论文部分内容阅读
数字信号处理器是对接收到的数字信号进行处理优化信号而设计的编程处理器。它内部结构配置了硬件乘法器，采用哈佛总线结构，使用多级流水线工作方式。它具有运行速度高，处理速度快，片内外围设备丰富等诸多优点。它的出现与发展，为将数字信号处理理论应用于工程实际提供了高质量、低成本的软件、硬件平台。近年来，随着DSP性能的日趋发展与完善，功耗逐步降低，开发环境的不断完善和改进以及价格的下调，DSP的应用价值和推广前景越来越凸现出来。其应用已深入人们的学习、工作的各个方面，在语言图像、通信系统、生物医学、遥感遥测、航空航天、电力系统故障检测以及自动化仪器等众多领域发挥着越来越不可替代的作用。
一、绪论
（一）数字滤波器的介绍
我们前人通过大量的实验证明，数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着不可替代的作用，它是通过对采样数据信号源进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。数字滤波器对信息的接收、处理、分析是非常重要的，同时也是现代信号处理的重要内容。此外DSP处理器的出现，对数字处理器的硬件实现提供了方便。数字滤波器具有以下优点：
可靠性高：实验证明数字系统受噪声及环境条件的影响较小，同时数字滤波器大多采用大规模集成电路，规模集成电路的故障率较低。
精度高：模拟电路中元件的精度没有数字系统的精度高。因此在一些精度要高的滤波系统中，必须采用数字滤波器来实现和完成。
灵活性大：乘法器、加法器等各系数的指标决定了数字滤波器的功能，只需改变存储器中的系数就能得到我们所需要的数字功能系统。同时这也提高了他的效率。
易于大规模集成：数字部件具有高度的规整性，便于大规模集成，因此产品的成品率高，成本低。数字滤波器在体积、性能方面的优势已越来越显著。
（二）数字滤波器的设计方法
我们常用数字滤波器的实现方法有如下几类：
1.通用的微型计算机（PC机）上用软件（如C语言）实现
2.利用通用的可编程DSP芯片实现适合于数字信号处理的系统，有利于适用于复杂的数字信号处理算法
3.用乘法器、加法器、延时器设计专用数字滤波器
4.用完成数字滤波运算的专用芯片实现，用于实现在一些特殊场合，要求的信号处理速度高
5.在通用的计算机系统中加上加速卡实现;加速卡可以是由DSP 开发的用户加速卡
6.用过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法
随着科技的发展与进步数字滤波器的应用也变的十分广泛，使用MATLAB设计出IIR滤波器。IIR的有点是可以设定很少的阶数，使用的硬件资源很少，提高了滤波器的设计效率，具有经济、实惠和高选择性。IIR滤波器它是一种递归的数据结构，因此不同的结够获得的误差也会不同，同时，这也要求传递函数的极点也必须在Z平面的单位圆内以保证系统的稳定和系统的性能高效。
二、数字滤波器的研究
（一）数字滤波器的定义和分类
当今世界科技的不断进步，数字电子技术的不断发展，同时利用数字技术来实现和设计数字滤波器的需求也不断的提高，这样的技术在人类生活中的应用也越来越广泛。按照滤波器的功能与实现我们知道滤波器分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器;按照类型可以分为有限冲激响应和无限冲击响应。
（二） IIR数字滤波器的结构
通过实验证明IIR的滤波器的传递函数在平面上有极点存在，此外，其单位脉冲响应应延续到无限长，对于给定的传递函数，其结构不是唯一的，可分为直接型、级联型和并联型。
数字滤波器的特性由系数、滤波器结构决定、各项的阶数。而数字滤波器的输出实际上是不同时刻的输入采样序列的加权和。对于大多数数字信号处理器而言，乘法运算、加运算是其最基本的操作，而对采样序列的延迟，则是利用其独特的循环寻址方式实现。
（三）IIR数字滤波器在DSP上的实现步骤和条件
IIR数字滤波器在DSP上的设计过程如下：
1.根据指标确定滤波器的类型，设计出滤波器的参数
2.根据数字信号处理的特点对参数进行取舍、量化，然后进行仿真
3.通过仿真实验结果对滤波器各项指标进行修改和参数调试，直到满足要求为止
4.在DSP上用语言实现滤波器功能
实验证明定点数字信号处理芯片，不仅可以做定点运算，同时也可以做浮点运算。一种算法，既可以用汇编语言编程实现，也可以用高级语言实现。IIR数字滤波器的实现是要满足一些要求，这样才能使数字滤波器达到预期的性能。首先，兼顾精度的同时也要做到实时其次，执行的时间比较短，精度却达不到同样会影响滤波器的功能的实现。通过上述条件尽可能找到简易的实现方法。
（四）FIR数字滤波器的结构
2.4.1 FIR数字滤波器的基本原理
实验证明FIR滤波器是根据有限个采样值组成的，它有在保证幅度指标满足要求是，具有严格的相位特性。因为数字信号在传输的过程中不能有相位失真率，同时根据FIR滤波器的线性特性的容易实现，因而它可在线性要求比较高的情况得到应用与实现。
（五）FIR数字滤波器在DSP上的实现步骤和条件
可以得出，FIR数字滤波器具有严格线性相位的充要条件是其有限长的单位脉冲响应序列为偶对称，即，即是的偶对称中心。
FIR的频响特性
由上分析可知， FIR滤波器具有如下几个显著的优点：
一 可以在幅度特性随意设计的同时，确保精确、严格的线性相位;
二 FIR滤波器的单位脉冲是有限长序列，它的特性屏蔽了IIR滤波器的不稳定缺陷的问题;
三 因为FIR滤波器一般为非递归结构，因此误差较小;
四FIR滤波器可以采用FFT算法实现，提高了运算效率。
FIR数字滤波器的设计的窗函数的设计思想是由滤波器的性能选择滤波器的技术指标根据给定的滤波器技术指标来选择滤波器长度N和窗函数，使其具有最窄的主瓣和最小的旁瓣，通过这样的技术来做到更精确的数字滤波技术，窗函数设计的核心是从给定的频率特性， 并通过加窗来确定有限长单位脉冲响应序列。
（六）IIR和FIR数字滤波器的比较
不管哪种数字滤波器设计都有它们的优缺点。FIR滤波器的传输函数只有零点，无反馈支路。IIR滤波器的传输函数既有零点，也有极点。我们知道IlR滤波器系统函数的极点可以位于单位圆内的任何地方，可以让数字滤波器具有很高的选择性，所用存储单元少，价格便宜。但这些是以相位的非线性为代价的。选择性越好，相位非线性越严重。设计IIR滤波器若以相同的选择性和线性相位性能要求来设计，IIR滤波器必须通过全通网络进行相位校正与调试，但是这样的过程也恰恰增加了滤波器的复杂程度。
FIR滤波器不仅可以用递归方法实现，并且可以用非递归方法实现，有限精度的计算不会产生振荡。FIR量化结构和系数的不准确性并不会超过IIR滤波器所产生的误差。IIR滤波器可以通过模拟滤波器的成果，使数字滤波器的实现在软件的辅助下能够更加容易的实现，使其工作量减少，工作效率提高。FIR滤波器没有现成设计公式。IlR滤波器主要是设计规范化的，频率特性为分段常数的滤波器，而FIR滤波器则易于适应某些特殊应用。
参考文献：
[1]胡广书.数字信号处理理论[M].算法与实现（第二版）清华大学出版社.
[2]程乾生.数字信号处理[M].北京大学出版社.
[3]靳希，杨尓滨.信号处理原理与应用[M].（第二版）清华大学出版社.
[4]王欣，王德隽.离散信号的滤波[M].2001.
作者简介：林朋雨（1993–），男，河南周口人，河南大学欧亚国际学院2014级本科生。
一、绪论
（一）数字滤波器的介绍
我们前人通过大量的实验证明，数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着不可替代的作用，它是通过对采样数据信号源进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。数字滤波器对信息的接收、处理、分析是非常重要的，同时也是现代信号处理的重要内容。此外DSP处理器的出现，对数字处理器的硬件实现提供了方便。数字滤波器具有以下优点：
可靠性高：实验证明数字系统受噪声及环境条件的影响较小，同时数字滤波器大多采用大规模集成电路，规模集成电路的故障率较低。
精度高：模拟电路中元件的精度没有数字系统的精度高。因此在一些精度要高的滤波系统中，必须采用数字滤波器来实现和完成。
灵活性大：乘法器、加法器等各系数的指标决定了数字滤波器的功能，只需改变存储器中的系数就能得到我们所需要的数字功能系统。同时这也提高了他的效率。
易于大规模集成：数字部件具有高度的规整性，便于大规模集成，因此产品的成品率高，成本低。数字滤波器在体积、性能方面的优势已越来越显著。
（二）数字滤波器的设计方法
我们常用数字滤波器的实现方法有如下几类：
1.通用的微型计算机（PC机）上用软件（如C语言）实现
2.利用通用的可编程DSP芯片实现适合于数字信号处理的系统，有利于适用于复杂的数字信号处理算法
3.用乘法器、加法器、延时器设计专用数字滤波器
4.用完成数字滤波运算的专用芯片实现，用于实现在一些特殊场合，要求的信号处理速度高
5.在通用的计算机系统中加上加速卡实现;加速卡可以是由DSP 开发的用户加速卡
6.用过软件编程用硬件实现特定的数字滤波算法
随着科技的发展与进步数字滤波器的应用也变的十分广泛，使用MATLAB设计出IIR滤波器。IIR的有点是可以设定很少的阶数，使用的硬件资源很少，提高了滤波器的设计效率，具有经济、实惠和高选择性。IIR滤波器它是一种递归的数据结构，因此不同的结够获得的误差也会不同，同时，这也要求传递函数的极点也必须在Z平面的单位圆内以保证系统的稳定和系统的性能高效。
二、数字滤波器的研究
（一）数字滤波器的定义和分类
当今世界科技的不断进步，数字电子技术的不断发展，同时利用数字技术来实现和设计数字滤波器的需求也不断的提高，这样的技术在人类生活中的应用也越来越广泛。按照滤波器的功能与实现我们知道滤波器分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器;按照类型可以分为有限冲激响应和无限冲击响应。
（二） IIR数字滤波器的结构
通过实验证明IIR的滤波器的传递函数在平面上有极点存在，此外，其单位脉冲响应应延续到无限长，对于给定的传递函数，其结构不是唯一的，可分为直接型、级联型和并联型。
数字滤波器的特性由系数、滤波器结构决定、各项的阶数。而数字滤波器的输出实际上是不同时刻的输入采样序列的加权和。对于大多数数字信号处理器而言，乘法运算、加运算是其最基本的操作，而对采样序列的延迟，则是利用其独特的循环寻址方式实现。
（三）IIR数字滤波器在DSP上的实现步骤和条件
IIR数字滤波器在DSP上的设计过程如下：
1.根据指标确定滤波器的类型，设计出滤波器的参数
2.根据数字信号处理的特点对参数进行取舍、量化，然后进行仿真
3.通过仿真实验结果对滤波器各项指标进行修改和参数调试，直到满足要求为止
4.在DSP上用语言实现滤波器功能
实验证明定点数字信号处理芯片，不仅可以做定点运算，同时也可以做浮点运算。一种算法，既可以用汇编语言编程实现，也可以用高级语言实现。IIR数字滤波器的实现是要满足一些要求，这样才能使数字滤波器达到预期的性能。首先，兼顾精度的同时也要做到实时其次，执行的时间比较短，精度却达不到同样会影响滤波器的功能的实现。通过上述条件尽可能找到简易的实现方法。
（四）FIR数字滤波器的结构
2.4.1 FIR数字滤波器的基本原理
实验证明FIR滤波器是根据有限个采样值组成的，它有在保证幅度指标满足要求是，具有严格的相位特性。因为数字信号在传输的过程中不能有相位失真率，同时根据FIR滤波器的线性特性的容易实现，因而它可在线性要求比较高的情况得到应用与实现。
（五）FIR数字滤波器在DSP上的实现步骤和条件
可以得出，FIR数字滤波器具有严格线性相位的充要条件是其有限长的单位脉冲响应序列为偶对称，即，即是的偶对称中心。
FIR的频响特性
由上分析可知， FIR滤波器具有如下几个显著的优点：
一 可以在幅度特性随意设计的同时，确保精确、严格的线性相位;
二 FIR滤波器的单位脉冲是有限长序列，它的特性屏蔽了IIR滤波器的不稳定缺陷的问题;
三 因为FIR滤波器一般为非递归结构，因此误差较小;
四FIR滤波器可以采用FFT算法实现，提高了运算效率。
FIR数字滤波器的设计的窗函数的设计思想是由滤波器的性能选择滤波器的技术指标根据给定的滤波器技术指标来选择滤波器长度N和窗函数，使其具有最窄的主瓣和最小的旁瓣，通过这样的技术来做到更精确的数字滤波技术，窗函数设计的核心是从给定的频率特性， 并通过加窗来确定有限长单位脉冲响应序列。
（六）IIR和FIR数字滤波器的比较
不管哪种数字滤波器设计都有它们的优缺点。FIR滤波器的传输函数只有零点，无反馈支路。IIR滤波器的传输函数既有零点，也有极点。我们知道IlR滤波器系统函数的极点可以位于单位圆内的任何地方，可以让数字滤波器具有很高的选择性，所用存储单元少，价格便宜。但这些是以相位的非线性为代价的。选择性越好，相位非线性越严重。设计IIR滤波器若以相同的选择性和线性相位性能要求来设计，IIR滤波器必须通过全通网络进行相位校正与调试，但是这样的过程也恰恰增加了滤波器的复杂程度。
FIR滤波器不仅可以用递归方法实现，并且可以用非递归方法实现，有限精度的计算不会产生振荡。FIR量化结构和系数的不准确性并不会超过IIR滤波器所产生的误差。IIR滤波器可以通过模拟滤波器的成果，使数字滤波器的实现在软件的辅助下能够更加容易的实现，使其工作量减少，工作效率提高。FIR滤波器没有现成设计公式。IlR滤波器主要是设计规范化的，频率特性为分段常数的滤波器，而FIR滤波器则易于适应某些特殊应用。
参考文献：
[1]胡广书.数字信号处理理论[M].算法与实现（第二版）清华大学出版社.
[2]程乾生.数字信号处理[M].北京大学出版社.
[3]靳希，杨尓滨.信号处理原理与应用[M].（第二版）清华大学出版社.
[4]王欣，王德隽.离散信号的滤波[M].2001.
作者简介：林朋雨（1993–），男，河南周口人，河南大学欧亚国际学院2014级本科生。