iir數(shù)字濾波器及其設計方法論文(已修改)

　

【正文】 目 錄第一章 課題的研究及意義第二章 IIR數(shù)字濾波器及其設計方法 IIR數(shù)字濾波器基礎 IIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu) 分布式算法IIR濾波器的設計 串行分布式IIR濾波器 并行分布式IIR濾波器 IIR數(shù)字濾波器的設計第三章 基于F280XDSP的IIR算法實現(xiàn) DSP介紹 F280xDSP芯片 DSP F280x芯片的IIR濾波器實現(xiàn) DSP系統(tǒng)的構(gòu)成 DSP系統(tǒng)的開發(fā)工具 IIR數(shù)字濾波器在DSP上的實現(xiàn)方法及實現(xiàn)過程第四章 仿真程序和算法 MATLAB仿真 MATLAB概述 設計步驟 使用MATLAB設計程序 程序運行過程及結(jié)果第一章 課題的研究及意義電子技術已全面地由模擬技術向數(shù)字技術過渡，傳統(tǒng)的模擬信號處理技術正由全新的數(shù)字信號處理 (Digital51， alProeessing，Dsp)技術替代，絕大多數(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品都需要快速實時完成數(shù)字信號處理任務，越來越多的高性能電子產(chǎn)品都仰仗于DSP的運用。所謂信號處理是指對信號進行濾波、變換、分析、加工、提取特征參數(shù)等的過程，隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為一門極其重要的學科和技術領域，它在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用。數(shù)字信號處理不僅在速度上要求很高，而且要求有較強的靈活性，這樣可以提高設備的實用性，能夠大大降低費用，而且還縮短了從研制到應用的時間。我國的DSP技術起步較早，產(chǎn)品的研究開發(fā)成績斐然，基本上與國外同。數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。 數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。數(shù)字信號處理技術中一個非常重要并且應用得相當普遍的技術就是數(shù)字濾波器。所謂數(shù)字濾波，是指其輸入輸出均為數(shù)字信號，通過一定運算關系改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或者濾除某些頻率成分，達到提取和加強信號中的有用成分，削弱無用的干擾成分的目的。數(shù)字濾波與模擬濾波相比，有精度高、可靠性高、靈活性好、易于大規(guī)模集成等突出優(yōu)點，可以滿足對幅度和相位的嚴格要求，還能降低開發(fā)費用，縮短研制到應用的時間，在很多領域逐步代替了傳統(tǒng)的模擬信號系統(tǒng)。 數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備如數(shù)字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的。最成功的DSP芯片當數(shù)美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS3201TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS320TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為當今世界上最有影響的DSP芯片。數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法主要有有跟沖擊響應數(shù)字濾波器和無限沖擊響應數(shù)字濾波器兩種。在相同技術指標下，與FIR濾波器相比，nR濾波器可以用較少的階數(shù)來滿足指標的要求，這是因為IIR濾波器引入了反饋機制，并且能夠取得比較好的通帶和阻帶衰減特性。IIR 數(shù)字濾波器的z 域系統(tǒng)函數(shù)設計比較復雜，必須借助計算機系統(tǒng)才能完成．線性相位FIR 濾波系統(tǒng)函數(shù)時域序列，常采用窗函數(shù)序列乘相應類型的理想濾波器序列的方法完成，過程相對簡單．Mathematica 是科學算的強力軟件工具，設計濾波器系統(tǒng)函數(shù)的計算程序十分便捷。 數(shù)字IIR濾波器具有良好的幅頻響應特性,被廣泛應用于通信、控制、生物醫(yī)學、振動分析，雷達和聲納等領域從濾波器實現(xiàn)來看,數(shù)字IIR濾波器有直接型，級聯(lián)型、并聯(lián)型和格型等基本網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)類型。在各種數(shù)字IIR濾波器結(jié)構(gòu)中,級聯(lián)型濾波器結(jié)構(gòu)一方面由于各級之間相互不影響,便于準確實現(xiàn)濾波器零、極點和調(diào)整濾波器頻率響應性能。另一方面由于各級極點密集度小,濾波器性能受濾波器系數(shù)量化的影響小,因此倍受關注。本文主要研究IIR濾波器的特點和設計方法最后給出了IIR低通濾波器的設計實例。 硬件數(shù)字濾波系統(tǒng)核心硬件是DSP 芯片，構(gòu)造硬件濾波系統(tǒng)的關鍵是設計IIR 或FIR 數(shù)字濾波系統(tǒng)的z 域系統(tǒng)函數(shù)，并給出以z1 為自變量的有理分式函數(shù)的分子和分母多項式的系數(shù)數(shù)組B 和A。鑒于傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器的設計過程復雜, 計算工作量大, 濾波特性調(diào)整困難的缺點, 考慮到利用MAT LAB信號處理工具箱( S igna lProcessing Too lbox) [ 2 3] 可以快速有效的設計由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器。并且, 利用MATLAB 設計濾波器, 可以隨時對比設計要求和濾波器特性調(diào)整參數(shù), 直觀簡便, 極大的減輕了工作量, 有利于濾波器設計的最優(yōu)化, 故, 本文首先從基于Mat lab的數(shù)字濾波器設計方法入手。第二章 IIR濾波器及其設計方法 IIR濾波器設計基礎 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最為廣泛使用的一種基本線性處理模塊，其功能本質(zhì)上是將一組輸入的序列通過一定的運算后轉(zhuǎn)化為另一組數(shù)字序列。它可以實現(xiàn)模擬器件很難達到的準確線性相位特性。數(shù)字濾波器一般分為有限沖激響應(FIR，F(xiàn)inite Impluse Response)濾波器和無限沖激響應(IIR，Infinite Impluse Response)濾波器兩大類。IIR濾波器的單位沖激響應h(n)是無限長的，傳遞函數(shù)H(z)在有限z平面0}zIoo上有極點存在，結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的。IIR數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)如式所示:（1）IIR濾波器在結(jié)構(gòu)上有反饋,使用遞歸結(jié)構(gòu),如圖:就IIR濾波器的特性而言，對于相同的設計指標，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)比IIR濾波器高5~10倍，成本較高，而且信號的延遲也較大。IIR濾波器所要求的階數(shù)不僅比FIR濾波器低，而且可以利用模擬濾波器的設計成果，設計工作量相對較小，采用FPGA實現(xiàn)的IIR濾波器同樣具有多種優(yōu)越性。IIR濾波器可以克服FIR濾波器的很多缺點，當然也還有一些不如人意的性質(zhì)。IIR濾波器常規(guī)具有的吸引力和不足的屬性包括:優(yōu)點： ，并且可以告訴運行 。 4. 對于相同的公差設計方案，與FIR相比，IIR較短。 缺點：，也就是說要得到線性相位響應是非常困難的(若需線性相位，可采用全通濾波器進行相位補償，使其在通帶范圍內(nèi)具有近似的線性相位，只是會使復雜性成倍增加)。 。 ，只能夠設計低通、高通和帶通濾波器。 (大多數(shù)時候，極點到單位圓的鏡像可以用生成同樣的幅度響應，濾波器是穩(wěn)定