毕业设计(论文)基于FPGA的数字滤波器设计.doc
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1、摘 要传统的数字滤波器的设计过程复杂,计算工作量大,滤波特性调整困难,影响了它的应用。本文介绍了一种利用MATLAB信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)快速有效的设计由软件组成的常规数字滤波器的设计方法。给出了使用MATLAB语言进行程序设计和利用信号处理工具箱的FDATool工具进行界面设计的详细步骤。利用MATLAB设计滤波器,可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数,直观简便,极大的减轻了工作量,有利于滤波器设计的最优化。本文还介绍了如何利用MATLAB环境下的仿真软件Simulink对所设计的滤波器进行模拟仿真。介绍了无限长数字滤波器的传统设计思想与步骤
2、,及其计算机辅助设计方法。以一数字带通滤波器为例,着重说明了基于MATLAB的三种实现手段:模拟低通原型、合适模拟带通及直接原型,为数字滤波器设计带来全新的实现手段,设计快捷方便,仿真波形直观。介绍了利用MATLAB信号处理工具箱进无限长滤波器设计的三种方法:程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法,给出了详细的设计步骤,并将设计的滤波器应用到一个混和正弦波信号,以验证滤波器的性能.关键词:数字滤波器 MATLAB 无限长 无限长 FPGAAbstractTraditional digital filter design process complex, the computati
3、onwork load is big, the filter characteristic adjustment difficulty, hasaffected its application. This article introduced one kind using theMATLAB signal processing toolbox (Signal Processing Toolbox) the fasteffective design the conventional numeral filter design method whichis composed by software
4、. Produced has used the MATLAB language tocarry on the programming and carries on contact surface design usingthe signal processing toolbox FDATool tool the detailed step. Usingthe MATLAB design filter, may contrast the design request and thefilter characteristic adjustment parameter as necessary,di
5、rect-viewing is simple, enormous reduced the work load, isadvantageous optimization which designs to the filter.Key word: Digital filter MATLAB 无限长 无限长 目 录摘 要.1Abstract.2第一章 引言.51.1数字滤波器的背景及意义 .51.2内 容.6 第二章数字滤波器的MATLAB设计.82.1 MATLAB的设计方法.92.1.1 FDATool界面设计.9 2.1.2程序设计法.10 2.1.3 Simulink仿真.11 2.1.4S
6、PTool设计法.12 2.1.5结 论.13 2.2基于MATLAB的程序设计方法的各种模拟滤波器实现.132.2.1基于模拟低通原型的MATLAB实现.142.2.2基于合适类型模拟滤波器的MATLAB实现.152.2.3基于直接原型变换法的MATLAB实现.17第三章 基于MATLAB的无限长数字滤波器的设计.19 3.1 无限长滤波器有以下几个特点.19 3.2 无限长数字滤波器设计思路与步骤.19 3.3 无限长数字滤波器设计方法.203.3.1传统设计方法.20 3.3.2计算机辅助设计方法.21 3.4常用模拟无限长滤波器的设计.21 3.4.1巴特沃斯无限长滤波器的设计.21
7、3.4.2契比雪夫I型无限长滤波器的设计.22 3.5用模拟滤波器理论来设计无限长数字滤波器.23 3.5.1脉冲响应不变法.23 3.5.2双线性变换法.24 3.6仿真实现.27第四章 基于MATLAB的无限长数字滤波器的设计.314.1 无限长数字滤波器设计的基本步骤.264.2 无限长滤波器的窗函数设计法.274.3程序设计法.284.4 FDATool设计法.294.5带通滤波器设计.294.5.1带通滤波器设计实例一.294.5.2带通滤波器设计实例二.304.6 Simulink仿真.314.7结束语.32第五章 一种改进型的无限长数字滤波器设计.33 5.1滤波器设计的改进方法
8、 .335.1.1 Matlab Link for CCS Development Tools简介.335.1.2数字滤波器的系统级设计方法.335.1.3 结论.34参考文献.35致 谢.36第一章 引 言1.1数字滤波器的背景及意义数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统,通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:无限冲激响应(无限长)滤波器和有限冲激响应(无限长)滤波器。与无限长滤波器相比,无限长的实现是非递归的,总是稳定的;更重要的是,无限长滤波器在满足幅频响应要求的同时,可以获得严格的线性相位特性。因此,它在高保真的信号处理,如
9、数字音频、图像处理、数据传输、生物医学等领域得到广泛应用。信号处理是科学研究和工程技术许多领域都需要进行的一个重要环节,这种处理包括信号的检测、变换、滤波、压缩、传输、信息提取、显示等。由于自然界中的各种信号,例如光、电、声、振动、压力、温度等通常表现为在时间和幅度上都是连续的模拟信号,因此传统上对信号的处理大都采用模拟系统(或电路)来实现。随着人们对信号处理要求的日益提高,以及模拟信号处理中一些不可克服的缺点,对信号的许多处理转而采用数字的方法来进行。近年来由于大规模集成电路和计算机技术的进步,信号的数字处理技术得到了飞速发展。数字信号处理系统无论在性能、可靠性、体积、耗电量、成本等诸多方面
10、都比模拟信号处理系统优越得多,使得许多以往采用模拟信号处理的系统越来越多地被数字处理系统所代替,这反过来进一步促进了数字信号处理技术的发展,其应用领域包括通信、计算机网络、雷达、自动控制、地球物理、声学、天文、生物医学、消费类电子产品等国民经济的各个部门,已经成为信息产业的核心技术之一。数字信号处理的理论与技术本身也成为信号与信息处理学科中一个重要且十分活跃的分支。 数字信号处理本质上是利用数学的方法和数字系统来实现对信号的处理,它主要研究两个方面的问题:其一是研究信号处理的各种处理算法,即建立数学模型;其二是算法的实现,包括采用计算机软件实现,或采用专用的数字系统实现。目前,随着数字化的深入
11、,许多新型的器件,如数字信号处理单片机(DSP)和各种专用集成芯片(ASIC),在数字信号处理系统的实现中扮演了越来越重要的角色。 算法的研究是信号处理的基础,从数学的角度而言,信号可分为确定信号与随机信号、线性与非线性信号。信号的类型不同,对它们进行处理的算法也就不同。从传统的傅里叶分析到现代的谱估计方法和小波分析,从经典的线性系统分析方法到非线性的混沌分析与人工神经网络方法,其应用的数学方法几乎涉及到了所有的数学分支。同时由于应用的领域不同,信号处理的算法也各不相同,例如,语音通信需要处理一维的信号,图像与视频处理则分别需要处理二维和三维的信号。因此算法研究是一个理论性很强的问题。另一方面
12、,数字信号处理系统的实现要涉及电子器件、计算机硬件、软件、工艺等各方面知识,并且随着时间的推移,新的器件还在不断地涌现。因此,数字信号处理是一个内容十分丰富、涉及面广泛且发展很快的学科。本书作为电子信息类本科生对数字信号处理的入门性的教材,限于篇幅,将仅着重讨论离散线性时不变确定信号与系统的基本理论与分析方法,这也是进一步学习所有其他类型数字信号处理的基础。本课题主要介绍数字信号处理的基本理论与分析方法以及目前在国内外获得广泛应用的MATLAB软件包及其信号处理工具箱的使用方法。1.2内容本文通过设计实例,介绍了利用MATLAB实现 无限长滤波器设计与滤波的三种方法,从仿真结果可以看出它们均可
13、以达到技术指标要求,而且方法简单、快捷,大大减轻了工作量。滤波器的设计工作完成后,可以借助于MATLAB的export操作导出所设计滤波器的系统函数H(z)。由于MATLAB具有强大的接口功能,仿真后的结果可以很方便的移植到DSP、CPLD或FPGA等器件中。在实际应用中,只需按要求修改滤波器参数,并对程序作较少的改动,即可实现不同截止频率的无限长滤波器,实用性较强。其中介绍了利用MATLAB信号处理工具箱进无限长滤波器设计的三种方法:程序设计法、FDATool设计法和SPTool设计法,给出了详细的设计步骤,并将设计的滤波器应用到一个混和正弦波信号,以验证滤波器的性能。全文共5章。第2章作为
14、数字信号处理的基础,介绍FDATool.程序设计法.Simulink仿真及SPTool设计法等以及介绍了基于MATLAB的三种实现方法及频率特性。第3-4章介绍数字滤波器的结构、无限长与无限长滤波器的设计方法,这些都是数字信号处理的必修内容。第5章主要介绍了无限长数字滤波器改进型的设计方法。第二章 数字滤波器的MATLAB设计数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入、输出均为数字信号,实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散系统。它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换,改变输入序列的频谱或信号波形,让有用频率的信号分量通过,抑制无用的信号分量输出
15、。数字滤波器和模拟滤波器有着相同的滤波概念,根据其频率响应特性可分为低通、高通、带通、带阻等类型,与模拟滤波器相比,数字滤波器除了具有数字信号处理的固有优点外,还有滤波精度高(与系统字长有关)、稳定性好(仅运行在0与l两个电平状态)、灵活性强等优点。数字滤波器按单位脉冲响应的性质可分为无限长单位脉冲响应滤波器无限长和有限长单位脉冲响应滤波器(无限长)两种。本文介绍(无限长)和(无限长)数字滤波器的设计与分析。2. 数字滤波器的基本概念0A0A0A0A低通高通1.数字滤波器按功能分为低通、高通、带通、带阻、全通滤波器。2.由序列傅氏变换公式可知,离散信号的傅氏变换是的函数,周期为2。只需研究 ,
16、不需要在整个轴上分析其信号 。所以,带通数字滤波器的通带分布如下:全通 图2.12.1 MATLAB的设计方法MATLAB的设计方法包括四种,分别是FDATool,程序设计法,Simulink仿真,SPTool设计法。其中FDATool(Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具,MATLAB6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱(Filter Design Toolbox)。2.1.1 FDATool界面设计FDATool设计界面如图2.2所示,总共分两大部分,一部分是Design Filter,在界面的下半部,用
17、来设置滤波器的设计参数,另一部分则是特性区,在界面的上半部分,用来显示滤波器的各种特性。Design Filter部分主要分为:图2.2 FDATool设计界面Filter Type(滤波器类型)选项,包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(带通)、Bandstop(带阻)和特殊的无限长滤波器。Design Method(设计方法)选项,包括无限长滤波器的Butterworth(巴特沃思)法、Chebyshev Type I(切比雪夫I型)法、 Chebyshev Type II(切比雪夫II型)法、Elliptic(椭圆滤波器)法和无限长滤波器的Equirip
18、ple法、Least-Squares(最小乘方)法、Window(窗函数)法。Filter Order(滤波器阶数)选项,定义滤波器的阶数,包括Specify Order(指定阶数)和Minimum Order(最小阶数)。在Specify Order中填入所要设计的滤波器的阶数(N阶滤波器,Specify OrderN-1),如果选择Minimum Order则MATLAB根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。Frenquency Specifications选项,可以详细定义频带的各参数,包括采样频率Fs和频带的截止频率。它的具体选项由Filter Type选项和Design Metho
19、d选项决定,例如Bandpass(带通)滤波器需要定义Fstop1(下阻带截止频率)、Fpass1(通带下限截止频率)、Fpass2(通带上限截止频率)、Fstop2(上阻带截止频率),而Lowpass(低通)滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。采用窗函数设计滤波器时,由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的,所以只需要定义通带截止频率,而不必定义阻带参数。Magnitude Specifications选项,可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤波器时,可以定义Wstop1(频率Fstop1处的幅值衰减)、Wpass(通带范围内的幅值衰减)、Wstop2(频率Fstop2处的幅值衰减
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