基于FPGA的数字滤波器设计.doc

1、键入文字 I 草鱼 摘 草鱼要 草鱼 草鱼 草鱼 传统的数字滤波器的设计过程复杂 ， 鲤鱼 计算工作量大 ， 鲤鱼 滤波特性调整困难 ， 鲤鱼 影响了它的应用 。 草鱼 本文介绍了一种利用 MATLAB 信号处理工具箱（ Signal 草鱼 Processing 草鱼Toolbox）快速有效的设计由软件组成的常规数字滤波器的设计方法 。 草鱼 给出了使用 MATLAB 语言进行程序设计和利用信号处理工具箱的 FDATool 工具进行界面设计的详细步骤 。 草鱼 利用 MATLAB 设计滤波器 ， 鲤鱼 可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数 ， 鲤鱼 直观简便 ， 鲤鱼 极大的减轻了工作量

2、， 鲤 鱼有利于滤波器设计的最优化 。 草鱼 本文还介绍了如何利用 MATLAB环境下的仿真软件 Simulink对所设计的滤波器进行模拟仿真 。 草鱼 介绍 了 无限长 数字滤波器的传统设计思想与步骤 ,及其计算机辅助设计方法 。 草鱼 以一数字带通滤波器为例 ,着重说明了基于 MATLAB 的三种实现手段 ： pork模拟低通原型 、 pork合适模拟带通及直接原型 ,为数字滤波器设计带来全新的实现手段 ,设计快捷方便 ,仿真波形直观 。 草鱼 介绍了利用 MATLAB 信号处理工具箱进 无限长 滤波器设计的三种方法 ： pork程序设计法 、 porkFDATool 设计法和 SPToo

3、l 设计法 ， 鲤鱼 给出了详细的设计步骤 ， 鲤鱼 并将设计的滤波器应用到一个混和正弦波信号 ， 鲤鱼 以验证滤波器的性能 .草鱼 草鱼 关键词 ： por k数字滤波器 草鱼 MATLAB 草鱼 无限长 草鱼 无限长 草鱼 FPGA 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 键入文字 II 草鱼 Abstract 草鱼 草鱼 Traditional 草鱼 digital 草鱼 filter 草鱼 design 草鱼 process 草鱼 complex, 草鱼 the 草鱼 computationwork 草鱼 load 草鱼 is 草鱼big, 草鱼 the 草鱼 fi

4、lter 草鱼 characteristic 草鱼 adjustment 草鱼 difficulty, 草鱼 hasaffected 草鱼 its 草鱼 application. 草鱼This 草鱼 article 草鱼 introduced 草鱼 one 草鱼 kind 草鱼 using 草鱼 theMATLAB 草鱼 signal 草鱼 processing 草鱼 toolbox 草鱼(Signal 草鱼 Processing 草鱼 Toolbox) 草鱼 the 草鱼 fasteffective 草鱼 design 草鱼 the 草鱼 conventional 草鱼 numeral 草鱼

5、filter 草鱼 design 草鱼 method 草鱼 whichis 草鱼 composed 草鱼 by 草鱼 software. 草鱼 Produced 草鱼 has 草鱼 used 草鱼 the 草鱼MATLAB 草鱼 language 草鱼 tocarry 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 programming 草鱼 and 草鱼 carries 草鱼 on 草鱼 contact 草鱼 surface 草鱼 design 草鱼 usingthe 草鱼 signal 草鱼 processing 草鱼 toolbox 草鱼 FDATool 草鱼 tool 草鱼 the 草鱼 detai

6、led 草鱼 step. 草鱼Usingthe 草鱼 MATLAB 草鱼 design 草鱼 filter, 草鱼 may 草鱼 contrast 草鱼 the 草鱼 design 草鱼 request 草鱼 and 草鱼 thefilter 草鱼characteristic 草鱼 adjustment 草鱼 parameter 草鱼 as 草鱼 necessary,direct-viewing 草鱼 is 草鱼 simple, 草鱼enormous 草鱼 reduced 草鱼 the 草鱼 work 草鱼 load, 草鱼 isadvantageous 草鱼 optimization 草鱼

7、which 草鱼 designs 草鱼 to 草鱼 the 草鱼 filter.草鱼 草鱼 Key 草鱼 word: 草鱼 Digital 草鱼 filter 草鱼 MATLAB 草鱼 无限长 草鱼 无限长 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 键入文字 III 草鱼 草鱼 目 草鱼录 草鱼 摘 草鱼 草鱼 要 .1草鱼 Abstract . . . . .2草鱼 引言 . . . .5 草鱼 1.1 数字滤波器的背景及意义 草鱼 草鱼 . . . . 5 草鱼 1.2 内 草鱼 容 . . . . .6 草鱼草鱼 第二章 数字滤波器的 MAT

8、LAB 设计 . .8 草鱼 2.1 草鱼 MATLAB 的设计方法 . . .9 草鱼 2.1.1 草鱼 FDATool界面设计 . . . .9 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2.1.2 程序设计法 . . .10草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2.1.3 草鱼 Simulink 仿真 . .11 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2.1.4 草鱼 SPTool设计法 . .12草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2.1.5 结 草鱼 论 . . . .13草鱼 草鱼 2.2基于 MATLAB的程序 设计方法 的 各种 模拟滤波器 实现 . . 13草鱼 2.2.1 基于模拟低通原型的 MATLAB

9、实现 . . . .14 草鱼 2.2.2 基于合适类型模拟滤波器的 MATLAB 实现 . .15 草鱼 2.2.3 基于直接原型变换法的 MATLAB 实现 . . .17 草鱼 第三章 草鱼 草鱼 基于 MATLAB 的 无限长 数字滤波器的设计 . . . .19 草鱼 草鱼 3.1 草鱼 无限长 滤 波 器 有 以 下 几 个 特键入文字 IV 点 . . .19 草鱼 草鱼 3.2 草鱼 无 限 长 数 字 滤 波 器 设 计 思 路 与 步骤 . . .19 草鱼 草鱼 3.3 草鱼 无限长 数 字 滤 波 器 设 计 方法 . . . .20 草鱼 3.3.1 传统设计方法 .

10、 . . . . .20 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3.3.2 计算机辅助设计方法 . . . . .21草鱼 草鱼 3.4 常用模拟 无限长 滤 波 器 的 设计 . . . . 21 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3.4.1 巴 特 沃 斯 无限长 滤 波 器 的 设计 .21 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3.4.2 契比雪夫 I 型 无限长 滤波器的设计 . . .22 草鱼 草鱼 3.5 用 模 拟 滤 波 器 理 论 来 设 计 无限长 数 字 滤 波器 . . . .23 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3.5.1 脉冲响应不变法 .23草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3.5.2

11、 双线性变换法 . . .24草鱼 草鱼 3.6 仿真实现 . .27草鱼 第四章 草鱼 基于 MATLAB 的 无限长 数字滤波器的设计 . . . .31 草鱼 4.1 草鱼 无限长 数 字 滤 波 器 设 计 的 基 本 步骤 . .26 草鱼 4.2 草鱼 无 限 长 滤 波 器 的 窗 函 数 设 计法 . .27 草鱼 4.3 程序设计法 . . .28 草鱼 键入文字 V 4.4 草鱼 FDATool设计法 . . .29 草鱼 4.5 带通滤波器设计 . .29 草鱼 4.5.1 带通滤 波器设计实例 一 . .29 草鱼 4.5.2 带通滤波器设计实例 二 . .30 草鱼

12、4.6 草鱼 Simulink 仿真 . . .31 草鱼 4.7 结束语 . . .32 草鱼 第五章 草鱼 草鱼 一 种 改 进 型 的 无限长 数 字 滤 波 器 设计 . .33 草鱼 草鱼 草鱼 5.1 滤波器设计的改进方法 草鱼 . .33 草鱼 5.1.1 草鱼 Matlab 草鱼 Link 草鱼 for 草鱼 CCS 草鱼 Development 草鱼 Tools 简介 . .33 草鱼 5.1.2 数字滤波器的系统级设计方法 . .33 草鱼 5.1.3 草 鱼 草鱼 结论 . .34 草鱼 参考文献 . .35 草鱼 致 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 谢 . .36草鱼 草鱼 草

13、鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 引 草鱼言 草鱼 草鱼 键入文字 1 1.1 数字滤波器的背景及意义 草鱼 数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统 ， 鲤鱼 通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的 。 草鱼 根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类 ：pork无限冲激响应（ 无限长 ）滤波器和有限冲激 响应（ 无限长 ）滤波器 。 草鱼 与 无限长 滤波器相比 ， 鲤鱼 无限长 的实现是非递归的 ， 鲤鱼 总是稳定的 ； pork更重要的是 ， 鲤鱼 无限长 滤波器在满足幅频响应要求的同时 ， 鲤鱼 可以获得严格的线性相位特性 。 草鱼 因此 ， 鲤

14、鱼 它在高保真的信号处理 ， 鲤鱼 如数字音频 、 pork图像处理 、 pork数据传输 、 pork生物医学等领域得到广泛应用 。草鱼 信号处理是科学研究和工程技术许多领域都需要进行的一个重要环节 ， 鲤鱼 这种处理包括信号的检测 、 pork变换 、 pork滤波 、 pork压缩 、 pork传输 、 pork信息提取 、 pork显示等 。 草鱼 由于自然界中的各 种信号 ， 鲤鱼 例如光 、 pork电 、 pork声 、 pork振动 、 pork压力 、 pork温度等通常表现为在时间和幅度上都是连续的模拟信号 ， 鲤鱼 因此传统上对信号的处理大都采用模拟系统 (或电路 )来实

15、现 。 草鱼 随着人们对信号处理要求的日益提高 ， 鲤鱼 以及模拟信号处理中一些不可克服的缺点 ， 鲤鱼 对信号的许多处理转而采用数字的方法来进行 。 草鱼 近年来由于大规模集成电路和计算机技术的进步 ， 鲤鱼 信号的数字处理技术得到了飞速发展 。 草鱼 数字信号处理系统无论在性能 、 pork可靠性 、 pork体积 、 pork耗电量 、 pork成本等诸多方面都比模拟信 号处理系统优越得多 ， 鲤鱼 使得许多以往采用模拟信号处理的系统越来越多地被数字处理系统所代替 ， 鲤鱼 这反过来进一步促进了数字信号处理技术的发展 ， 鲤鱼 其应用领域包括通信 、pork计算机网络 、 pork雷达

16、、 pork自动控制 、 pork地球物理 、 pork声学 、 pork天文 、 pork生物医学 、 pork消费类电子产品等国民经济的各个部门 ， 鲤鱼 已经成为信息产业的核心技术之一 。 草鱼 数字信号处理的理论与技术本身也成为信号与信息处理学科中一个重要且十分活跃的分支 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 数字信号处理本质上是利用数学的方法和 数字系统来实现对信号的处理 ， 鲤鱼它主要研究两个方面的问题 ： pork其一是研究信号处理的各种处理算法 ， 鲤鱼 即建立数学模型 ； pork其二是算法的实现 ， 鲤鱼 包括采用计算机软件实现 ， 鲤鱼 或采用专用的数字系统实现 。 草鱼

17、 目前 ， 鲤鱼 随着数字化的深入 ， 鲤鱼 许多新型的器件 ， 鲤鱼 如数字信号处理单片机（ DSP）和各种专用集成芯片（ ASIC） ， 鲤鱼 在数字信号处理系统的实现中扮演了越来越重要的角色 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 算法的研究是信号处理的基础 ， 鲤鱼 从数学的角度而言 ， 鲤鱼 信号可分为确定信号与随机信号 、 pork线性与非线 性信号 。 草鱼 信号的类型不同 ， 鲤鱼 对它们进行处理的算法也就不同 。 草鱼 从传统的傅里叶分析到现代的谱估计方法和小波分析 ， 鲤鱼 从经典的线性系统分键入文字 2 析方法到非线性的混沌分析与人工神经网络方法 ， 鲤鱼 其应用的数学方法

18、几乎涉及到了所有的数学分支 。 草鱼 同时由于应用的领域不同 ， 鲤鱼 信号处理的算法也各不相同 ， 鲤鱼例如 ， 鲤鱼 语音通信需要处理一维的信号 ， 鲤鱼 图像与视频处理则分别需要处理二维和三维的信号 。 草鱼 因此算法研究是一个理论性很强的问题 。 草鱼 另一方面 ， 鲤鱼 数字信号处理系统的实现要涉及电子器件 、 pork计算机硬件 、 pork软件 、 pork工艺等各方面知识 ， 鲤鱼 并且随着时间的推移 ， 鲤鱼 新的器件还在不断地涌现 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 数字信号处理是一个内容十分丰富 、pork涉及面广泛且发展很快的学科 。 草鱼 本书作为电子信息类本科生对数字信号处理

19、的入门性的教材 ， 鲤鱼 限于篇幅 ， 鲤鱼 将仅着重讨论离散线性时不变确定信号与系统的基本理论与分析方法 ， 鲤鱼 这也是进一步学习所有其他类型数字信号处理的基础 。 草鱼 本 课题 主要介绍数字信号处理的基本理论与分析方法 以及 目前在国内外获得广泛应用的MATLAB 软件包及其信号处理工具箱的使用方法 。 草鱼 草鱼 1.2 内容 草鱼 本文通过设计 实例 ， 鲤鱼 介绍了利用 MATLAB 实现 草鱼 无限长 滤波器设计与滤波的三种方法 ， 鲤鱼 从仿真结果可以看出它们均可以达到技术指标要求 ， 鲤鱼 而且方法简单 、 pork快捷 ，鲤鱼 大大减轻了工作量 。 草鱼 滤波器的设计工作

20、完成后 ， 鲤鱼 可以借助于 MATLAB 的 export操作导出所设计滤波器的系统函数 H(z)。 草鱼 由于 MATLAB 具有强大的接口功能 ， 鲤鱼仿真后的结果可以很方便的移植到 DSP、 porkCPLD 或 FPGA 等器件中 。 草鱼 在实际应用中 ,只需按要求修改滤波器参数 ,并对程序作较少的改动 ,即可实现不同截止频率的无限长 滤波器 ,实用 性较强 。 草鱼 其中 介绍了利用 MATLAB 信号处理工具箱进 无限长滤波器设计的三种方法 ： pork程序设计法 、 porkFDATool 设计法和 SPTool 设计法 ， 鲤鱼 给出了详细的设计步骤 ， 鲤鱼 并将设计的滤

21、波器应用到一个混和正弦波信号 ， 鲤鱼 以验证滤波器的性能 。 草鱼 全 文 共 5 章 。 草鱼 第 2 章 作为数字信号处理的基础 ， 鲤鱼 介绍 FDATool.程序设计法 .Simulink 仿真 草鱼 及 SPTool设计法 等 以及介绍了 基于 MATLAB的三种实现方法 及频率特性 。 草鱼 第 3-4 章 介绍数字滤波器的结构 、 pork无限长 与 无限长 滤波器的设计方法 ， 鲤 鱼 这些都是数字信号处理的必修内容 。 草鱼 第 5章主要介绍了 无限长 数字滤波器改进型的设计 方法 。 草鱼 草鱼 数字滤波器的 MATLAB 设计 草鱼 草鱼 数字滤波器是具有一定传输选择特

22、性的数字信号处理装置 ,其输入 、 pork输出均为数键入文字 3 CC 2 2| ( )|jHe0 A CC2 2 | ( )|jHe0 A 1 1 222 2 | ( )|jHe0 A 2 2 0 A 低通 高通 带通 全通 字信号 , 实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离 散系统 。 草鱼 它的基本工作原理是利用离散系统特性对 系统输入信号进行加工和变换 ,改变输入序列的频谱或信号波形 ,让有用频率的信号分量通过 ,抑制无用的信号分量输出 。 草鱼数字滤波器和模拟滤波器有着相同的滤波概念 ,根据其频率响应特性可分为低通 、 pork高通 、 pork带通 、 pork带阻等类型

23、,与模拟滤波器相比 ,数字滤波器除了具有数字信号处理的固有优点外 ,还有滤波精度高 (与系统字长有关 )、 pork稳定性好 (仅运行在 0与 l 两个电平状态 )、 pork灵活性强等优点 。 草鱼 数字滤波器按单位脉冲响应的性质可分为无限长单位脉冲响应滤波器 无限长 和有限长单位脉冲响应滤波器 (无限长 )两种 。 草鱼 本文介绍 (无限长 )和（ 无限长 ） 数字滤波器的设计与分析 。 草鱼 草鱼 2. 草鱼 数字滤波器的基本概念 草鱼 1.数字滤波器按功能分为低通 、 p ork高通 、 pork带通 、 pork带阻 、 pork全通滤波器 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2.由序

24、列傅氏变换公式可知 ， 鲤鱼 草鱼 离散信号的傅氏变换是的 草鱼 函数 ， 鲤鱼 周期为 2 。 草鱼 只需研究 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 ， 鲤鱼 不需要在整个 草鱼 轴上分析其信号 草鱼 。 草鱼 所以 ， 鲤鱼 草鱼 数字滤波器的通带分布如下 ： p ork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草 鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.1 草鱼 草鱼 MATLAB 的设

25、计方法 草鱼 MATLAB 的设计方法包括四种 ， 鲤鱼 分别是 FDATool， 鲤鱼 程序设计法 ， 鲤鱼 Simulink 仿真 ，( ) ( )1( ) ( )2j jnnj jnX e x n ex n X e e d 键入文字 4 鲤鱼 SPTool 设计法 。 草鱼 其中 FDATool（ Filter 草鱼 Design 草鱼 por k 草鱼 草鱼草鱼 fs=1000;por kfc1=70;por kfc2=84;pork%定义滤波器阶数 96 阶 草鱼 w1=2*pi*fc1/fs;por k草鱼 w2=2*pi*fc2/fs;pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼

26、 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 %参数转换 ， 鲤鱼 将模拟滤波器的技术指标 转换为数字滤波器的技术指标 草鱼 window=hamming(c+1);por k 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 %使用 hamming 窗函数 草鱼 h=无限长 1(c,w1/pi 草鱼 w2/pi,window);por k 草鱼 草鱼 %使用标准响应的加窗设计函数 无限长 1 草鱼 freqz(h,1,512);por k 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 %数字滤波器频率响应 草鱼 %在 MATLAB 环境下运行该程序即可得到滤波器幅频相频响应曲线和 滤波器系数 。 草鱼草鱼