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1、潍坊学院本科毕业设计（论文）I 目录第一章前言.1 1.1 课题背景.1 1.2 课题研究的现状与前沿.1 1.3 本课题主要研究内容.2 第二章基本原理概念 .3 2.1 数字滤波器简介.3 2.2 FDATOOL 简介.4 第三章 FIR 数字滤波器的原理与设计.5 3.1 FIR 数字滤波器的结构特点.5 3.2 FIR 的线性相位特性.6 3.3 FIR 数字滤波器设计的基本步骤.6 3.4 FIR 数字滤波器的设计方法.7 3.4.1 窗函数法 .7 3.4.2 频率取样法 .10 3.4.3 FIR滤波器的最优化方法.11 3.4.4 三种设计方法的比较 .14 第四章利用 FDA
2、TOOL 设计给定参数的 FIR 数字滤波器 .16 4.1FIR 滤波器指标.16 4.2设计 FIR 滤波器.16 4.3FIR 滤波器分析.18 4.4 量化.22 4.5 导出 FIR 滤波器系数.22 4.6 M文件的产生.23 4.7 C语言头文件的产生.23 4.8XILINX 系数文件的产生.26 4.9 CCS 接口.27 第五章结束语 .29 参考文献 .30 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）II 致谢.31 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（
3、论文）III 摘要：数字滤波是数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术。FIR 数字滤波器因其严格的线性相位等优点得到了广泛应用。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已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。本文介绍了一种利用MATLAB 信号处理工具箱快速有效的设计方法。针对在实际设计中要大量应用 FIR 数字滤波器这一现实，详细介绍了FIR 数字滤波器的基本理论、性能特点、设计步骤和设计方法。给出了利用信号处理工具箱的FDATooL 进行界面设计的详细步骤。利用 FDATooL 设计数字滤波器，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
4、工作量，有利于滤波器设计的最优化。关键词：FIR；数字滤波；MATLAB；FDATooL 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）IV ABSTRACT：Digital filtering is a very important technology with general application in digital signal processing，and FIR digital filters is widely used because of its strict linear-phase.This paper intr
5、oduces a kind fast and effective method in designing FIR digital filters with MATLAB signal processing toolbox.Based on general application of the FIR digital filter in the actual design，this paper introduces the basic theory，performance characteristics，design steps and design method of FIR digital
6、filters in detail.This paper also gives detailed steps in interface design with FDATooL of signal processing toolbox.When designing FIR digital filters，you can always adjust parameters through contrasting the design requirements and the filter characteristics,greatly reducing the workload and helpfu
7、l for the optimization of FIR digital filters designing.KEY WORDS：FIR；digital filtering；MATLAB；FDATooL 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）1 第一章前言1.1 课题背景几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号的处理问题，其信号表现形式有电、磁、机械以及热、光、声等。数字滤波技术可以在放大信号的同时去除噪声和干扰，而在模拟信号中信号和噪声同时被放大，数字信号还可以不带误差地被存储和恢复、发送和接收、处理和操纵。许多复杂的系统可以
8、用高精度、大信噪比和可重构的数字技术来实现。目前，数字信号处理已经发展成为一项成熟的技术，并且在许多应用领域逐步代替了传统的模拟信号处理系统，如通讯、系统控制、电力系统、故障检测、语音、图像、自动化仪器、航空航天、铁路、生物医学工程、雷达、声纳、遥感遥测等。数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术就是数字滤波。所谓数字滤波，是指其输入、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输入信号所含的频率成分的相对比例或滤除某些频率成分，达到提取和加强信号中的有用成份，消弱无用的干扰成份的目的。数字滤波作为数字信号处理的重要组成部分有着十分广泛的应用前景，可作为应用系统对信号的前置处理。数字滤波器，在数
9、字信号处理中有着广泛的应用，因此，无论是在理论研究上还是在如通讯、HDTV(高清晰度电视)、雷达、图象处理、数字音频等实际应用上都有着美好的技术前景和巨大的实用价值。1.2 课题研究的现状与前沿在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛。在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的即为滤波器。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。目前常用的滤波技术有以下几种：无源滤波技术、SVC 滤波技术、有源滤波技术以及混合有源滤波技术。目前，国外有许多院校和科研机构在研究基于FPGA 的 DSP应用，比较突出的有Denmark大学的研究小组正在从事FPGA 实
10、现数字滤波器的研究。而我国在DSP技术起步较早，产品的研究开发成绩斐然，基本上与国外同步发展。2009年 12 月，清华大学物理系“微波通信用高温超导前端”技术入选2009 年“中国高等学校十大科技进展”。高温超导滤波器损耗极小、边带极陡峭、带外抑制极好，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）2 具有常规滤波器无可比拟的近于理想的滤波性能，可广泛应用于移动通信、军事通信、卫星通信等领域，大幅度提高了灵敏度和抗干扰能力，市场前景巨大。清华大学经过十几年研究，终于研制成功了第一台适合于我国CDMA 移动通信用的超导前端，并实现了高温超
11、导在中国通信领域的首次应用和批量长期应用，使我国继美国之后，成为世界上第二个成功地将高温超导技术应用于移动通信的国家。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高。我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。总之，滤波器的发展始终是顺应电子系统的发展趋势的。如何进一步实现滤波器的小型化、集成化、高效化将是今后很长一段时间内不变的研究和发展主题。1.3 本课题主要研究内容本课题主要研究的是FIR 数字滤波器的原理与设计，运用MATLAB软件的FDATooL 工具箱，通过比较FIR 数字滤波器的设计方法，并以具体的FIR 数字滤波器进行设计。各章节的具体安排为：(1)第 1 章
12、为引言，介绍了课题的背景、数字滤波技术的研究现状以及本文内容。(2)第 2 章主要对数字滤波器和FDATooL 进行了简单介绍，通过介绍数字滤波器的原理，以及 FDATooL 工具箱界面，为完成FIR 数字滤波器设计提供了基础。(3)第 3 章主要介绍了 FIR 数字滤波器的原理及设计，对三种设计方法进行了介绍和对比。(4)第 4 章利用 FDATooL 设计给定参数的 FIR 数字滤波器(5)结束语名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）3 第二章基本原理概念2.1 数字滤波器简介数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算
13、关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件1。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有很多突出的优点，例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移和噪声问题。按功能可将其分类为低通、高通、带通、带阻滤波器；根据数字滤波器的单位冲激响应函数的时域特性可分为两类：无限冲激响应（IIR）滤波器和有限冲激响应（FIR）滤波器。数字滤波器是一个线性时不变的因果系统。设()x nT和()y nT分别为滤波器的激励和响应,T 为采样周期，N 为在(0,N)范围内的整数，T+。它的时域表达式可以写成2：()()y nTx nT（2-1）任意一个激励x(n
14、T)可以表示成()()kKx nTxnT（2-2）其中()kxnT又可以表示成()()()kxnTx kTnTkT（2-3）将式(2-3)代入式(2-2)中可得()()()Kx nTx kTnTkT在一个线性时不变系统中，()()()()()()()()kkky nTx nTx kTnTkTx kTnTkTx kT h nTkT（2-4）其中h(nT)为滤波器的冲激响应。若滤波器是因果的，即h(nT)=0，n0可以得到()()()()()kky nTx kTh nTkTh kT x nTkT（2-5）若当n-5.000000e-001 5.000000e-001)*Input:s9,9-5.0
15、00000e-001 5.000000e-001)*Filter Internals:Specify Precision*Output:s15,31-7.629395e-006 7.629395e-006)*Product:s31,31-5.000000e-001 5.000000e-001)*Accumulator:s33,31-2 2)*Round Mode:convergent*Overflow Mode:wrap*/*General type conversion for MATLAB generated C-code*/#include tmwtypes.h 名师资料总结-精品资料欢
16、迎下载-名师精心整理-第 29 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）26/*Expected path to tmwtypes.h*D:Program FilesMATLAB71externincludetmwtypes.h*/const int BL=16;const int16_T B16=-2448,725,3707,361,-5795,-3214,11985,27447,27447,11985,-3214,-5795,361,3707,725,-2448;4.8 XILINX系数文件的产生选择 FDATooL 菜单的“Targets”“Xilinx Coefficients
17、（.COE）file”命令，MATLAB直接提示文件的保存位置，保存完毕之后另开一个窗口显示该文件的内容。典型的文件内容如下所示。;XILINX CORE Generator(tm)Distributed Arithmetic FIR filter coefficient(.COE)File;Generated by MATLAB(R)7.0 and the Filter Design Toolbox 3.0.;Generated on：22-Dec-2005 12：03：10 Radix=16；Coefficient_Width=16；CoefData=0000,名师资料总结-精品资料欢迎下
18、载-名师精心整理-第 30 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）27 079c,05a2,f90b,f166,0000,2272,4000,4000,2272,0000,f166,f90b,05a2,079c,0000;这些系数已经运用二进制补码对其进行了运算，所以可以表示成十六进制。4.9 CCS 接口CCS（Code Composer Studio）是 TI 公司为其数字信号处理器开发的集成开发环境（IDE）。在 HDL coder 中，可以向 CCS 输出 C 语言头文件或者直接写入处理器的存储名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 31 页，共 36 页 -潍坊学
19、院本科毕业设计（论文）28 空间中，然后由CCS 本身作进一步的处理。在此接口中，可以选择目标板和目标处理器的型号，在这里目标板的型号一般只能是TI 公司提供的专用EVM 板。上述型号必须手动输入。选择 FDATooL 菜单的“Targets”“Code Composer Studio(R)IDE”命令，打开CCS 接口。此接口的窗口如图4.12 所示。4.12 CCS 接口窗口名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 32 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）29 第五章结束语目前，MATLAB 已经广泛用于理工科大学从高等数学到几乎各门专业课程之中，成为这些课程进行虚拟
20、实验的有效工具。在科研部门，MATLAB 更是极为广泛地得到应用，成为全球科学家和工程师进行学术交流首选的共同语言。在国内外许多著名学术期刊上登载的论文，大部分的数值结果和图形都是借助MATLAB 来完成的。数字滤波是数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术。FIR 数字滤波器因其严格的线性相位等优点得到了广泛应用。利用FDATooL 设计 FIR 数字滤波器，可以高效的设计出需要的滤波器。与传统的数字滤波器的设计过程相比，计算工作量小，滤方便波特性调整简单，因此在研发领域给到了广泛的应用。在实现数字滤波的FPGA 和 DSP 硬件平台上，FDATooL 起到了很大作用。由FDATooL 工
21、具箱导出的数字滤波器系数，极大简化了简化了FPGA、DSP 设计流程，缩短了 FPGA、DSP的开发周期，加速企业推出新产品的步伐。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 33 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）30 参考文献1 高西全,丁玉美,阔永红.数字信号处理原理、实现及应用 M.北京：电子工业出版社，2006.2 石云霞,张志伟,范秋华.MATLAB在滤波器设计中的应用J.青岛建筑工程学院学报,2004,25:93-95.3 尹则明,丁春利,等.精通 MATLAB6M.北京:清华大学出版社,2002.4 楼顺天,李博菡.基于 MATLAB 的系统分析与设计信号处
22、理M.西安:西安电子科技大学出版社,2001.5 周利清,苏 菲.数字信号处理基础M.北京:北京邮电大学出版社,2005.6 陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用M.北京:电子工业出版社,2002.7 张志涌,杨祖樱.MATLAB教程：R2006a-R2007aM.北京：北京航空航天大学出版社,2006.8 Paulo S.R.Diniz，Eduardo A.B.da Silva，Sergio L.Netto 著.门爱东，杨波，全子一.译数字信号处理-系统分析与设计M.北京：电子工业出版社,2005.9 Sanjit K.Mitra 著.阔永红改编.Digital Signal Pro
23、cessing,A Computer-Based Approach,Third Edition.译：数字信号处理基于计算机的方法（第三版）M.北京：电子工业出版社，2006.10 陈爱萍,胡晓东.基于 Matlab 的IIR 数字滤波器的设计J.湖南工程学院学报,2004,14(3):8-10.11 程佩青.数字信号处理(第2版)M.北京:清华大学出版社,2003.12 吴伶锡,刘旺东.窗函数在数字滤波器设计中的应用J.湘潭师范学院学报,2002,24(3):23-25.13 蔡文海.Matlab软件包在数字滤波器设计中的应用J.安徽水利水电职业技术学院学报,2003,3(1):40-42.1
24、4 郭中华,董涌,房卫东.基于 MATLAB 的FIR数字滤波器设计与仿真J.宁夏工程技术,2004,3(2):77-78.15 彭红平,杨福宝.基于 MATLAB 的FIR数字滤波器设计J.武汉理工大学学报.信息与管理工程版.2005,27(5):56-58.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 34 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）31 致谢本文的研究工作是在王玉富教授的悉心指导和支持下完成的，在课题的研究过程中，王教授给我提出了许多方向性的指导，从课题的选择到项目的最终完成，王教授都始终给予我细心的指导和不懈的支持论文的。王教授严谨的治学态度和锐意进取的工作精
25、神深深影响了我，将成为我以后学习的楷模。王教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此，表示衷心的谢意。毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想借次机会感谢四年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。我的毕业指导老师王玉富教授，他以一位长辈的风范来原谅我的无知和冲动，给我不厌其烦的指导。在此，特向他道声谢谢。大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说：“我曾经来过。”大学四年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这四年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。最 后 感 谢 在 百 忙之 中 抽出 宝 贵 时 间 评阅 本 论 文 的 各 位 老 师，希 望 提出宝贵 意 见。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 35 页，共 36 页 -潍坊学院本科毕业设计（论文）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 36 页，共 36 页 -