基于Matlab 16阶FIR低通滤波器的设计 毕业设计论文.docVIP

1 绪 论 1.1 引言 滤波技术是信号分析、信号处理技术中的重要分支。无论是信号的获取、传输，还是信号的处理、转换都离不开滤波技术。滤波技术对信号安全可靠和有效灵活的传递至关重要【1】。 在电子系统中，由于滤波器的好坏直接影响系统的性能，所以滤波技术已成为备受关注而热门的课题，滤波器的研制已受到各国研究者越来越多的重视。 我国在上世纪50年代后期开始广泛使用滤波器，主要应用在报路和话路滤波。经过半个多世纪的发展，我国滤波器在研制、生产、应用等方面已进入国际发展轨道，但由于缺少专门研制机构，加之集成工艺和材料工业发展步伐的缓慢，使得我国在许多新型滤波器的研制和应用方面与国外仍有较大的差距【2】。数字滤波器是对离散时间信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统。数字滤波器一般由寄存器、延时器、加法器和乘法器等基本数字电路来实现。数字滤波器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。随着集成电路技术的发展，数字滤波器性能不断提高而成本却不断降低。数字滤波器在语音信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。随着电子计算机和大规模集成电路技术的发展，数字滤波器可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现，数字滤波器已具备了高精度、高可靠性、可程控改变性或复用、便于集成等众多优点【3】。 按照数字滤波器（DF）的特性，可分为线性与非线性、因果与非因果、无限长冲激响应(IIR)与有限长冲激响应(FIR)等类型。在这些滤波器中，线性时不变的数字滤波器是最基本的类型。由于数字系统可以对延时器加以利用，因此若在数字滤波器中引入一定程序的非因果性，就可获得比传统的因果滤波器更灵活强大的特性。相对于IIR滤波器，FIR滤波器具有易于实现和系统绝对稳定的优势，因此得到广泛的应用【4】。 1.2 国内外研究现状 在国内外的研究中，设计FIR滤波器所涉及的乘法运算方式有：并行乘法、位串行乘法和分布式算法的乘法。 并行乘法虽然速度快，同时占用的硬件资源极大。如果滤波器的长度增加，乘法器位数也将变大，硬件规模将变得十分庞大。 位串行乘法器的实现方法主要是通过对乘法运算进行分解，用加法器来完成乘法的功能，也即无乘法操作的乘法器。但由于一个8*8位的乘法器输出为16位，为了得到正确的16位结果，串行输入的二进制补码数要进行符号位扩展，即将串行输入的8位二进制补码前补8个0(对正数)或8个1(对负数)后才输入乘法器。如果每一位的运算需要一个时钟周期的话，这个乘法器需要16个时钟周期才能计算出正确结果，这就意味着此类乘法器要完全计算出结果的延迟必将会很大【5】。所以位串行乘法器虽然使得乘法器的硬件规模达到了最省，但是由于是串行运算，使得它的运算周期过长，速度与规模折衷考虑时不是最优的。 分布式算法(distributed arithmetic，AD)的主要特点是巧妙的利用ROM查找表将固定系数的乘累加(Multiply-accumulator，MAC)运算转化为查表操作，它与传统算法实现乘累加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。分布式算法在完成乘累加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的部分积预先进行相加形成相应的部分积，然后再对各个部分积累加产生最终结果【6】，而传统算法是等到所有乘积已经产生之后再来相加来完成乘累加运算的。就小位宽来说，AD算法设计的FIR滤波器的速度可以显著的超过基于MAC的设计。 相对于前两种方法，DA算法既可以全并行实现，又可以全串行实现，还可以串并行结合实现，可以在硬件规模和滤波器速度之间作适当的折中，是现在被研究的主要方法。 FIR数字滤波器的实现，大体可以分为软件实现和硬件实现方法两种。 软件实现方法即是在通用的微型计算机上用软件实现。利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，软件可由使用者自已编写，也可以使用现成的。国内外的研究机构、公司已经推出了不同语一言的信号滤波处理软件包。但是这种方法速度慢，难以对信号进行实时处理，虽然可以用快速傅立叶变换算法来加快计算速度，但要达到实时处理要付出很高的代价，因而多用于教学与科研【7】。 硬件实现即是设计专门的数字滤波硬件，采用硬件实现的方法一般都比采用软件实现方法要困难得多，目前主要采用的方法有以下几种【8】： （1）采用DSP(Digital Signal Processing)处理器实现 DSP处理器是专为数字信号处理而设计的，如TI公司的TMS32OCX系列，AD公司的ADSPZXI，ADSP210X系列等。它主要数字运算单元是一个乘累加器(Multiply-accumulator MAC)，能够在一个机器周期内完成一次乘累加运算，配有