xiàn)，利用加法器、常數(shù)乘法器和延遲器等裝配成專門的設(shè)備，當(dāng)然，這 6 種方法實(shí)現(xiàn)一般還要通過(guò)編程，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真。數(shù)字濾波器（ DF）由加法器、乘法器、存儲(chǔ)延遲單元、時(shí)鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數(shù)字電路構(gòu)成。 5 2． 相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介 數(shù)字濾波器概述 濾波器可廣義地理解為一個(gè)信號(hào)選擇系統(tǒng)。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(chǎng)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)檢測(cè)；在環(huán)境保護(hù)中被應(yīng)用于對(duì)空氣污染和噪聲干擾的自動(dòng)監(jiān)測(cè)；在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中被應(yīng)用于股票市場(chǎng)預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)效益分析，等等。 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(wèn)題。近年來(lái)，這 5 方面都取得了不少研究成果，并且，在市場(chǎng)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(yǔ)音合成器、口授打印機(jī)、語(yǔ)音應(yīng)答機(jī)，各種會(huì)說(shuō)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)。 語(yǔ)音處理 語(yǔ)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。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。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(guò)程。本文采用 FPGA 器件來(lái)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(yǔ)言 VHDL 文件，最后利用 QuartusII 完成濾波器的仿真、配置、編譯和下載。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。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。主要用于語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮，目前已經(jīng)建立了一系列語(yǔ)音編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，大量用于通信和音頻處理。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)。 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。在實(shí)現(xiàn)方法上先用MATLAB/Simulink 工具箱建立濾波器模型，并用 SignalCompiler 把 Simulink的模型文件 (后綴是 .mdl)轉(zhuǎn)化為硬件描述語(yǔ)言 VHDL 文件，最后利用 QuartusII完成濾波器的仿真、配置、編譯和下載。開(kāi)關(guān)電容濾波器、電荷耦合濾波器均屬這類濾波器。如果要處理的是模擬信號(hào)，可通過(guò) A/DC 和 D/AC，在信 號(hào)形式上進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)換，同樣可以使用數(shù)字濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波。另外，需要注意的是數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù) H(ejw)都是以 2π為周期的，濾波器的低通頻帶處于 2π的整數(shù)倍處，而高頻頻帶處于π的奇數(shù)倍附近，這一點(diǎn)和模擬濾波器是有區(qū)別的。 從結(jié)構(gòu)上看， IIR 濾波器必須采用遞歸結(jié)構(gòu)，極點(diǎn)位置必須在單位圓內(nèi)，否則系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 另外，也應(yīng)看到， IIR 濾波器雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但主要是用于設(shè)計(jì)具有片段常數(shù)特性的濾波器，如低通、高通、帶通及帶阻等，往往脫離不了模擬濾波器的格局。而對(duì)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)。 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 的名稱源自 Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。該平臺(tái)支持一個(gè)工作組環(huán)境下的設(shè)計(jì)要求，其中包括支持基于 Inter 的協(xié)作設(shè)計(jì)。這樣， “Licensed AMPP/MegaCore functions” 中即包含了 dsp builder 模塊，又包含了原來(lái)Quartus 的模塊，如圖 ： 11 圖 Options界 面 此時(shí) 進(jìn)入 matlab/simulink， 運(yùn)行一個(gè)實(shí)例， 打開(kāi) SignalCompiler，如果其功能能夠?qū)崿F(xiàn)則說(shuō)明軟件安裝成功。還有一種比較有效的方法是切比雪夫等波紋逼近法，需通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成。 DSP 處理器 在硬件結(jié)構(gòu)上不斷改進(jìn)， 但 并沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)CPU 的工作模式。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。 而 FPGA 有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合于數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，相對(duì)于串行運(yùn)算為主導(dǎo)的通用 DSP 芯片來(lái)說(shuō)，其并行性和可擴(kuò)展性更好。在采用 VHDL 或 VerilogHDL 等硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)。 雙擊 SignalCompiler 可對(duì)以上的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)的 芯片 ，將以上設(shè)計(jì)模塊圖文件 “ 翻譯 ” 成 VHDL 語(yǔ)言。前一級(jí)的輸出窗口 x4 接后一級(jí)的x輸入端口，并附上 16 個(gè)常數(shù)端口，作為 FIR濾波器系數(shù)的輸入。 圖 FDATool界面 在 FDATool 界面的相應(yīng)位置 輸入該低通 濾波器 的參數(shù)， 并點(diǎn)擊 design 完成濾波器的 設(shè)計(jì) ， 如圖 所示。 圖 選擇 synplify綜合 綜合后的 TCL 文件如圖 所示。對(duì)于 IIR 濾波器 ， 系統(tǒng)穩(wěn)定的條件如下 ： 若 | |1， 當(dāng) n→ 時(shí) ， h(n)→ 0， 系統(tǒng)穩(wěn)定 ； 若 | |1， 當(dāng) n→ 時(shí) ， h(n)→ ， 系統(tǒng)不穩(wěn)定 ?？梢宰C明上圖的結(jié)構(gòu)仍滿足二階 IIR 濾波器輸出方程。 修改 Simulink的仿真參數(shù)設(shè)置，設(shè)置“ Stop time”仿真停止時(shí)間為“ 50”，“ Solver options”中“ Type”為“ FixedStep”。 33 圖 4階級(jí)聯(lián)型 IIR濾波器 在上述模塊參數(shù)設(shè)置中， A11等增益模塊應(yīng)設(shè)置為 IIR濾波器的系數(shù)，這需要給定或者按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算。 G模塊的“ Gain Value”是 G（ 2）； B10模塊為 SOS（ 1,1）； B11模塊為 SOS（ 1,2）； B12模塊為 SOS（ 1,3）； A11模塊為 SOS（ 1,5）； A1模塊為 SOS（ 1,6）； B20模塊為 SOS（ 2,1）； B21模塊為 SOS（ 2,2）； B22模塊為 SOS（ 2,3）； A21模塊為 SOS（ 2,5）； A22模塊為 SOS（ 2,6）。 37 圖 生成的 TCL文件 Quartus II 編譯 ： 單擊 SignalCompiler 中的步驟 3圖標(biāo)，調(diào)用 Quartus II完成編譯適配過(guò)程，生成編譯文件： 文件和文件 ，可以直接用于 FPGA 的編程配置 。我將收集到的資料仔細(xì)整理分類，及時(shí)拿給導(dǎo)師進(jìn)行溝通。在論文中我充分地運(yùn)用了大學(xué)期間所學(xué)到的知識(shí)。 [2]潘松，黃繼業(yè)，王國(guó)棟。 [6]丁玉美，高西全?；?VHDL 語(yǔ)言的八階 IIR 語(yǔ)音低通數(shù)字濾波器，桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校 電報(bào)， 2020。 he then had half a minute39。 antiboxing Bills proposed in parliament have failed to reach the statute books. Most schools, both state and public, however, have dropped boxing from their physical education curriculum. Yet it should be noted that amateur boxing is exceptionally well regulated: not more than four rounds are fought, headguards are worn, and the referee is allowed to stop a fight to prevent serious injury. However, headguards, whilst absorbing energy from punches, present an even larger target to be hit and thus the number of blows striking home may well increase. Indeed, studies have shown that nonboxing sportsmen outperform even amateur fighters in neurological tests and, notwithstanding the safety precautions, three amateur fighters have suffered serious brain injury in British rings since 1988. For centuries boxing has been the epitome of overt masculinity, a demonstration of manliness a