fir滤波器的原理及设计
14页1、选题2 实验讲义实验名称:基于分布式算法的FIR滤波器设计1数字滤波器基础知识数字滤波是信号与信号处理领域的一个重要分支,在语音图像处理、模式识别、谱分析、无线通信等领域都有着非常广泛的应用。通过滤波运算,将一组输入数据序列转变为另一组输出数据序列,从而达到修正时域或频域中信号属性的目的。数字滤波器就是用于完成这种信号滤波功能,用有限精度算法来实现的一种离散时间线性时不变(LTI)系统。相比于模拟滤波器,数字滤波器具有以下优点:(1)数字滤波器的频域特性容易控制,性能指标优良;(2)数字滤波器可以工作在极低的频率,可以方便地实现模拟滤波器难以实现的线性相位系统;(3)数字滤波器工作稳定,一般不会受到外部环境的影响;(4)数字滤波器的灵活性和可重用性高,只需要简单编程就可以修改滤波器的特性,设计周期短。数字滤波器的实现可以采用专用DSP芯片,通过编写程序,利用软、硬件结合完成滤波器设计,也可以采用市面上通用的数字滤波器集成电路来实现,但这两种方法无法适应高速应用场合。随着集成电路技术的高速发展,FPGA应用越来越普及,FPGA器件具有芯片密度大、执行效率高,速度快,集成度高等优点,用FP
2、GA芯片作为滤波器的设计载体,可以实现高速信号滤波功能。1.1 FIR数字滤波器特点数字滤波器通常分为IIR(无限冲激响应)和FIR(有限冲激响应)两种。FIR滤波器具有以下特点:(1)可以做成严格的线性相位,同时又可以具有任意的幅度特性(2)单位冲激响应是有限长的,所以一定是稳定的,因此在实际中得到广泛的应用。1.2 FIR滤波器结构设FIR滤波器的单位冲激响应为,系统函数 差分方程形式为: (1)基本结构(直接型):图(1)FIR滤波器的基本结构1.3 结构简化当FIR滤波器具有严格线性相位时,满足或设N为偶数,令则(1)式可以简化为: (2)与(1)相比,所需乘法器数量降为原来的一半。图(2) 简化乘法器数量的线性相位滤波器1.4 设计规模的改进当滤波器的长度N增加时,可将求和分配到几个独立的M阶并行DA的LUT中。以(1)式为例,设,这样,长度为N的滤波器实现可以分解为L个长度为M的滤波器,可运用流水线加法器累加结果。2. 分布式算法在很多DSP应用场合中,滤波器系数一般为常数,在这种情况下,可以利用分布式(Distributed Algorithm,DA)算法原理将求乘积和运
3、算转变为移位和加法运算来实现。在滤波器规模比较小的情况下,采用DA算法可以减少电路规模,更容易实现流水处理,从而有更高的执行效率。以(2)式为例,DA算法的基本思想为:在(2)式中,设为常数,将表示为B+1位二进制补码形式,其中,最高位为符号位,用表示,下标B表示第B位,数值位共有B位,用表示,其中。即将式中各二进制位按权展开,则有下式成立,代入(2)式,并改变式中求和的次序,可得 DA算法的基本思想就是用一个LUT(查找表)来实现运算及,则滤波结果可以相应二次幂加权并累加来实现,从而达到提高执行效率的目的。例:无符号DA卷积用分布式算法计算,假设3位系数值分别为c(0)=2,c(1)=3和c(2)=1,则可得LUT如下:0001*0+3*0+2*0=00011*0+3*0+2*1=20101*0+3*1+2*0=30111*0+3*1+2*1=51001*1+3*0+2*0=11011*1+3*0+2*1=31101*1+3*1+2*0=41111*1+3*1+2*1=6设x(0)=1, x(1)=3,x(2)=7步骤Xt(2)Xt(1)Xt(0)Acc(t)011161110142
4、10018进行数值校验:y=c(0)x(0)+c(1)x(1)+C(2)x(2)=18 图(3) 移位加法器DA结构3. FIR滤波器的MATLAB设计3.1 设计函数在MATLAB信号处理工具箱中,提供了基于窗函数的FIR数字滤波器设计函数。fir1是用窗函数法设计线性相位FIRDF的工具箱函数,调用格式如下:hn=fir1(N, wc, ftype, window)fir1实现线性相位FIR滤波器的标准窗函数法设计。“标准”是指在设计低通、 高通、 带通和带阻FIR滤波器时,Hd(ej)分别取相应的理想低通、 高通、 带通和带阻滤波器,因此设计的滤波器的频率响应称为标准频率响应。 hn=fir1(N,wc)可得到6dB截止频率为wc的N阶(单位脉冲响应h(n)长度为N+1)FIR低通滤波器,默认(缺省参数windows)选用hammiing窗。其单位脉冲响应h(n)为h(n)=hn(n+1), n=0,1,2,N而且满足线性相位条件:h(n)=h(N-1-n)其中wc为对归一化的数字频率,0wc1。当wc=wc1, wc2时,得到的是带通滤波器,其6 dB通带为wc1wc2。hn=
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