数字滤波器的仿真与实现外文翻译523.docx

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数字滤波器的仿真与实现外文翻译523

江西理工大学应用科学学院

毕业设计（论文）外文资料翻译

系：

信息工程系

专业：

通信工程

班级：

092

姓名彭凯华

学号：

08060409231

附件：

1.外文资料翻译译文；2.外文原文。

指导教师评语：

签名：

年月日

附件一：

外文资料翻译译文

数字滤波器的仿真与实现

当今，数字信号处理技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科；它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连；它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们的普遍关注。

数字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、射电天文信号、控制信号、气象信号、遥感遥测信号，等等。

上述信号大部分是模拟信号，也有小部分数字信号。

模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维或多维的。

大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化（采样）和幅度上的离散化（量化），这类模拟信号便成为一维数字信号。

因此，数字信号实际上是用数字序列表示的信号，语音信号经采样和量化，得到的数字信号是一个一维离散的时间序列；而图像信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散空间序列。

数字信号处理，就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。

例如，对数字信号经过滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰，或将他们与其他信号进行分离；对信号进行频谱分析或功率谱分析以了解信号的频谱组成，进而对信号识别；对信号进行某种变换，使之更适合传输、存储和应用；对信号进行编码以达到数据压缩的目的，等等。

数字滤波技术是数字信号分析、处理技术的重要分支。

无论是信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号安全可靠和有效灵活地传输是至关重要的。

在所有的电子系统中，使用最多技术最复杂的要算数字滤波器了，数字滤波器的优劣直接决定产品的优劣。

在信号处理过程中，所处理的信号往往混有噪声，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号处理和传输中十分重要的问题。

根据有用信号和噪音的不同特性，提取有用信号的过程称为滤波，实现滤波的系统称为滤波器。

在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器的应用极为广泛，这里只列举部分应用最成功的领域。

（1）语音处理

语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。

该领域主要包括5个方面的内容：

第一，语音信号分析。

即对语音信号的波形特征、统计特征、模型参数等进行分析计算；第二，语音合成。

即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音；第三，语音识别。

即用专用硬件或计算机识别人讲的话，或者识别说话的人；第四，语音增强。

即从噪音或干扰中提取被掩盖的语音信号。

第五，语音编码。

主要用于语音数据压缩，目前已经建立了一系列语音编码的国际标准，大量用于通信和语音处理。

近年来，这5个方面都取得可不少的研究成果，并且，在市场上已出现了一些相关的软件和硬件产品。

例如，盲人阅读器、哑人语音合成器、口授打印机、语音应答机，各种会说话的仪器和玩具，以及通信和视听产品大量使用的音频编码技术。

（2）图像处理

数字滤波技术以成功地应用于静态图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识别以及层析X射线摄影，还成功地应用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图像成像。

（3）通信

在通信技术领域内，几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。

信源编码、信道编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等，都广泛应用数字滤波器，特别是在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中，离开了数字滤波器，几乎寸步难行。

其中，被认为是通信技术未来发展方向的软件无线电技术，更是以数字滤波器为基础。

（4）电视

数字电视取代模拟电视已是必然趋势。

高清晰度电视的普及指日可待，与之配套的视频光盘技术已经形成具有巨大市场的产业；可视电话和会议电视产品不断更新换代。

视频压缩和音频压缩技术所取得的成就和标准化工作，促成了电视领域产业的蓬勃发展，而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。

（5）雷达

雷达信号占有的频带非常宽，数据传输速率也非常高，因而压缩数据量好降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。

高速数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。

在现代雷达系统中，数字信号处理部分是不可或缺的，因为从信号的产生、滤波、加工到目标参数的估计和目标成像显示都离不开数字滤波器技术。

雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。

（6）生物医学信号处理

数字滤波器在医学中的应用日益广泛，如对脑电图和心电图的分析、层析X射线摄影的计算机辅助分析、胎儿心音的自适应检测等。

（7）其他领域

数字滤波器的应用领域如此广泛，以至于想完全列举他们是根本不可能的，除了以上几个领域外，还有很多其他的应用领域。

例如，在军事上被大量应用于导航、制导、电子对抗、战场侦测；在电力系统中被应用于能源分布规划和自动检测；在环境保护中被应用于对空气和噪声干扰的自动检测；在经济领域中被应用于股票市场预测和经济效益分析，等等。

数字滤波器介绍：

模拟和数字滤波器

在信号处理、过滤功能是一个不排除部分信息,如随机噪音、提取有用的信号部分,如部分地势在一定的频率范围.

有两大类型的过滤,模拟以及数字。

他们是完全不同的物理结构,如何工作.类比电子电路模拟用的过滤部分组成,例如由电阻、电容opamps和生产所需的过滤效果.这种过滤器被广泛使用的电路减少噪音等方面的应用,提高视频信号、图像均衡的高科技传真系统等众多领域.有完善的技术标准设计的模拟电路进行过滤特定要求.在各个阶段,是一个信号,是电机电压和过滤,目前直接的物理模拟量（例如声音或视频信号和变频器生产）处理.数码过滤用数字进行数值计算处理器的信号抽样值.处理器的可能通用计算机等PC或专业发展计划图（数字信号处理器）芯片.模拟信号必须先投入使用的取样和数码艺术发展局（模拟到数字转换器）.由此二元多,占抽样连续输入信号的价值,转移到处理器,进行数字计算.这些计算通常涉及多方面的投入和增加产品价值的共同因素.如有必要,这些计算结果,现在是抽样信号值的过滤,产出通过发展援助委员会（类比数位转换器来）信号转换回模拟形式。

滤波器是指用来对输入信号进行滤波的硬件或软件。

如果滤波器的输入、输出

都是离散信号，则该滤波器的冲击响应也必然是离散的，这样的滤波器定义为数字滤波器。

数字滤波器的功能，就是把输入序列X通过一定的运算变换成输出序列Y。

根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性，可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激相应IIR滤波器和有限长冲激响应FIR滤波器。

IIR数字滤波器的优点是可以利用模拟滤波器设计的结果，而模拟滤波器的设计有大量图表可查，方便简单。

它的缺点是相位的非线性；若需要线性相位，则要采用全通网络进行相位校正。

图象处理以及数据采集传输都要求滤波器具有线性相位特性。

而FIR数字滤波器可以实现线性相位，又可具有任意幅度特性。

从数字滤波器的单位冲击响应来看，可分为两大类：

有限冲击响应（FIR）数字滤波器和无限冲击响应（IIR）数字滤波器。

FIR滤波器却可以得到严格的线性相位，然而由于FIR滤波器的系统函数的极点固定在原点，所以只能用较高的阶数来实现其高选择性，对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数要比IIR高5至10倍，所以成本较高，信号延迟也较大。

但是如果要求相同的线性相位，则IIR滤波器就必须加全通网络进行相位校正，同样也要增加滤波器网络的节数和复杂性。

FIR滤波器可以用非递归的方法实现，在有限精度下不会产生振荡，同时由于量化舍入以及系数的不确定性所引起的误差的影响要比IIR滤波器小的多，并且FIR滤波器可以采用FFT算法，运算速度快。

但是不象IIR滤波器可以借助模拟滤波器的成果，FIR滤波器没有现成的计算公式，必须要用计算机辅助设计软件（如MATLAB）来计算。

由此可知，FIR滤波器应用比较广，而IIR滤波器则用在相位要求不是很严格的场合。

滤波器从功能上分又可分为如下4类:

（1）低通滤波器（LPF）；

（2）高通滤波器（HPF）；

（3）带通滤波器（BPF）；

（4）带阻滤波器（BSF）。

理想滤波器的幅频特性下图虚线为：

2、MATLAB介绍：

MATLAB是矩阵实验室（Matrix　Laboratory）之意。

除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB作为世界顶尖的数学应用软件，以其强大的工程计算、算法研究、工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能，在航空航天、机械制造和工程建筑等领域发挥着越来越重要的作用。

而C语言功能丰富，使用灵活方便，目标程序效率高。

既有高级语言的优点，又有低级语言的特点。

因此，C语言是目前应用最广的编程语言。

虽然MATLAB是一个完整的、功能齐全的编程环境，但在某些情况下，与外部环境的数据和程序的交互是非常必须而且有益的。

利用MATLAB设计滤波器，可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数，直观简便，极大的减轻了工作量，有利于滤波器设计的最优化。

在电力系统微机保护和二次控制中，很多信号的处理与分析都是基于正旋基波和某些整次谐波而进行的，而系统电压电流信号（尤其是故障瞬变过程）中混有各种复杂成分，所以滤波器一直是电力系统二次装置的关键部件。

目前微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。

传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器时工作量很大。

利用MATLAB信号处理箱可以快速有效地实现数字滤波器的设计与仿真。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）。

工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。

开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。

3、数字滤波器的设计

数字滤波器设计的基本要求

数字滤波器设计要经过三个步骤：

（1）确定指标：

在设计一个滤波器前，必须有一些指标。

这些指标要根据应用确定。

在很多实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作。

因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。

幅度指标主要以两种方式给出。

第一种是绝对指标。

它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器的设计。

第二种指标是相对指标。

它以分贝值的形式给出要求。

在工程实际中，这种指标最受欢迎。

对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带中人有线性相位。

运用线性相位响应指标进行滤波器设计具有如下优点：

①只包含实数算法，不涉及复数运算；②不存在延迟失真，只有固定数量的延迟；③长度为N的滤波器（阶数为N-1），计算量为N/2数量级。

（2）模型逼近：

一旦确定了指标，就可利用前面学习过的基本原理和关系式，提出一个滤波器模型来逼近给定的指标体系。

（3）实现：

上面两步的结果得到的滤波器，通常是以差分方程、系统函数或脉冲响应来描述的。

根据这个描述用硬件或者计算机软件来实现它。

4、FPGA介绍：

可编程逻辑器