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本科毕业调研报告模板
本科毕业设计调研报告
题目
基于DSP数字滤波器设计
学生姓名
符开云
指导教师
周扬
学院
信息科学与工程学院
专业班级
电子信息0902
完成时间
2013年3月19日
目录
一、课题研究的背景及意义2
1.1背景2
1.2意义3
1.3发展动态3
二、数字滤波器设计4
2.1数字滤波器的相关理论4
2.2数字滤波器设计的关键技术5
2.2.1关键技术6
2.2.2设计步骤7
2.2.3集成开发环境（CCS）8
三、课题设计目标及任务分析8
四、设计方案的选择9
4.1窗函数法设计原理9
4.2窗函数的选取10
4.3窗函数法设计步骤10
五、进度预期11
六、参考文献11
一、课题研究的背景及意义
1.1背景
当今，数字信号处理（DSP）技术正在飞速的发展，不但自己有很好的发展前景，而且更是以不同的方式影响着其它各方面的发展，数字化、智能化和网络化是当代信息技术的发展趋势，而数字化是智能化、网络化的基础。
实际生活中，数字电视、消费类电子、家用电器等很多都是数字化的产物，因此数字信号处理影响着或改变着我们的生活生产方式，受到人们的广泛关注。
DSP（DigitalSignalProcessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性，而其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。
数字滤波器是数字信号处理领域中的重要课题之一，其工程应用价值较高，一直以来都是电子、通信等领域关注和研究的核心问题之一，并且广泛运用于电子信息的各个行业。
1.2意义
数字滤波器在数字信号处理中有着十分重要的作用，它是通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。
相对于模拟滤波器来说，没有漂移，能够处理低频信号，容易集成等，这些优势使得数字滤波器得到了广泛运用。
同时，由于DSP、FPGA的迅速发展，促进了数字滤波器的发展。
基于DSP的数字滤波器具有速度快、精度高、保持线性相位等优点，是数字信息系统不可获取的器件。
1.3发展动态
近年来，随着数字化进程的加快，对数字信号的处理能力成为了数字化进程的阻碍之一，对数字信号的出来能了制约着数字家电等数字化设备的推广，如果数字信号处理能力不能够满足人们日常生活的需要，那数字化的进程将会被大大的制约。
而且，对数字信号的分析处理远远比对模拟信号的分析处理容易的多，通过数字化之后，信号更容易保证失真越小的传输到目的地。
数字滤波技术是数字信号处理中的一种关键技术，数字滤波技术能很大程度的减少干扰，减轻处理器的负荷，同时，DSP处理器诞生，使得处理器的负荷得到大大的减轻，同时加快了处理速度，处理精度的到了提到。
因此，基于DSP或者FPGA等的数字技术等到了大家的认可，具有广泛的发展前景。
二、数字滤波器设计
所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的对比比例，或者滤除某些频率成分的数字器或者程序。
因此，数字滤波的概念和模拟滤波的概念相同，知识信号的形式和实现滤波的方法不同，，正因为数字滤波通过数值运算实现滤波，所以数字滤波处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能。
2.1数字滤波器的相关理论
按照不同的分类方法，数字滤波器有许多种类，当总的来说可以分为两大类：
经典滤波器和现代滤波器。
经典滤波器的特点是其输入信号中有用的信号频率成分和希望滤除的频率成分各自占有不同的频带，通过一个合适的选频滤波器滤除干扰，得到纯净信号，达到滤波的目的。
但是，信号的干扰的频谱相互重叠，通过经典滤波器将不能有效的滤除干扰。
只能通过现代滤波器才能实现。
经典滤波器从滤波特性上可以分为低通、高通、带通、带阻等滤波器。
数字滤波器从实现的网络结构或者从单位脉冲响应长度分类，可以分为无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器和有限长单位脉冲滤波器（FIR）。
它们的系统函数如下所示：
上式为N阶IIR数字滤波器系统函数。
上式为N-1阶FIR数字滤波器系统函数。
总而言之，根据不同的角度对滤波器进行分类，将会得到不同称谓的滤波器，但是滤波器的功能是不变，即滤除信号中不需要的成分。
2.2数字滤波器设计的关键技术
2.2.1关键技术
2.2.1.1数字滤波器的技术指标
数字滤波器的特性如下：
其中，
为幅频特性，
为相频特性。
幅频特性反映的是信号通过滤波器后频率成分振幅的衰减情况，相频特性反映的是信号通过滤波器后在时间上的延迟情况，一般，设计滤波器时不对相频特性作要求，除特殊情况（如图像处理、波形传输等）需要对相频特性做相应要求。
由于理想滤波器是不存在的，因此，只能设计近似于理想的滤波器，因此，存在误差，因此实用中通带和阻带都允许一定的误差容限，即通带不是绝对衰减到零。
此外，按照要求，在通带与阻带之间还应该设置一定宽度的过渡带。
、
分别为通带边界频率和阻带截止频率。
即
到
之间为过渡带。
用
分别表示通带内最大衰减和阻带内最小衰减。
则有低通滤波器中表示如下：
=20
dB0
=20
dB
显然，
越小，通带波纹越小，通带逼近误差就越小，
越大，阻带波纹越小，阻带逼近误差就越小；
与
间距越小，过渡带就越窄。
对于选频型滤波器，一般对通带和阻带内的幅频响应曲线形状没有具体要求，只要求其波纹幅度小于某个常数，通常将这种要求称之为“片段常数特性”，即“通带波纹幅度”和“阻带波纹幅度”，与通带最大衰减和最带最小衰减。
2.2.1.2数字滤波器设计方法
IIR滤波器设计方法有直接法和间接法。
直接法直接是在频域或者时域中设计数字滤波器，由于需要解联立方程，因此需要计算机辅助设计。
间接法是借助模拟滤波器的设计方法设计的。
由于采用间接法设计IIR滤波器只考虑了幅频特性，因此必须另外增加相位校正网络，而且难以得到严格的线性相位特性。
FIR滤波器设计不能采用间接法设计，只能采用直接法设计。
FIR滤波器设计是选择有限长度序列
，使频率响应函数
满足所需要的技术指标要求。
一般设计方法有窗函数法、频率采样法、切比雪夫等波纹逼近法。
2.2.2设计步骤
间接法（IIR）设计数字滤波器是根据模拟滤波器的设计思路来设计的，借助模拟滤波器的频率变换设计一个所需类型的过渡模拟滤波器，再通过相应的变换方法转换成所需要的数字滤波器，具体步骤如下：
（1）确定所需类型数字滤波器的技术指标。
（2）将所需类型的数字滤波器的边界频率转换成相应类型模拟滤波器的边界频率，转换公式如下所示。
（3）将相应类型模拟滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器技术指标。
（4）设计模拟低通滤波器。
（5）通过频率变换将模拟低通转换成相应类型的过渡模拟滤波器。
（6）采用双线性变换法将相应类型的过渡滤波器转换成所需类型的数字滤波器。
直接法设计数字滤波器都会有特定的设计公式。
2.2.3集成开发环境（CCS）
本课题是基于DSP平台的设计，运用的TI公司的CCS软件平台直接在PC机上模拟DSP，完成DSP的算法实现和调试。
CCS是一种针对DSP的集成开发环境，其工作于windows操作系统下，采用图形接口界面，提供环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。
三、课题设计目标及任务分析
1、掌握数字滤波器设计与验证的原理
2、掌握DSP设计的方法、开发与仿真环境
3、选择特定DSP器件与开发环境设计可配置的数字滤波器，并验证设计
四、设计方案的选择
由于现在使用的通信系统大多是线性相位系统，因此，设计的滤波器也应该属于线性相位滤波器。
对于线性相位滤波器的设计，大多采用FIR滤波器设计法设计。
可以证明，FIR滤波器的单位脉冲响应满足一点条件时，其相位特性在整个频带都是严格线性的，这是模拟滤波器无法满足的。
虽然可以使用IIR滤波器实现，但是，必须使用全通网络对其非线性相位特性进行校正，这样会增加设计和实现的发杂性。
此次设计欲设计FIR数字滤波器，可以采用窗函数法、频率采样法、切比雪夫等方法进行设计。
4.1窗函数法设计原理
设计希望逼近的滤波器频率响应函数为
其单位脉冲响应为
有
如果能够由已知的
求出
，经过Z变换可得到滤波器的系统函数。
但是以理想滤波器为原型设计时，由于理想滤波器是无限长的，而且是非因果的，因此，只能将
序列截取其中一段，并保证截取的一段关于n=（N-1）/2,偶对称，保证所设计的滤波器具有线性相位。
即
，其中，
是一个N长度的矩形序列。
实际所需设计的滤波器的单位脉冲响应为h（n），长度为N，系统函数为H（z）,
上述所述是使用一个有限长序列去替换无限长序列，这样无可避免的会产生误差，序列越长，误差越小，因此，在满足技术的条件下，设计滤波器时应该选取合适的序列长度。
4.2窗函数的选取
由于实际信号波形的不同，因此，再设计滤波器时需要根据不同的波形设计相应的滤波器，常用的滤波器窗口模式有：
矩形窗、三角形窗、汉宁窗（升余弦窗）、哈明窗（改进的升余弦窗）、布莱克曼窗和凯瑟-贝塞尔窗，可以根据所需设计滤波器的技术指标选取合适的窗函数。
4.3窗函数法设计步骤
（1）根据对过渡带及阻带衰减的指标要求，选择窗函数的类型，并估计窗函数的长度N。
（2）构造希望逼近的频率响应函数
，即
（3）计算
。
（4）加窗得到设计结果：
。
五、进度预期
阶段
阶段内容
起止时间
1
毕业设计调研与查阅文献
2012-1-13至2012-1-19
2
掌握设计环境与概要设计
2013-2-24至2013-3-24
3
设计实现与测试
2013-3-25至2013-4-24
4
毕业论文撰写与答辩准备
2013-4-25至2013-6-15
六、参考文献
[1]高西全.数字信号处理[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2008.149,189~192,213
[2]周霖.DSP通信工程应用技术[M].北京:
国防工业出版社,2004.117~253
[3]刘益成.TMS320C54xDSP应用程序设计与开发[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2002.85~192
[4]RulphChassaing.DSPApplicationsUsingCandtheTMS320c6Xdsk[M].北京:
电子工业出版社，2005.79~89
[5]赵洪亮.TMS320C55xDSP应用系统设计[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2010.165~236
[6]清源科技.TMS320C54xDSP应用程序教程[Z].北京：
机械工业出版社，2004
[7]TexasInstruments.TMS320C54xDSPApplicationsProgrammer’sGuide.USA.TexasInstruments.2002
[8]张雄伟.DSP集成开发与应用实例.北京：
电子工业出版社，2002.
[9]高西全.MATLAB及在电子信息课程中的运用.北京：
电子工业出版社,2006.172~234
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