【正文】 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)字濾波器的設計要求和方法 .............................. 8 設計軟件簡介 ................................................ 9 軟件安裝問題 ............................................... 10 3． 數(shù)字濾波器的總體設計方案 .................................. 12 FIR 和 IIR設計方法概述 ..................................... 12 濾波器設計方法比較 ......................................... 12 4． FIR 設計實例 ............................................. 16 FIR 數(shù)字濾波器原理 ......................................... 16 16 階 FIR 濾波器 ............................................ 16 5． IIR 設計實例 ............................................. 27 IIR 數(shù)字濾波器原理 ......................................... 27 使用 DSP BUILDER設計 IIR 濾波器 .............................. 30 4階直接Ⅱ型 IIR 濾波器設計 .............................. 30 4階級聯(lián)型 IIR 濾波器設計 ................................ 32 6． 總結 .................................................... 38 參考文獻 .................................................... 40 致謝 ....................................................... 41 1 1． 緒論 研究背景 當今，數(shù)字信號處理（ DSP： Digtal Signal Processing）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(jīng)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(chǎn)、生活方式，因此受到人們普遍的關注。該領域只要包括 5個方面的內(nèi)容：第一，語音信號分析。于是數(shù)字器件的出現(xiàn)促進了雷達信號處理技術的進步。它讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分。 數(shù)字濾波器的分類 數(shù)字濾波器按照不同的分類方法，有許多種類，但總起來可以分成兩大類。相反， FIR 濾波器主要采用非遞歸結構，不論在理論上還是實際的有限精度運算中都不存在穩(wěn)定性問題，運算誤差也較小。 圖 低通濾波器的技術要求 圖中ω p和ω N分別為通帶邊界頻率；δ 1和δ 2分別為通帶波紋和阻帶波紋；允許的衰減一般用 dB數(shù)表示，通帶內(nèi)所允許的最大衰減（ dB） 的阻帶內(nèi)允許的最小衰減 （ dB）分別為α P和α N表示： 9 一般要求： 當 0≤ |ω |≤ω P時， 20lg|H(ejw)|≤α P； 當ω S≤ |ω |≤π時，α S≤ 20lg|H(ejw)|。改進了軟件的LogicLock 模塊 設計功能，增添 了 FastFit 編譯選項，推進了網(wǎng)絡編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。當然，也可以采用 IIR 濾波器，但必須使用全通網(wǎng)絡對其非線性相位特性進行相位校正，這樣增加了設計與現(xiàn)實的復雜性。如圖 所示，在并行工作方面， FPGA 與 ASIC/ASSP 相當，遠優(yōu)于 DSP處理器。在此，采用一種基于 DSP Builder 的 FPGA 設計方法，使 FIR 濾波器 設計較為簡單易行，并能滿足設計要求。 修改其 Mask 參數(shù)：選中子系統(tǒng)模型，然后選擇菜單“ Edit”中的，在對話框中選擇“ Documentation”選項頁， 20 設置“ Mask type”為“ SubSystem AlteraBlockSet”（子系統(tǒng) Altera 模塊集），如圖 所示。 27 5． IIR 設計實例 IIR 數(shù)字濾波器原理 IIR濾波器差分方程的一般表達式為： 式中 x(n)為輸入序列 ； y(n)為輸出序列 ； 和 為濾波器系數(shù) 。 圖 標準型二階 IIR濾波器 級聯(lián)型 30 級聯(lián)型結構的系統(tǒng)函數(shù)為： 如圖 為 級聯(lián)型 IIR數(shù)字濾波器結構框圖。 打開 MATLAB中的 FDATool進行濾波器系數(shù)計算，如圖 。從最初的茫然，到慢慢的進入狀態(tài)，再到對思路逐漸的清晰，整個寫作過程難以用語言來表達。在了解和學習的同時不僅培養(yǎng)了我嚴肅認真的做事作風，還是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升。 [7]張志恒 。s hands, protected only by having been soaked in brine. With their bination of boxing and wrestling moves, early contests were literally ‘no holds barred’。 boxing is a human bloodsport in which the intention is to hurt one39。 [5]彭雪峰，汪臨偉，許建平。 當我終于完成了所有的任務后整個人都很累，但同時看著電腦熒屏上的畢業(yè)設計稿件我的心里是甜的，我覺得這一切都值了。 生成的 VHDL 代碼如圖 所示。 圖 綜合后的 TCL文件 Quartus II 編譯 ： 單擊 SignalCompiler 中的步驟 3圖標，調(diào)用 Quartus II完成編譯適配過程，生成編譯文件： 文件和 文件。 圖 直接 I型二階 IIR濾波器 直接型二階 IIR 濾波器還可以用圖 的結構實現(xiàn)。在進行綜合這一步 26 驟之前，還需要把 mdl 轉換成 VHDL。 16 階 FIR濾波器模型的建立 建 立一個新的 DSP Builder 模型，將上述 4階 FIR濾波器模型建立子系統(tǒng)（ SubSystem） ,將子系統(tǒng)更名為 fir4tap， fir4tap 的內(nèi)部結構如圖 所示。F P G AD S P 系 統(tǒng) 實 現(xiàn)M A T L A B/ S i m u l i n k 建模 / 仿真VHDL 轉換 / 邏 輯 綜 合 / 功 能 仿 真 /編 譯 適 配 / 時 序 實 時 仿 真 / 硬 件 配 置D S P 系 統(tǒng) 建 模D S P Bu i l d er綜合、適配布線、布局( Q u ar t u s I I )基于 IP 核的D S P 庫 16 4． FIR 設計實例 FIR 數(shù)字濾波器原理 FIR 數(shù)字 濾波器 在 數(shù)字信號處理 的各種應用中發(fā)揮著十分重要的作用，它能夠提供理想的線性相位響應，在整個頻帶上獲得常數(shù)群時延，從而得到零失真輸出信號，同時它可以采用十分簡單的算法予以實現(xiàn)。 3） FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）器件 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array） 的 概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部線（ Interconnect）三個部分。另一類是直接在頻域或者時域中進行設計的，由于要解聯(lián)立方程，設計師需要計算機作輔助設計。系統(tǒng)設計者現(xiàn)在能夠用 Quartus II軟件評估 HardCopy Stratix 器件的性能和功耗，相應地進行最大吞吐量設計。數(shù)字濾波器的頻響特性函數(shù) H(ejw)一般為復函數(shù)，所以通常表示為： 其中， |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間上的延時情況。選擇性越好，則相位非線性越嚴重。因此，數(shù)字濾波的概念和模擬濾波相同，只是信號的形式和實現(xiàn)濾波方法不同。 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）器件 與采用 DSP 器件相對應，用可編程邏輯器件實現(xiàn)數(shù)字濾波器，其主要適用于一些要求較高的實時性場合，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。 電視 數(shù)字電視取代模擬電視已是必然趨勢。 研究現(xiàn)狀 在信號處理過程中，所處理的信號往往混有雜音，從接收到的信號中消除 2 或減弱噪音是信號傳輸和處理中 十分重要的問題。數(shù)字濾波器根據(jù)單位脈沖響應的不同，可分為 FIR(有限長脈沖響應 )濾波器和 IIR(無限長脈沖響應 )濾波器， FIR 的優(yōu)點在于具有良好的相位特性， IIR 的優(yōu)點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。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。 通信 在現(xiàn)代通信技術領域內(nèi)，幾乎沒有一個分支不受到數(shù)字濾波技術的影響。片擴展的方式則能使其應 4 用范圍變廣，但是這會使濾波器的體積和功耗增加，導致另一種局限性。其缺點是需要抽樣、量化、編碼，以及手時鐘頻率所限，所能 處理的信號最高頻率還不夠高。這兩種類型的設計方法有很大的區(qū)別， 下面對它們進行簡要比較。例如，從使用要求上來看，在對相位要求不敏感的場合，如語言通訊等，選用 IIR 較為合適，這樣可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟高效的特點，而對于圖像信號處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)，則對線性相位要求較高，如果有要求，采用 FIR 濾波器較好。 10 Quartus 簡介 Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境 , 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到 數(shù)字系統(tǒng)設計 者的歡迎。 IIR 濾波器設計方法有兩類，經(jīng)常用的一類設計方法是借助于模擬濾波器的設計方法進行的。例如其硬件結構的不可變性導致了其總線的不可改變性，而固定的數(shù)據(jù)總線寬度，已成為 DSP 處理器一個難以突破的瓶頸。 基于 FPGA 的 DSP 設計流程 本次設計采用系統(tǒng)級的開發(fā)方法，開發(fā)流程如圖 所示 。 圖 雙擊 SignalCompiler 后的對話框 圖 SignalCompiler窗口 19 當設置好后，右側的硬件編譯“ Hardware Compilation”部分就會列出一個操作流程，如圖 ，該流程為： （ 1）“ Convert MDL to VHDL” :將 .mdl 文件轉換為 VHDL 文件； （ 2）“ Synthesis”：綜合； （ 3）“ Quartus Ⅱ”： Quartus 編譯適配，生成編程文件。這樣就完成了一個 16階直接 I型 FIR 低通濾波器的設計。 對于一個二階 IIR濾波器，其輸出可以寫成： 直接型 （ 1）直接型 根據(jù)上式可以得到直接二型 IIR 濾波器的結構圖。 圖 IIR濾波器仿真結果 32 在 SignalCompiler 窗口，選擇“ Synthesis”下拉框中的“ Synplify”項，選用 Synplify 對生成的 VHDL 代碼進行綜合。模型中的 Simulink仿真模塊的參數(shù)設置如下： Step模塊：（ Step） 庫： Simulink中 Sources庫 參數(shù)“ Step time”設為“ 1e7” 參數(shù)“ Initial value”設為“ 0” 參數(shù)“ Final value”設為“ 1” 參數(shù)“ Sample time”設為“ 2e8” Scope模塊：（ Scope） 庫： Simulink中 sink庫 參數(shù)“ Number of Axes”為“ 2” 啟動仿真。在大家的幫助下，困難一個一個解決掉，論文也慢慢成型。 EDA 技術與 VHDL，清華大學出版社， 2020。 [12]任愛峰等。 bantamweight Bradley Stone was added to the list in 1994. Following a report from a medical working party, which included neurosurgeons, the British Boxing Board of Control sub