基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带的数字接收机研究.doc

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1、西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计（论 文）题 目：基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究 院 （系）： 通信与信息工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 电科0903班 学生姓名： 导师姓名： 常虹 职称： 讲师 起止时间： 2013年3月11日至2013年6月14日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明

2、的法律后果由本人承担。 论文作者： （签字） 时间：2013年6月14日 指导教师已阅： （签字） 时间：2013年6月14日西 安 邮 电 大 学 毕业设计(论文)任务书 学生姓名指导教师常虹职称讲师院(系) 通信与信息工程学院专业电子信息科学与技术题目基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究 任务与要求1. 调研宽带数字测频接收机发展现状，学习宽带接收原理及相关知识。2. 学习MATLAB仿真软件，并能进行简单程序编写。3. 学习传统滤波器的相关知识。4. 设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器组进行性能对比分析。5. 对所设计算法进行MATLAB仿真并对仿真结果

3、进行分析。开始日期2013年3月11日完成日期2013年6月14日院 长(签字)2013年3月12日西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 2013年 3 月 14 日 学生姓名 指导教师 常虹 职称 讲师 院（系） 通信与信息工程学院 专业 电子信息科学与技术 题目 基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收究 工作进程起 止 时 间工 作 内 容3月11日至3月20日 调研宽带数字测频接收机发展现状，学 习宽带接收机原理及相关知识。 3月21日至3月31日 学习MATLAB仿真软件，并能进行简 单程序编写。 4月1日至4月30日 学习传统滤波器的相关知识。设计

4、多相 滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传 统滤波器进行性能对比分析。5月1日至5月15日 对所设计算法进行MATLAB仿真并对仿真 结果进行分析。 5月16日至5月28日 撰写论文，完成论文初稿。 5月29日至6月5日 完善并修改毕业论文。 6月6日至6月14日 准备答辩。主要参考书目(资料) (1) (美)James Tsui著.杨小牛，陆安南，金飚 译.带宽数字接收机M.电子工业出版社，2002.1-25.242-259(2) 陈永其, 黄爱苹, 严文忠. 一种宽带中频数字信道化侦察接收机方案J. 电子对抗技, 2003, 33(8): 34-35(3) Rabiner L R, Croc

5、hiere R E 著.多抽样率数字信号处理M. 酆广增 译. 北京: 人民邮电出版社, 1988. 322-344(4) 杨小牛, 楼才义, 徐建良. 软件无线电原理与应用M. 北京: 电子工业出版社, 2001. 69-74主要仪器设备及材料1.计算机一台2.MTALAB 2007仿真平台论文(设计)过程中教师的指导安排每周指导一次，主要解答学生问题，指导研究进度，并检查阅读资料笔记和仿真程序。对计划的说明本计划为开题之初所定，后续会根据具体情况随时调整，最终一定按毕业设计规定结束日期完成。西安邮电大学毕业设计(论文)开题报告通信与信息工程学院 院（系）电子信息科学与技术专业 09 级 0

6、3班课题名称:基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究 学生姓名： 学号： 指导教师： 常虹 报告日期： 2013年3月15日 1本课题所涉及的问题及应用现状综述本课题所涉及的问题：1. 调研宽带数字测频接收机发展现状，学习宽带接收原理及相关知识2. 学习MATLAB仿真软件,并能进行简单程序编写。3. 学习传统滤波器的相关知识。4. 设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器组进行性能对比分析。5. 对所设计算法进行MATLAB仿真并对仿真结果进行分析。基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效带宽数字接收机的发展前景在无线电技术领域,无线电系统所处理的主要对象是电磁波。20

7、世纪70年代以前,对电磁信号的处理主要以模拟处理方法为主。80年代以后,随着微电子技术的迅速发展,数字信号处理技术得到了广泛应用,并逐步显现出模拟处理方式所无法达到的优越性。现代的战争中的武器装备中存在着大量的无线电设备，战场上的态势感知、侦察监视、精确打击、通信指挥、导航识别等等信息交互行为大多通过无线电的方法实现，这些设备关系着整支军队的战斗力。其对战争的影响力恰恰证明了电子战在现代战争中的起着至关重要的作用。电子战包括两个方面：电子对抗和电子反对抗。早期的电子对抗中包括侦察和干扰，后来随之技术的进步，电子战的范畴不断扩大，又有了电子隐身和电子摧毁等新领域出现。作为发展历史最为悠久的电子战

8、技术领域，电子侦察的主要任务是接收敌方的雷达，通信等设备辐射信号。现代战争中，电子战所面临的信号环境是一个空前密集的环境，雷达侦察接收机也根据作战任务的不同演变为几类，主要有电子信号情报侦察接收机，电子支援侦察接收机等等。随着微电子技术的进步和信号处理理论的发展，电子侦察接收机不断涌现出新的体制和处理方法。随着大规模集成电路和数字信号处理技术的迅速发展 ,雷达接收机和电子战接收机的数字化已是一种必然趋势。对电子侦察接收机也提出了更高的要求。传统的模拟接收机结构简单，性能有限。作为一种新型接收机，数字接收机体制在较宽的频带内有较高的灵敏度，精确度和稳定性，同时具有高截获概率以及功能上灵活可编程等

9、一系列优点。作为现代数字信号处理理论的重要分支，多速率信号处理技术和多相滤波器组是数字信道化接收机的理论基础。对滤波器组引入多相分解使其在速度和资源损耗上得到理想的优化。正因为在实现高速信号子带的划分所体现出的优势，多相滤波器组成为数字信道化接收机工程实现的重要方法。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析关键问题：1. 调研宽带数字测频接收机发展现状，学习宽带接收原理及相关知识2. 学习MATLAB仿真软件,并能进行简单程序编写。3. 学习传统滤波器的相关知识。4. 设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器组进行性能对比分析。5 对所设计算法进行MATL

10、AB仿真并对仿真结果进行分析。解决思路： 1. 阐述电子战在现在战争中的用途和地位，接着介绍电子战侦察接收机中的两种重要的接收机体制：信道化接收机和数字接收机。2. 学习多相滤波器组的理论基础。3. 对参数编码器进行介绍，探讨信号检测与参数测量的方法。4. 学习MATLAB仿真软件,并能进行简单程序编写。5. 针对仿真过程中的数据参数，分析能量检测法的性能和噪声不确定性的影响。6. 在老师指导下形成课题具体论文报告，并不断完善论文。实现预期目标的可行性：本文主要通过研究用基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效带宽数字接收机，对多相滤波器组进行理论推导与仿真分析。立足多相滤波器组完成总体硬件架构的

11、设计：通过MATLAB搭建一个系统，原理阶段用MATLAB语言编写的系统用于原理仿真验证。3完成本课题的工作方案首先，要掌握相关信息如下;1. 了解数字接收机的发展过程和发展前景。2. 了解多相滤波器组的原理和工作原理。 3. 学习MATLAB语言及其软件的仿真。4. 查阅相关资料，探索分析并构建仿真模型，并给出对仿真系统的优化方案。其次，用MATLAB进行仿真测试;通过MATLAB搭建一个相同的系统，原理阶段用MATLAB语言编写的系统用于原理仿真验证。工程实现阶段用于MATLAB并探究解决方案。最后，撰写论文，完成论文初稿，完善并修改毕业论文。4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 2013

12、 年 3 月 24 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名性别女学号专 业班 级课题名称基于多想滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究课题类型软件工程类难度一般毕业设计（论文）时间2013 年3 月11 日6 月14 日指导教师 常虹 (职称 讲师 )课题任务完成情况论文 19 (千字)； 设计、计算说明书 (千字)； 图纸 47 (张)；其它(含附件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范

13、） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 2013年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 2013 年 月 日验收小组意见分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩：验收教师(组长)(签字)： 2013 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 2013 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 2

14、0 () 评阅成绩 30 () 验收成绩 30 () 答辩成绩 20 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 院(系)答辩委员会主任(签字)： 院(系) (签章) 2013 年 月 日备注西安邮电大学毕业论文(设计)成绩评定表(续表)目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1研究背景11.2宽带数字接收机的现状11.3传统接收机与现代接收机的区别21.4本文的主要任务42数字滤波器基本理论52.1数字滤波器的基本结构52.1.1IIR滤波器的基本结构52.1.2FIR滤波器的基本结构62.2数字滤波器的设计

15、原理72.2.1滤波器的性能指标82.2.2IIR数字滤波器的设计方法92.2.3FIR数字滤波器的设计方法92.3本章小结113多相滤波器组的理论原理与设计173.1几个基本定理原理173.1.1采样定理173.1.2抽取和内插183.1.3Noble恒等式203.2信道化滤波器组的数字实现方法203.2.1并联数字滤波器算法实现滤波器组的方法203.2.2DFT算法实现滤波器组的方法223.3基于多相滤波器组的数字信道化253.3.1多相表示法253.3.2基于多相滤波器组结构的数字信道化263.4多相滤波器接收机的MATLAB仿真283.5本章小结304高效的数字信道化瞬时测频（IFM）

16、接收机314.1一种数字信道化瞬时测频接收机方案314.2瞬时测频的仿真分析325课题设计总结及展望39致谢40参考文献41摘要随着数字信号处理技术和大规模集成电路制作工艺的发展，宽带数字接收机已经成为电子侦察系统中最具有发展潜力的接收机体制之一。与之相比传统的模拟接收机结构较为复杂，性能一般会受限。作为一种新型接收机，数字接收机体制在较宽的频带内有较好的灵敏度、精确度和稳定性，同时也具有高截获概率以及功能上灵活可编程等一系列优点。作为现代数字信号处理的重要分支，多相滤波器组技术就成为了数字信道化接收机的理论基础。对滤波器组引入多相分解使其在速度和资源损耗上得到理想的优化。所以多相滤波器组成为

17、数字信道化接收机工程实现的重要方法。本文主要用多相滤波器组和瞬时测频技术的方法实现对宽带数字接收机的研究，对多相滤波器组进行理论推导和分析，同时用MATLAB软件进行仿真分析，最后与传统滤波器组进行性能比较。下面就本文的总体安排做一介绍。第一章，调研国内外的宽带接收机研究现状，对数字接收机的理论知识阐释，分析传统接收机和现在数字接收机的不同，确定本课题的研究方向。第二章，论述传统滤波器及数字滤波器的相关理论知识，总结归纳滤波器的基本结构和数字滤波器的两种基本设计方法。再对FIR数字滤波器和IIR数字滤波器进行了比较。 第三章，根据传统滤波器的相关知识对多相滤波器组的原理进行数学推导，并研究多相

18、滤波信道化算法，建立数学模型，并对数学模型进行详尽的MATLAB仿真验证，再推倒出基于DFT多相滤波器组的信道化接收机高效结构，并用MATLAB仿真验证。最后与传统滤波器组进行性能对比分析。第四章，根据前面的基础知识得出瞬时测频数字接收的结构，并用MATLAB仿真验证。总结高效结构的优点，验证本课题的研究价值。第五章，对课题进行总结和展望。介绍课题设计过程中的经验教训，指出通过该课题的研究解决了什么问题，解决到了什么程度，最后展望本课题研究前景，指出课题未来的研究方向。关键字：数字信道化；多相滤波器组；瞬时测频ABSTRACTWith digital signal processing the

19、ory and the development of large scale integrated circuits, wideband digital receiver electronic surveillance system has become the most potential for development of one of the receiver system. Traditional analog receiver structure complicated, the performance is limited. As a new receiver, a digita

20、l receiver in a wide band system has high sensitivity, accuracy, and stability, but also has a high probability of intercept the flexibility and functional programmable series of advantages. As a modern digital signal processing important branch filter bank technology has become the digital channeli

21、zed receiver theoretical basis. decomposition of the filter set to introduce it in terms of speed and resource depletion on get the ideal optimization. So filter composed of digital channelized receiver works to achieve an important method. In this paper, a method with a polyphase filter bank to ach

22、ieve the wideband digital receivers research on the polyphase filter bank theoretical derivation and analysis, simulation analysis using matlab and then comparing the performance of conventional filter bank analysis. The first chapter, research status, the digital receiver to learn the theory of kno

23、wledge, compared to the conventional receiver and present different digital receivers to determine the direction of the research projects. Chapter learning traditional filters, and the knowledge of the digital filter, to learn the basic structure of the filter and the digital filter of the two basic

24、 design. And then the FIR digital filter and IIR digital filters are compared. Chapter III, according to the traditional knowledge of the filter on the principle of polyphase filter bank mathematical derivation and study the polyphase filter channel algorithm, a mathematical model, and a detailed ma

25、thematical model ofmatlabsimulation, pushed to a group based on DFT filter channelized receiver efficient structures and instantaneous frequency measurement digital receiver structure and using matlab simulation. Final performance with the traditional comparative analysis filter bank. Chapter IV, on

26、 topics summary and outlook. A summary of the subject, describes the design process subject lessons, noting that through the research projects to solve the problem, to solve and to what extent, the final prospect research prospects, pointing out the direction of future research topics.Keywords: digi

27、tal channelized; instantaneous frequency measurement; polyphase filter bank1绪论1.1研究背景近年来，随着A/D(analog-to-digital)变换技术、DSP(digital signal processing)等技术的发展，宽带高速数字化接收机正逐渐成为现代雷达、遥测及通信系统中必不可少的重要组成部分。高速A/D变换器，高速数字信号处理器等，这为发展高性能、多用途的系统提供了技术支持。而宽带数字接收机就是在此技术基础上发展和建立起来的。这样的接收机有许多优点，如它的信号处理方法很灵活、可以从输出的信号中得到更

28、多信息、可以同时处理多个信号的到达等。所以国内外都在研究这方面的技术，并且取得了很大的成果，本文从学习基础知识出发，借鉴已研究出的技术完成本次毕业设计。1.2宽带数字接收机的现状当代社会信息技术(IT)高速发展的时代，各个经济技术强国都在为了现代战争的电子对抗中赢得先机和掌握主动，花费大量的精力来研究和开发数字化接收机，目的就是为了在有可能爆发的战争中居于主动地位。对于中国来说，一些西方国家在军事方面早早的就开始了：德国 R/S 公司研制的宽带数字化接收机 EBD900，主要用于无线电监视，其工作频率范围为 20MHz-2GHz，搜索速度为 4GHz/s（25KHz 带宽），动态范围为 80d

29、B。又如，英国研制的 PVS3800 接收机，工作频率范围为 0.5 GH z-1GHz，是一种用于电子战环境中的宽带无线电通信监测接收机，可以实现搜索、监听、分析识别等功能；还可以根据需要，通过加载不同的软件，灵活地配置成各种不同功能的接收机，如 PV3830 截获接收机，PV3840 分析接收机，PV3850 监视接收机等。这些接收机尽管能够覆盖多个频段，但它们只能工作于单一的频段和模式，功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力也较差，无法满足现代军事通信的。1994 年，美国系统研究实验室就提出了数字信道化瞬时频率（IF）测量接收机模型。1998年，美国空军技术研究所在此基础上进行了完善，提

30、出了一种高效，多速率的数字信道化接收机结构。2006 年 4 月，BAE 系统公司向洛克希德公司交付首套用于 F35 的电子战系统，具有雷达告警、信号收集和分析，被动式辐射定位和电子对抗能力。2006 年 6 月，BAE 又宣布向洛克希德公司交付首套用于 F22 生产型电子战系统，这不仅标志着这种四代机电子战系统已正式定型生产，其重大意义还在于这是生产型宽带电子战数字接收机在战术平台上的首次应用。F-22的无源探测分系统 ALR-94，采用了数字信道化接收体制实现数字化告警接收机。该数字战争系统吸取了商用模数转换技术和现场可编程门阵列（FPGA）方面的突破性进展，用可重新配置的数字接收机取代了

31、老式的模拟接收机，可为F-22 降低成本、减少功率、减轻重量。该接收机提供超过 500MHz 的瞬时测量带宽，并且硬件部分经改装可完成宽带信道机、调谐超外差接收机或压缩式接收机的功能。ALR -69（V）告警接收机在现阶段升级为全数字化雷达告警接收机 ALR-69A（V），ALR -69A（V）是目前安装在美空军 C-130，F16，A-10 和 MH-53 战机上 ALR-69（V）的升级替代品，该告警接收机同样采用数字信道化接收体制。以色列艾尔塔系统公司的 EL/L-8265 新一代机载雷达告警接收机使用了数字化接收机。显然，使用数字化技术是告警机在发展道路中的必然趋势，采用数字信道化接收

32、体制将为告警器的性能提升起到不可估量的作用。与国外相比较，国内数字信道化接机技术的研究和发展有些滞后。国内在数字信道化接收及其后续编码技术的研究工作刚刚起步，国内仅有少数几所高等院校在进行数字信道化接收体制的研究，如采用两级数字化模型级联的方法实现了数字信道化，结合高效数字信道化接收机结构与差分测频技术，提高信道检测能力。数字信道化技术发展还不够完善，虽然这方面的信号接收和处理有大量优秀的方法提出，但数字信道化技术在工程上应用还受到诸如测频精度不够高（信道带宽的一半），邻近信道响应干扰等问题的困扰，因此，数字信道化技术还需要不断完善。由于数字化带来的强大优势，特别是随着高速 ADC、FPGA

33、和 DSP 器件和工艺水平的不断提高，近年来对宽带数字信道化接收的研究十分活跃，除了高速 ADC 和信号分析等问题外，研究主要集中在数字接收机的体系结构、信号检测和参数测量上。优化现有的数字信号处理算法，找到高效高性能，适用于工程的数字信道化接收机模型。本文研究的基于多相滤波组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机充分结合了模拟信道化接收机和数字信号处理技术的优点，是电子侦察接收机的发展方向。利用该结构的信道化接收机处理 ADC 输出数据，检测信号、测频并给出脉冲描述字，并用MATLAB进行最后的仿真。1.3传统接收机与现代接收机的区别数字接收机的定义是一种通过A/D转换器对信号进行数字化后使用数

34、字信号处理技术实现变频、滤波、解调等信号处理过程的接收机。随着数字DSP论和LSI技术的进步，在80年代接收机体系中衍生出了以高速模数转换器以及数字信号处理电路为主要特征的数字接收机。数字接收机灵敏度和精度高，稳定性好，设计灵活且可以实现复杂功能，已成为接收机中最有前景的体制。当前的研究重点主要集中在数字电子战接收机方面。这种类型的接收机，首先把输入信号下变频为中频信号，然后用一个高速多比特ADC对其进行数字化，并采用数字信号处理技术产生所期望的收集的信息。以当前器件水平，数字接收机的模数转换通常是在中频完成，中频信号相比于天线接收到的射频信号，要经过混频并且滤波的非线性过程，引入了谐波，导致

35、信号杂散增加。所以中频的数字化并不是理想的数字接收机方案。未来理想的数字接收机将在射频端完成数字化接收机。数字接收机在通信、雷达、导航系统、电子对抗系统、敌我识别系统、民用的收音机和电视机中都得到广泛的应用，是接收机今后发展的重要体制。数字接收机框图如图 1-1 所示：图1-1数字接收机框图传统的接收机都是采用模拟的方法实现的，在接收过程中由于受到模拟器件的限制，这样容易导致信号的频率和相位等方面的失真。传统的接收机中较为典型的是超外差接收机，其结构如图1-2所示，超外差接收机通过调谐改变本振频率与接收机通频带的中心频率，可以覆盖一定的频率范围，以实现对宽频段信号的接收，虽然接收机的调谐范围很

36、宽，但对任意时刻来说，仍然是窄带接收机。 图1-2超外差接收机框图现代的电子侦察接收机与传统的通信接收机（如收音机或电视机）和雷达接收机有着极大的不同。通信接收机在设计时，都会提前得到已知的数据，例如接收信号的频率、调制方式和带宽都是已知的，设计起来相对容易一些。作为雷达重要部分的雷达接收机也是在输入信号已知的前提下设计的。但是作为电子侦察的重要组成部分的电子侦察接收机设计起来就相对较复杂，输入不仅没有预知能力，敌方还有可能采取特殊方式来避开我方接收机的检测。因此这就要求电子战中宽带数字接收机各方面的性能达到最优，空间域、频率域、时间域上等，都要求是最先进的。这就要求侦察接收机要能够实现对任何

37、方位、任何频率和任何时间的信号都能实现有效准确地截获。如此而言，频域的要求带来的主要问题是接收机在一个很大的带宽范围内有可能“同时” 收到大量的信号，这些信号混合在一起被接收机截获，这样会给后期处理带来了很大困难。科研人员提出了很多方法想解决这个问题，这其中就有信道化的方法，信道化将较宽的宽带通道划分为若干个相邻的子信道，按照频段实现对较大带宽内高密度信号的分类，再通过对各个信道的输出进行处理，可以实现对大瞬时带宽密集信号环境下的同时接收。因此信道化可以看作是若千个窄带接收机的并联。信道化接收机具有较高灵敏度和频率分辨率、宽动态范围、高截获概率等优点，是电子侦察接收机中一种较为理想的体制。1.

38、4本文的主要任务 本文主要用多相滤波器组的方法实现信道化宽带数字接收机的研究，对多相滤波器组进行理论推导和分析，用MATLAB进行仿真分析再与传统滤波器组进行性能对比分析。第一章，调研国内外的宽带接收机研究现状，对数字接收机的理论知识阐释，分析传统接收机和现在数字接收机的不同，确定本课题的研究方向。第二章，论述传统滤波器及数字滤波器的相关理论知识，总结归纳滤波器的基本结构和数字滤波器的两种基本设计方法。再对FIR数字滤波器和IIR数字滤波器进行了比较。 第三章，根据传统滤波器的相关知识对多相滤波器组的原理进行数学推导，并研究多相滤波信道化算法，建立数学模型，并对数学模型进行详尽的MATLAB仿

39、真验证，再推倒出基于DFT多相滤波器组的信道化接收机高效结构，并用MATLAB仿真验证。最后与传统滤波器组进行性能对比分析。第四章，根据前面的基础知识得出瞬时测频数字接收的结构，并用MATLAB仿真验证。总结高效结构的优点，验证本课题的研究价值。第五章，对课题的设计进行总结和展望。介绍课题设计过程中的经验教训，指出通过该课题的研究解决了什么问题，解决到了什么程度，最后展望本课题研究前景，指出课题未来的研究方向。2数字滤波器基本理论2.1数字滤波器的基本结构作为线形时不变系统的数字滤波器可以用系统函数来表示，而实现一个系统函数表达式所表示的系统可以用两种方法：一种方法是采用计算机软件实现；另一种

40、方法是用加法器、乘法器、和延迟器等元件设计出专用的数字硬件系统，即硬件实现。不论软件实现还是硬件实现，在滤波器设计过程中，由同一系统函数可以构成很多不同的运算结构。对于无限精度的系数和变量，不同结构可能是等效的，与其输入和输出特性无关；但是在系数和变量精度是有限的情况下，不同运算结构的性能就有很大的差异。因此，有必要对离散时间系统的结构有一基本认识。2.1.1IIR滤波器的基本结构一个数字滤波器可以用系统函数表示为： (2-1)由这样的系统函数可以得到表示系统输入与输出关系的常系数线形差分程为： (2-2) 可见数字滤波器的功能就是把输入序列x(n)通过一定的运算变换成输出序列y(n)。不同的

41、运算处理方法决定了滤波器实现结构的不同。无限冲激响应滤波器的单位抽样响应h(n)是无限长的，其差分方程如(2-2)式所示，是递归式的，即结构上存在着输出信号到输入信号的反馈，其系统函数具有(2-1)式的形式，因此在z平面的有限区间(0z)有极点存在。IIR滤波器实现的基本结构有：（1）IIR滤波器的直接型结构优点：延迟线减少一半，变为N 个，可节省寄存器或存储单元。缺点：通常在实际中很少采用上述结构实现高阶系统，而是把高阶变成一系列不同组合的低阶系统(一、二阶)来实现。（2）IIR滤波器的级联型结构优点：系统实现简单，只需一个二阶节系统通过改变输入系数即可完成； 极点位置可单独调整； 运算速度

42、快(可并行进行)； 各二阶网络的误差互不影响，总的误差小，对字长要求低。 缺点：不能直接调整零点，因多个二阶节的零点并不是整个系统函数的零点，当需要准确的传输零点时，级联型最合适。（3）IIR滤波器的并联型结构优点：简化实现，用一个二阶节，通过变换系数就可实现整个系统；极、零点可单独控制、调整，调整1i、2i只单独调整了第i对零点，调整1i、2i则单独调整了第i对极点；各二阶节零、极点的搭配可互换位置，优化组合以减小运算误差； 可流水线操作。 缺点：二阶电平难控制，电平大易导致溢出，电平小则使信噪比减小。 a、直接型 b、并联型c、串联型图2.1IIR滤波器的基本结构2.1.2FIR滤波器的基本结构FIR滤波器的单位抽样响应为有限长度，一般采用非递归形式实现。通常的FIR数字滤波器有横截性和级联型两种。FIR滤波器实现的基本结构有：（1）FIR滤波器的横截型结构表示系统输入输出关系的差分方程可写作： (2-3)直接由差分方程得出的实现结构如图2-2所示：图2.2 横截型(直接型卷积型)（2）FIR滤波器的级联型结构将H(z)分解成实系数二阶因子的乘积形式： (2-4) 这时FIR滤波器可用二阶节的级联结构来实现，每个二阶节用横截型结构实现。如图所示：图2-5FIR滤波器的级联结构这种结构