【正文】 信信號、導航信號、射電天文信號、生物醫(yī)學信號、控制信號、氣象信號、地震勘探信號、機械振動信號、遙感遙測信號，等等。本文最后用實例介紹了 FIR 數字濾波器和 IIR 數字濾波器的實現過程。目前濾波器的主要實現方法有三種，分別是：單片通用數字濾波器集成電路、采用 DSP 器件和 FPGA(現場可編程門陣列 )器件。 摘 要 數字濾波器是現代數字信號處理系統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、自動控制等領域有著廣泛的應用，它對于降低噪聲、提高信噪比及信號的頻譜純度等方面有著重要的意義。數字濾波器根據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，可以根據不同的系統性能要求選擇不同的濾波器。本文采用 FPGA 器件來實現濾波器的設計，在實現方法上先用 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。 關鍵詞： 數字濾波器 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 研究現狀 ..................................................... 1 本課題研究內容方法 ............................................ 3 2． 相關知識簡介 .............................................. 5 數字濾波器概述 .............................................. 5 數字濾波器的定義 ........................................ 5 數字濾波器的分類 ........................................ 6 FIR 和 IIR 數字濾波器的比較 ............................... 6 數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 數字濾波器原理 ......................................... 16 16 階 FIR 濾波器 ............................................ 16 5． IIR 設計實例 ............................................. 27 IIR 數字濾波器原理 ......................................... 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，因此受到人們普遍的關注。上述這些信號大部分是擬信號，也有小部分是數字信號。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。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。 數字濾波技術是數字信號分析、處理技術的重要分支。在所有的電子系統中，使用最多技術最復雜的要算數字濾波器了。 研究現狀 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。在近代電信設備和各類控制系統中，數字濾波器應用極為廣泛，這里只列舉部分應用最成功的領域。該領域只要包括 5個方面的內容：第一，語音信號分析。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。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語音信號。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，大量用于通信和音頻處理。 圖像處理 數字濾波技術以成功地應用于靜止圖像和活動圖像的恢復和增強、數據壓縮、去噪音和干擾、圖像識別以及層析 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。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，都廣泛地采用數字濾波器，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，幾乎是寸步難行。 電視 數字電視取代模擬電視已是必然趨勢。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。于是數字器件的出現促進了雷達信號處理技術的進步。雷達信號的數字濾波器是當今十 分活躍的研究領域之一。 音樂 數字濾波器為音樂領域開辟了一個新局面，在對音樂信號進行編譯、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，數字濾波技術都顯示出了強大的威力。 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，還有很多其他應用領域。 本課題研究內容方法 數字濾波器的實現，大體上有如下幾種方法： 單片通用數字濾波器集成電路 單片通用數字濾波器的最大優(yōu)點就是使用簡單便捷，但是其如果使用多字長和階數規(guī)格不夠多，在實際應用中有很大局限性。 專 用的 DSP 器件 DSP 芯片較之單片機有著更為突出的優(yōu)點，如內部帶有乘法器、累加器，采用流水線工作方式及并行結構，多總線，速度快，配有適于信號處理的指令等。 FPGA（現場可編程門陣列）器件 與采用 DSP 器件相對應，用可編程邏輯器件實現數字濾波器，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，使單片系統集成成為了可能。在實現方法上先用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。它讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分。頻域與時域均衡器也是一種濾波器，通信系統的傳輸媒介如明線、電纜等從特性看也是濾波器。模擬濾波器（ AF）可以是由 RLC 構成的無源濾波器，也可以是加上運放的有源濾波器，它們是連續(xù)時間系統。開關電容濾波器、電荷耦合濾波器均屬這類濾波器。它精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題，可以時分復用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務。另外，由于有限字長效應會造成域設計值的頻率偏差、量化和運算噪聲及極限環(huán)振蕩。因此，數字濾波的概念和模擬濾波相同，只是信號的形式和實現濾波方法不同。如果要處理的是模擬信號，可通過 A/DC 和 D/AC，在信 號形式上進行匹配轉換，同樣可以使用數字濾波器對模擬信號進行濾波。 數字濾波器的分類 數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。例如，輸入信號中含有干擾，如果信號和干擾的頻帶互相重疊，則不能完成對干擾的有效濾除，這是需要采用另一類所謂的現代濾波器，例如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應濾波器等最佳濾波器。 一般濾波器從功能上分類，和模擬濾波器一樣，可以分成低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。另外，需要注意的是數字濾波器的傳輸函數 H(ejw)都是以 2π為周期的，濾波器的低通頻帶處于 2π的整數倍處，而高頻頻帶處于π的奇數倍附近，這一點和模擬濾波器是有區(qū)別的。他們的系統函數分別為： 式 中的 H(z)稱為 N 階 IIR 濾波器函數，式 H(z)稱為（ N1）階 FIR 濾波器函數。 FIR 和 II