【正文】 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(cè)信號(hào)，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。目前濾波器的主要實(shí)現(xiàn)方法有三種，分別是：?jiǎn)纹ㄓ脭?shù)字濾波器集成電路、采用 DSP 器件和 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 )器件。 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(wú)法替代的新特性，因此在通信、語(yǔ)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(zhǎng)脈沖響應(yīng) )濾波器和 IIR(無(wú)限長(zhǎng)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。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。 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?jī)?nèi)容方法 ............................................ 3 2． 相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)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(jiǎn)介 ................................................ 9 軟件安裝問(wèn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國(guó)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。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)。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(guò)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)。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。 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。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。 研究現(xiàn)狀 在信號(hào)處理過(guò)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(wèn)題。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。該領(lǐng)域只要包括 5個(gè)方面的內(nèi)容：第一，語(yǔ)音信號(hào)分析。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(lái)產(chǎn)生語(yǔ)音；第三，語(yǔ)音識(shí)別。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語(yǔ)音信號(hào)。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。 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(jiàn)圖像成像。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。 電視 數(shù)字電視取代模擬電視已是必然趨勢(shì)。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)。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。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。 音樂(lè) 數(shù)字濾波器為音樂(lè)領(lǐng)域開辟了一個(gè)新局面，在對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行編譯、合成、以及在音樂(lè)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。 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。 本課題研究?jī)?nèi)容方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)，大體上有如下幾種方法： 單片通用數(shù)字濾波器集成電路 單片通用數(shù)字濾波器的最大優(yōu)點(diǎn)就是使用簡(jiǎn)單便捷，但是其如果使用多字長(zhǎng)和階數(shù)規(guī)格不夠多，在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 專 用的 DSP 器件 DSP 芯片較之單片機(jī)有著更為突出的優(yōu)點(diǎn)，如內(nèi)部帶有乘法器、累加器，采用流水線工作方式及并行結(jié)構(gòu)，多總線，速度快，配有適于信號(hào)處理的指令等。 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）器件 與采用 DSP 器件相對(duì)應(yīng)，用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，其主要適用于一些要求較高的實(shí)時(shí)性場(chǎng)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。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。它讓某些信號(hào)成分通過(guò)又阻止或衰減另一些成分。頻域與時(shí)域均衡器也是一種濾波器，通信系統(tǒng)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(gòu)成的無(wú)源濾波器，也可以是加上運(yùn)放的有源濾波器，它們是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。開關(guān)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(wèn)題，可以時(shí)分復(fù)用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務(wù)。另外，由于有限字長(zhǎng)效應(yīng)會(huì)造成域設(shè)計(jì)值的頻率偏差、量化和運(yùn)算噪聲及極限環(huán)振蕩。因此，數(shù)字濾波的概念和模擬濾波相同，只是信號(hào)的形式和實(shí)現(xiàn)濾波方法不同。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。 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(lái)可以分成兩大類。例如，輸入信號(hào)中含有干擾，如果信號(hào)和干擾的頻帶互相重疊，則不能完成對(duì)干擾的有效濾除，這是需要采用另一類所謂的現(xiàn)代濾波器，例如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)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(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。他們的系統(tǒng)函數(shù)分別為： 式 中的 H(z)稱為 N 階 IIR 濾波器函數(shù)，式 H(z)稱為（ N1）階 FIR 濾波器函數(shù)。 FIR 和 II