《线性滤波器.doc

线性滤波的特性及滤波器设计与实现 线性滤波的特性及滤波器设计与实现 摘 要 数字滤波器是语音与图像处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件，它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限冲激响应(线性)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性。现场可编程门阵列FPGA器件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。随着科技的发展，电子电路的设计正逐渐摆脱传统的设计模式，而采用FPGA（现场可编程门阵列）来设计电子电路正成为设计的趋势。这是因为采用 FPGA 设计电子电路不仅开发时间短，资金投入相对少，且可将电路板级产品集成为芯片级产品。在数字信号处理中，滤波占有重要的地位。数字滤波在语音和图像处理、HDTV（高清晰电视）、模式识别、频谱分析等应用中经常用到。与模拟滤波相比，数字滤波具有很突出的优点。例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限长冲激响应（线性）滤波器，由于线性系统只有零点、系统稳定，便于实现FFT算法、运算速度快、线性相位的特性和设计更为灵活等突出优点而在工程实际中获得广泛应用。本文将研究基于设计线性数字滤波器。对几种改进算法分别进行必要的运算量与性能分析，并进行对比。最后，对文中所述插值算法做了总结。为了对算法的实现以及性能做一个分析，文中引入了MATLAB软件。 关键词：FPGA ； 线性滤波器 ； 窗函数 ； MATLAB 概述 课题背景 数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。作为数字信号处理的一项重要内容，数字滤波器是语音与图像处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件，它能满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限冲激响应(线性)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性。目前线性滤波器的实现方法有三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件和可编程逻辑器件实现。本文选用可编程逻辑器件实现线性滤波器。 现场可编程门阵列FPGA器件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。目前使用最多的可编程开发环境Quartus II 软件支持几乎所有的EDA（电子设计自动化）工具，并且可以通过命令行或Tcl脚本文件与第三方EDA工具之间进行无缝连接。但在很多工程设计应用中，由FPGA器件完成的主程序中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制形式输出的信号可视性差，给设计人员进行仿真、调试带来了很多不便。对于很多工程设计人员来说MATLAB是一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿真、分析功能的软件，如果能将FPGA与MATLAB接口，就可以快速、准确、直观地对FPGA程序进行校验和仿真，尤其在数字信号处理等工程应用领域具有实际意义。本文正是借助于MATLAB/Simulink工具设计分析线性数字滤波器，并实现对线性数字滤波器系统的模拟仿真。 近年来，FPGA市场开发十分迅速，各大FPGA厂商不断采用新技术来提高FPGA器件的容量，增强软件的性能。如今，FPGA器件广泛应用于通信、自动控制、信息处理等诸多领域，越来越多的电子设计人员在使用FPGA，熟练掌握FPGA设计技术已经是对电子设计工程师的基本要求。 第1章 数字滤波器的基本概念 所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输入信号所含频率成份的相对比例或者滤除某些频率成份的器件。因此，数字滤波器的概念和模拟滤波器相同，只是信号的形式和实现滤波方法不同。正因为该点的不同，数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配以及实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等优点。如果要处理的是模拟信号，可通过ADC和DAC，在信号形式上进行匹配转换，同样可以使用数字滤波器对模拟信号进行滤波。 数字滤波器是一个离散时间系统（按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置）。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即1／2抽样频率点呈镜像对称