FIR滤波器的设计.docx

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FIR滤波器的设计

FIR数字滤波器的设计

张欣

（陕西理工学院物电学院通信092班，陕西汉中723003）

指导教师：

郑争兵

[摘要]FIR数字滤波器：

有限长单位冲激响应滤波器，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。

基于DSPBuilder对FIR数字滤波器进行设计，根据FIR低通数字滤波器的原理与滤波特性，通过MATLAB/Simulink软件模拟一定性能的FIR滤波器频率响应与抽头系数,实现用软件描述硬件的动作及其功能。

结合DSPBuilder产生图形化建模仿真，分析此模型的正确性，进行参数设置，获得理想的滤波效果。

最后通过SignalCompiler把Silmulink的模型文件转换成硬件描述语言VHDL文件，用QuartusII仿真下载，验证设计结果。

[关键词]VHDL;MATLAB;FIR数字滤波器;仿真

[中图分类号]TN702[文献标志码]A

DesignofFIRdigitalfilters

Zhangxin

（Grade06,Class1,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineeringShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,China）

Tutor：

ZhengZhengbing

[Abstract]FIRdigitalfilter:

afiniteimpulseresponsefilter,itcanensurethatanyincreaseinthefrequencycharacteristicsofbothastrictlinearphasefrequencycharacteristics,whileitsunitsampleresponseisfinite,andthereforethesystemfilterisstable.BasedontheDSPBuilderofFIRdigitalfilterdesign,accordingtotheFIRlow-passdigitalfilterprincipleandfilteringcharacteristics,throughtheMATLAB/SimulinksoftwaresimulationofcertainpropertiesoftheFIRfilterfrequencyresponseandthetapcoefficients,usingsoftwaretodescribetheactionandfunctionofthehardware.CombinedwithDSPBuildertoproducegraphicmodelingsimulation,analysisofthecorrectnessofthemodel,parametersetting,obtainidealfilteringeffect.FinallythroughtheSignalCompilerSilmulinkmodelfileisconvertedintoahardwaredescriptionlanguageVHDLfile,usingQuartusIIsimulation,validationofdesignresults.

[Keywords]：

VHDL;MATLAB;FIRDigitalfilter;simulation

1.绪论

1.1课题背景

1.1.1数字滤波器

在许多信息处理过程中，如对信号的过滤、检测、预测等，都要广泛地用到滤波器，而数字滤波器则因其设计灵活、实现方便等特点而广为接受。

所谓数字滤波器就是具有某种选择性的器件、网络或以计算机硬件支持的计算程序。

其功能本质是按事先设计好的程序，将一组输入的数字序列通过一定的运算后转变为另一组输出的数字序列，从而改变信号的形式和内容，达到对信号加工或滤波以符合技术指标的要求。

若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么，该滤波器的冲击响应（或滤波因子）也必然是离散的，我们称这样的滤波器为数字滤波器（DigitalFilter，DF）。

当用硬件实现一个DF时，所需的元件是延迟器、乘法器和加法器。

当在计算机上用软件实现时，它就是一段线性褶积（或卷积）的程序。

我们知道，模拟滤波器（AnalogFilter，AF）只能用硬件来实现，其元器件是R，L，C及运算放大器或开关电路。

因此，DF的实现要比AF容易的多，而且易获得较为理想的效果。

滤波器的种类很多，分类方法也不同，如可以从功能上分，也可以从实现方法上分，或从设计方法上来分等等。

但总的来说，滤波器可以分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。

经典滤波器是假定输入信号x（n）中的有效信号和噪声（或干扰）信号成分各在不同的频带，当x（n）通过一个线性滤波系统后，可以将欲噪声信号成分有效地去除。

可是，如果有效信号和噪声信号的频率带相互重叠，那么经典的滤波器将无能为力。

现在的地质雷达信号处理中的滤波器主要采用经典的滤波器进行处理。

因此有时滤波效果较好，有时较差。

现代滤波理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称为时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。

一旦信号被估计出，那么估计出的信号将比原信号会有高的信噪比。

现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征（如自相关函数、功率谱函数等等）导出一套最佳的估值算法，然后用硬件和软件实现。

目前现代滤波器主要有：

维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适应滤波器等。

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。

数字滤波器的应用现状与发展趋势：

（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。

对第二，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。

（2）图像处理

数字滤波技术以成功地应用于静止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

在现代通信技术领域内，几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。

采用数字滤波器，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,几乎是寸步难行。

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

（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。

（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，因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。

告诉数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。

（6）声纳

声纳信号处理分为两大类，即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理，有源声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。

（7）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。

（8）音乐

数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面，在对音乐信号进行编辑、合成、以及在音乐中加入交混回响、合声等特殊效果特殊方面，数字滤波技术都显示出了强大的威力。

  数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛地应用于各个科学技术领域,例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。

随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域。

以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。

而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，在前面部分已经提到，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。

1.1.2DSPBuilder软件及开发流程

DSPBuilder是一个系统级（或算法级）设计工具，它构架在多个软件工具之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度地发挥了两种工具的优势。

DSPBuilder依赖于MathWorks公司的数学分析工具Matlab/Simulink，以Simulink的Blockset出现，可以在Simulink中进行图形化设计和仿真，同时又通过SignalCompiler可以把Matlab/Simulink的设计文件（.mdl）转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件（.vhd）,以及用于控制综合与编译的TCL脚本。

而对后者的处理可以由FPGA/CPLD开发工具QuartusII来完成。

DSPBuilder是Altera推出的一个数字信号处理（DSP）开发工具，它在QuartusⅡFPGA设计环境中集成了MathWorks的Matlab和SimulinkDSP开发软件。

Altera的DSP系统体系解决方案是一项具有开创性的解决方案，它将FPGA的应用领域从多通道高性能信号处理扩展到很广泛的基于主流DSP的应用，是Altera第一款基于C代码的可编程逻辑设计流程。

Altera可编程逻辑器件（PLD）中的DSP系统设计需要高级算法和HDL开发工具。

AlteraDSPBuilder将TheMathWorksMATLAB和Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与VHDL综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具的集成。

　　DSPBuilder在算法友好的开发环境中帮助设计人员生成DSP设计硬件表征，从而缩短了DSP设计周期。

已有的MATLAB函数和Simulink模块可以和AlteraDSPBuilder模块以及Altera知识产权（IP）MegaCore功能相结合，将系统级设计实现和DSP算法开发相链接。

DSPBuilder支持系统、算法和硬件设计共享一个公共开发平台。

　　设计人员可以使用DSPBuilder模块迅速生成Simulink系统建模硬件。

DSPBuilder包括比特和周期精度的Simulink模块，涵盖了算法和存储功能等基本操作。

可以使用DSPBuilder模型中的MegaCore功能实现复杂功能的集成。

　　Altera还提供DSPBuilder高级模块集，这一Simulink库实现了时序驱动的Simulink综合。

　　AlteraMegaCore是高级参数化IP功能，例如有限冲击响应（FIR）滤波器和快速傅立叶变换（FFT）等，经过配置能够迅速方便的达到系统性能要求。

MegaCore功能支持Altera的IP评估特性，使您在购买许可之前，便可以验证功能及其时