多速率滤波器的设计与实现.doc

毕业设计(论文) 题目 多速率滤波器 的设计与实现 学院(全称) 信息科学与工程学院 专业、年级 通信工程06级01班 学 生 姓 名 刘玉敏 学号 指 导 教 师 李益才 论文评阅人 重庆交通大学 2010年前 言 多速率信号处理是软件无线电系统中的基础理论，它通过插值和抽取改变数字信号的速率，以适应软件无线电系统中不同模块对信号速率的不同要求，是数字下变频和数字上变频的重要技术。多速率系统可以比单速率系统更有效的处理信号，这是因为多速率系统内部各点的抽样速率可以根据需要而设。将原始信号经过CIC抽取滤波器后，信号的速率得到了降低。信号经过CIC插值滤波器，信号的速率得到了提高。所以，可以通过插值和抽取滤波器改变信号的传输速率，以适应软件无线电系统中不同模块对信号速率的不同要求。 国内关于多速率数字信号处理理论研究比国外起步晚，基本是20世纪90年代初期才开始系统的研究。其中具有代表性的是清华大学宗孔德教授的著作，书中系统、详细的介绍了多速率系统抽取、内插、多相结构和滤波器组等基础理论。随后，很多学者对该领域的某些问题进行了专门研究。首先，在A/D转换中，多速率滤波通过研究模拟、数字混合滤波器来代替纯数字滤波器得到了优秀的结果。其中一种最直接的应用是将内插器和抽取器应用于多路高速并行A/D转换，并由此推广了结合QMF滤波器的高速A/DC等。多速率理论还使采样理论得到了新的发展，完善了传统的Nyquist采样定理。另外，由于内插滤波器的基本原理是在被处理信号的采样结果中内插零，作为处理数据进行滤波，这使得其在通信、信号处理等领域中有着广泛的应用。例如在第三代移动通信系统WCDMA中，用内插滤波器对基带信号进行脉冲成形滤波，以限制发送信号的带宽，降低射频信道的带外干扰。多速率信号处理的很多应用都是基于滤波器组而实现的。滤波器组最初用于语音压缩，后来逐渐应用于图像、视频的压缩。滤波器组通过将信号分成不同的子带，然后根据不同子带包含的信息量的不同来分别进行处理，通过压缩某些不太重要的信息即可实现压缩。因此，多年以来滤波器组理论在音、视频信号压缩领域一直倍受关注。 CIC滤波器具有结构简单、实现方便及性能优良的特点。但在具体实现的过程中，它的设计必须要考虑一个重要的指标就是抗混叠问题；并且设计多级CIC滤波器要注意防止溢出所导致的数据丢失。并且在CIC抽取和插值滤波器的FPGA实现过程中，M倍抽取和插值是如何实现的？这些问题将成为本论文需要解决的主要问题。因此，本文将重点研究CIC抽取和插值滤波器的实现过程，详细分析matlab仿真以及FPGA仿真各个模块的设计原理，对所遇到的问题进行分析与解决。 本论文主要有六个部分： 第1章阐述了本课题的研究背景、研究现状与趋势、研究的主要内容以及论文结构的安排； 第2章详细介绍了多速率信号处理的理论基础，主要包括整数倍抽取、整数倍插值、noble恒等式、用有理数因子进行采样率转换以及信号的多相分解基本理论； 第3章阐述了CIC滤波器的基本结构并对其性能进行了详细的分析，主要包括单级和多级CIC滤波器的实现，单级和多级CIC滤波器的幅频特性。 第4章对CIC滤波器进行分析和设计，并对其进行Matlab仿真与分析； 第5章在Matlab仿真的基础上，提出CIC抽取和插值滤波器的FPGA实现方案，并进行FPGA的仿真实验。 第6章结论与展望。 论文重点研究了CIC抽取滤波器和CIC插值滤波器的实现过程，并着重阐述了其工作原理、数学模型的建立、CIC滤波器Matlab仿真以及FPGA仿真的各个模块的设计原理及实现。 由于笔者水平有限，难免有不尽人意之处，有改进的地方，恳请读者批评指正。 目　录 中文摘要 I 英文摘要 II 第1章 绪论 1 1.1 论文的研究背景与现状 1 1.2 论文研究的目的及意义 1 1.3 论文的研究内容 2 1.4 论文的内容安排 2 第2章 多速率信号处理理论基础 3 2.1 整数倍抽取 3 2.2 整数倍内插 6 2.3 noble恒等式 8 2.4 用有理数因子进行采样率转化 9 2.5 信号的多相分解基本理论 9 2.6 本章小结 11 第3章 CIC滤波器的基本结构及性能分析 12 3.1 单级CIC滤波器的实现 12 3.1.1 CIC滤波器的时域实现 12 3.1.2 CIC滤波器的Z域实现 13 3.2 单级CIC滤波器的幅频特性 15 3.3 多级CIC抽取滤波器的实现 17 3.3.1 多级CIC抽取滤波器的基本结构 17 3.3.2 多级CIC抽取滤波器的寄存器位数分析 19 3