文献综述-范本

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1、 毕业设计（论文）文献综述院 系：电子与电气工程系年级专业：2008级电子信息工程姓 名：邓书汶学 号：0806012127题目名称：IIR数字滤波器的FPGA实现指导老师评语：本文通过阅读文献对IIR数字滤波器的FPGA实现课题的研究目的及意义进行了综述，然后对设计任务书进行分析论证设计方案论证，并最终通过分析得到了由模拟滤波器通过脉冲响应不变法实现IIR数字滤波器的方案。邓书汶同学在此期间学习了IIR低通滤波器的设计原理以及设计方法，阅读了大量的参考文献，文献综述写作规范，内容丰富，符合文献综述的基本要求。指导教师签名：年 月 日IIR数字滤波器的FPGA实现文献综述【内容摘要】：本文首先

2、介绍了滤波器的背景以及课题研究的目的和意义；然后再此基础上重点介绍IIR滤波器的原理以及设计方法的论证。IIR滤波器的原理在本质上时一个完成特定运算的数字计算过程，根据YZ=XZHZ可知，只要根据要求以及信号类型确定HZ的系数就可以了。设计中通过模拟数字滤波器的转换，以及双线性不变法来实现。【关键词】：IIR滤波器 滤波 FPGA 一、课题研究的目的和意义（一）滤波器发展的现状1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致美国第一个多路复用系统的出现。到了20世纪中叶，无源滤波器的发展已经比较成熟了。依靠计算机技术、集成工艺和材料工业的迅猛发展，对于滤波器的发展起到了巨大的推动作用，

3、有了这些技术的支持以及生产的需要，滤波器朝着低功耗、多功能、小体积、性能可靠和几个低廉的方向发展。在70年代后期，研制出了以上几种滤波器，并得到运用。到了80年代，则致力于新型滤波器的研究，研究的主要内容是滤波器的性能提高以及适用范围。90年代至今主要研究滤波其与生产的结合。但随着计算机和科学技术的发展，不断的对信号处理提出新的要求，以及数字信号处理的理论及技术的发展与成熟，对于数字滤波器的研究与运用越来越重视。实现数字滤波器的方法大多采用单片机、DSP、以及FPGA；但相比之下FPGA具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、设计制造成本较低、运算速度快，精度高等优点，因此在本设计

4、中决定采用FPAG来实现。（二）滤波器的分类凡是可以进行信号处理的设备都可以称为滤波器。滤波器的主要作用是保留有用信号，而衰减或则消除不需要的信号，已达到提取有用信号的目的。按照装置的不同，可分为有源和无源滤波器；按照处理的信号不同可以分为模拟滤波器和数字滤波器，而数字信号又可根据电路结构的本质不同可分为无限冲激响应滤波器和有限冲激响应滤波器；有限冲激响应有这严格的相位输出并且稳定，但实现复杂；而无限冲激响应具有结构简单，若无严格的相位要求，只需要较低的阶数就可以获得与FIR滤波器相同效果的选择，大大的节省了乘法单元、加法单元及存储单元，具有很高的工业生产使用价值，在电子产品中得到广泛的运用。

5、（三）IIR滤波器研究的目的和意义伴随着信息科学与计算技术的迅速发展，滤波器的研究越来越方便也越来越有必要。在我们的现实生活中有多种多样的信号，例如电视信号、通信信号、导航信号、气象信号、广播信号等，这些信号的发射与接收都离不开滤波器的作用，没有滤波器，就无法从复杂的心哈中提取出想要的信号。滤波器可分为模拟和数字滤波器，与模拟滤波器相比较，数字滤波器只是一个计算的过程，不需要硬件，可靠性高，不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题；其次数字滤波器可以实现对低频信号的很好处理，紫需要改变滤波器的性能时，只需要改变数字滤波器程序中的相参数即可。鉴于此对于数字滤波器的研究是十分有意义并且是有必要的，

6、不过数字滤波器一般可分为IIR滤波器和FIR滤波器；与FIR相比较，在无严格的相位要求时，IIR滤波器只需要较低的阶数，较少的乘法单元，加法单元，存储单元就可以达到与FIR滤波器相同的幅频特性；因此IIR被广泛的运用在电子产品当中，随着科技的进步，同信的发展，IIR滤波器的作用越来越重要，因此研究设计IIR滤波器是十分有意义的，并且有重大的现实影响。二、主要研究内容（一）研究内容本毕业设计主要任务是设计一个数字滤波器，要求根据IIR数字滤波器的设计原理，研究在MATLAB环境下IIR数字滤波器的设计使用方法，运用MATLAB YB语言实现低通IIR滤波器的设计仿真，并使用FPGA实现数字滤波。

7、本毕业设计有以下基本要求：（1）至少实现IIR低通数字滤波器；（2）通带衰减小于3db，阻带衰减大于15db；（3）使用FPGA实现相应的IIR数字滤波器。（二）设计方案（1）IIR低通滤波器设计原理在数字滤波中，研究的信号主要为离散的时间序列。当输入信号xn时，系统后的输出为yn，即为常说的响应。当输入为单位冲激响应序列n时，系统的输出为单位冲激响应hn，这是个特别重要的概念，因为每个序列都可以分解成多个单位冲激序列相加；对于线性是不变系统，有两个十分重要的性质：一是时不变性，对于时不变的系统，系统的零状态响应与输入信号的接入时间无关，也就是说当激励f()作用于系统所引起的响应为y()，那么

8、当激励延迟一定时间t接入时，它所引起的零状态响应也延迟相同的时间；二是线性，对于线性系统，包含两个特性齐次型和可加性，若系统对于激励f1与f2之和的响应等于个激励引起响应的和，那么系统满足可加性；若系统的激励增大a倍则响应也增大a倍。以上所述的两个性质对于卷积的理解是十分关键的。有了以上的两个性质我们可以将输入序列分解成多个单位冲激序列加权之和，那么每个序列的响应为每个加权单位序列响应的和；对于信号xn，可以表示成xn= xkn (其中k为负无穷到正无穷的集合)；现在我们用hn来表示n的响应，那么hn-k的响应就为hn-k，xkn-k的响应为xkhn-k,因为我们可以将xk看成系数，用到齐次的

9、性质，最终xn的响应就为yn= xkhn-k (k为整数集合)；平常中为了简便我们将上式用卷积来表示：yn=xn*hn；以上皆为时域分析。对于卷积有个特别号的性质：时域上的卷积等于频域上的乘积，即YZ=XZHZ；从上面的式子我们可以很容易的得到想要的信息：在频域上响应为激励信号与单位冲激响应的乘积，若想要改变激励的频谱，只需要改变单位冲激响应的内容。因此滤波器的设计可以通过改变单位冲激响应来实现。因此按照信号本身的特点和最终要达到的目的，适当的选取HZ,就可使进过滤波处理的信号YZ=XZHZ符合要求。将Z变换置换成频域来研究，只需令Z=ejwt。（2）IIR低通滤波器实现方案在上面已经分析了滤

10、波器的工作原理，因此对于滤波器的设计转换成对H(jwt)的确定。对于IIR滤波器传递数如下： （1-1）我们的任务是要确定式子中的系数。设计IIR滤波器主要分为两种方法：一是计算机辅助设计法，这是一种最优化的设计方法，首先确定最优准则，然后依照此准则求滤波器传递函数的的系数ak 、bk ，此方法的缺点是一般得不到函数表达式，需要进行大量的迭代运算；二是，模拟滤波器数字滤波器的转换设计法，这种设计方法是基于模拟滤波器具有很多简单而又现场的公式，按照要求先设计出模拟滤波器，然后根据频域中模拟滤波器和数字滤波器的映射关系，将模拟滤波器的参数转换成数字滤波器的参数，这样就完成了数字滤波器的设计。离散和

11、模拟的传递函数以及之间的映射关系如图1所示。 （1-2） （1-3） 图1 S域映射到Z域比较以上两种方法，由于模拟数字滤波器转换设计方法比较简便且准确，因此在设计中采用此方案。实际中，实现模拟滤波器到数字滤波器的映射有两条路径，一是脉冲响应不变法；二是双线性不变法。脉冲响应不变法是使得数字滤波器的单位冲激响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域的逼近良好，他们之间的频率呈线性关系，进过脉冲响应不变法得到的仍是一个线性的数字滤波器；不过脉冲响应不变法的最大缺点是有频率响应的混叠效应，所以此法只能使用于带限滤波器，例如低通滤波器和带通滤波器。双线性不变法主要是通过非线性频率压缩来克服脉冲响应不

12、变法的频谱混叠，适用于对于相位要求不高的分段常数型滤波器。三、IIR低通滤波器的设计综合上面的讨论，在本设计中采用的设计方案是：模拟滤波器数字滤波器转换设计法，具体的途径是通过脉冲响应不变法。如图2给出了设计的流程图，本设计主要解决三个问题：将数字滤波器的指标转换成模拟滤波器的指标；根据的模拟滤波器的指标设计出符合要求的模拟滤波器；再将模拟滤波器参数通过脉冲响应不变法映射成数字滤波器参数；最终根据所得到的参数设计成数字滤波器，并在FPGA上实现。针对上述问题，可以通过以下方法解决：根据所给的要求，选择一个符合要求的经典模拟滤波器模型，利用MATLAB信号处理工具箱中的滤波器设计和分析工具就可方

13、便的设计出符合应用要求的IIR模拟滤波器。通过已有的公式将模拟滤波器的传递函数转换成数字滤波器传递函数的参数，然后依据所得的参数，用FPGA实现。具体分析如下：首先根据所给的数字滤波器的指标将其用已有的公式转换成模拟滤波器的指标；其次据所给的指标，选择典型的模拟滤波器，再利用MATLAB仿真，根据所给的要求，得到滤波器的阶数，以及系数；第三步设计出符合要求的模拟滤波器之后，通过脉冲响应不变法，将模拟滤波器的的参数转换成数字滤波器的参数；最终根据所得到的参数编写VHDL语言，然后下载到FPGA中调试；最终得到IIR滤波器。其设计步骤如图2所示。 图2 IIR低通滤波器设计原理图总结随着科学技术的

14、发展，滤波器的研究越来越方便也越来越有必要。对于数字滤波器的设计主要方法有经典模型法和最优设计法，对于最优设计法一般是在经典模型法无法满足需要时才考虑。在设计出符合要求的模拟滤波器后可通过脉冲响应不变法或双线性不变法来实现，总体而言双线性不变法优于脉冲响应不变法，在设计中我们采用的是双线性不变法。在设计中主要研究的是设计的流程以及理论分析，最终用仿真来检测。参考文献1吴大正.信号与线性系统分析.高等教育出版社,2吴镇扬.数字信号处理.高等教育出版社.2004.93程源，祝洪峰.基于FPGA的数字频率计的设计与制作J.电子制作，20084潘松,王国栋.VHDL实用教程.成都: 电子科技学出版社，

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