基于DSPBuilder数字滤波器的设计与实现毕业设计

1、摘要数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分之一，具有模拟滤波器所无法替代的新特性，因此在通信、语音与图像处理、自动控制等领域有着广泛的应用，它对于降低噪声、提高信噪比及信号的频谱纯度等方面有着重要的意义。数字滤波器根据单位脉冲响应的不同，可分为FIR(有限长脉冲响应)滤波器和IIR(无限长脉冲响应)滤波器，FIR的优点在于具有良好的相位特性，IIR的优点在于具有良好的幅频特性，可以根据不同的系统性能要求选择不同的滤波器。目前滤波器的主要实现方法有三种，分别是：单片通用数字滤波器集成电路、采用DSP器件和FPGA(现场可编程门阵列)器件。本文采用FPGA器件来实现滤波器的设计，在实现方法上先用MATLAB/Simulink工具箱建立滤波器模型，然后用SignalCompiler把Simulink的模型文件(后缀是.mdl)转化为硬件描述语言VHDL文件，最后利用QuartusII完成滤波器的仿真、配置、编译和下载。本文最后用实例介绍了FIR数字滤波器和IIR数字滤波器的实现过程。关键词：数字滤波器 通信 集成电路 DSP FPGAAbstractDigital filter is

2、 a digital signal processing system is one of the important component, analog filters cannot be replaced by the new characteristic, therefore in the communication, speech and image processing, automatic control and other fields have a wide range of applications, it can reduce noise, improve the signal to noise ratio and signal spectrum purity has important significance. Digital filter according to unit impulse response of different, can be divided into FIR ( finite impulse response filter ) and

3、IIR ( infinite impulse response ) filter, FIR have the advantages of good phase characteristics, IIR have the advantages of good amplitude-frequency characteristics, according to different system performance requirements of different filter. The filter main realizing methods has three kinds, respectively is: the monolithic integrated circuit, digital filter with DSP device and FPGA ( field programmable gate array ) device. This paper uses FPGA to realize filter design, the realization method on

4、the first MATLAB / Simulink toolbox to establish filter model, then use SignalCompiler the Simulink model file ( the suffix is . MDL ) into the VHDL hardware description language file, finally using QuartusII complete filter simulation, configure, compile and download. Finally, examples of the FIR digital filter and IIR digital filter implementation process.Keywords: digital filter communication integrated circuit DSP FPGA目录1 绪论11.1 研究背景11.2 研究现状11.3本课题研究内容方法32 相关知识简介52.1数字滤波器概述52.1.1数字滤波器的定义52.

5、1.2数字滤波器的分类62.1.3FIR和IIR数字滤波器的比较62.1.4数字滤波器的设计要求和方法82.2设计软件简介92.3软件安装问题103 数字滤波器的总体设计方案123.1FIR和IIR设计方法概述123.2滤波器设计方法比较124 FIR设计实例164.1FIR数字滤波器原理164.216阶FIR滤波器165 IIR设计实例275.1IIR数字滤波器原理275.2使用DSP Builder设计IIR滤波器305.2.14阶直接型IIR滤波器设计305.2.24阶级联型IIR滤波器设计326 总结38参考文献40致谢411 绪论1.1 研究背景当今，数字信号处理（DSP：Digtal Signal Processing）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，因此受到人们普遍的关注。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、生物医

6、学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动信号、遥感遥测信号，等等。上述这些信号大部分是拟信号，也有小部分是数字信号。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后，得到的数字信号是一个一维离散时间序列；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，对数字信号进行滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰，或将他们与其它信号进行分离；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，进而对信号进行识别；对信号进行某种变换，使之更适合于传输，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

7、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。1.2 研究现状在信号处理过程中，所处理的信号往往混有杂音，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音的不同特性，提取有用信号的过程成为滤波，实现滤波功能的系统称为滤波器。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。该领域只要包括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、统计特性、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，大量用于通信和音频处理。近年来，这5方面都取得了不少研究成果，并且，在市场上已经出现了一些相关的软件和硬件产品，例如，盲人阅读机、哑人语音合成器、口

8、授打印机、语音应答机，各种会说话的仪器和玩具，以及通信和视频产品大量使用的音频压缩编码技术。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。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，都广泛地采用数字滤波器，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。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，因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处

9、理面临的问题。于是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缺少的，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都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。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。6、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译、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。数字滤波器还可用于作曲、录音和播放，或对旧录音带的音质进行恢复等。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、战场侦察；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污染和噪声干扰的自动监测；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。1.3本课题研究内容方法数字滤波器的实现，大体上有如下几种方法：1、单片通用数字滤波器集成电路单片通用数字滤波器的最大优点就是使用简单便捷，但是其如果使用多字长和阶数规格不够多，在实际应用中有很大局限性。片扩展的方式则能使其应用范围变广，但是这会使滤波器的体积和功耗增加，导致另一种局限性。2、专用的DSP器件DSP芯片较之单片机有着更为突出的优点，如内部带有乘法器、累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线，速度快，配有适于信号处理的指令等。但是，由于它采用程序顺序执行，因此在一些要求高的实时性场合中的应用受到制约。3、FPGA（现场可编程门阵列）器件与采用DSP器件相对应，用可编程逻辑器件实现数字滤波器，其主要适用于一些要求较高的实时性场合，在可编程逻辑器件容量不断增大、速

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