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1、【摘要】本文主要是对 FIR 的基本原理进行概述。对直接型，级联型，第一类线性相位等结构图进行了分析。采用了窗函数法，小波分析法，频率采样法，切比雪夫法来设计 FIR 数 字滤波器。 分析了 FIR DF 的特点之后, 根据小波逼近方法利用多个小波函数来逼近理想滤 波器的频率特性，很容易设计多通带的带通滤波器和多通带移相器。采用 MATLAB 软件对 FIR 数字滤波器进行了仿真。 利用 FPGA 来实现 FIR 数字滤波器，对 FIR 数字滤波器的内部模块结构进行了仿真。通过硬件描述语言给出了利用 FPGA 器件进行数字系统设计的设计流程以及模块仿真。采用 了 TMS320C54 芯片来实现
2、，应用 FIRS 指令来进行编程。【关键词】： FIR、MATLAB、TMS320C54、 FPGA、【Abstract】This paper is FIR, the basic principles outlined. Direct type, Cascade, the first class of linear phase structure chart analysis. Using the window method, wavelet analysis, the frequency of sampling, Chebyshev method to design FIR digital
3、filter. FIR DF analysis of the characteristics, According to wavelet approximation method using wavelet function over to approximate the ideal frequency of the filter characteristics, very easy to design a multi-band-pass filters and multi-band phase shifter. MATLAB software FIR digital filter for t
4、he simulation. FPGA to achieve FIR digital filter, the FIR digital filter module in the internal structure of the simulation. Through hardware description language is the use of FPGA devices for Digital System Design Process. TMS320C54 chip used to achieve application FIRs instructions for programmi
5、ng. 【Keyword】FPGA、FIR、MATLAB、TMS320C54目 录【摘要】 I【ABSTRACT】.II前 言1第 1 章 滤波器的基本概念21.1 滤波器的原理和分类 2 1.1.1 滤波器的实现步骤2 1.1.2 采样定理 .2 1.2 滤波器的技术指标 3 1.3 数字滤波器的系统特性 3 1.3.1 离散系统的实现 3 1.3.2 状态和张弛系统 .5 1.3.3 因果性和可实现系统 .5 1.3.4 稳定性 .5 1.3.5 时不变性 .5 1.3.6 线性和叠加性 .6 1.4 滤波器的分类 6 1.5 数字滤波器设计的基本步骤 6 第 2 章 FIR 数字滤波器的
6、基本网络结构.8 2.1 FIR 网络结构 .8 2.1.1 直联型 .8 2.1.2 级联性与线性相位结构.8 2.1.3 频率采样结构.9 2.2 频率采样结构有两个突出优点 10 第 3 章 FIR 数字滤波器的设计.11 3.1 FIR 滤波器设计.11 3.1.1 FIR 数字滤波器的简介 11 3.1.2 FIR 数字滤波器的传统设计方法 11 3.1.3 线性相位 FIR 数字滤波器的条件和特点.11 3.1.4 FIR 数字滤波器设计原理分析 12 3.2 采用窗函数方法设计线性相位 FIR 滤波器的方法13 3.3 小波分析法15 3.3.1 的结构特征.16 3.3.2 小
7、波分析.16 3.3.3 滤波器设计的小波方法.17 3.4 利用频率采样法设计 FIR 滤波器18 3.4.1 用频率采样法设计滤波器的线性相位条件.18 3.4.2 逼近误差及改进措施.18 3.5 切比雪夫逼近法设计 FIR 滤波器19 3.5.1 切比雪夫法最佳一致逼近准则.19 3.5.2 利用最佳一致逼近准则设计线性相位滤波器.20第 4 章 MATLAB 仿真 .22 4.1 MATLAB 的背景.22 4.2 MATLAB 在 FIR 中的应用.22 4.3 FIR 滤波器的 MATLAB 仿真实例.23 第 5 章 数字滤波器的实现.27 5.1 数字滤波的实现方法 27 5
8、.2 FIR 数字滤波器的 C54 实现.28 5.2.1 TMS320C5402 简介28 5.2.2 TMS320C5402 编程.28 5.2.3 FIR 滤波器在 TMS320C5402 中的实现.29 5.3 硬件描述语言（HDL）31 5.3.1 HDL 设计方法 31 5.3.2 VHDL 语言.31 5.4 采用 FPGA 的实现32 5.4.1 研究思路及方法 .33 5.4.2 FPGA 的设计流程.35 5.5 FIR 滤波器的模块划分.36 5.5.1 输入模块37 5.5.2 乘累加模块37 5.5.3 锁存模块38 5.5.4 控制模块385.6 总结与展望.38【
9、致谢】39参考文献40附录 1：电路仿真.41附录 2：执行程序.43附录 3：英文原文.46中文翻译 .57前前 言言模拟滤波器与数字滤波器的设计对工程，应用数学及计算机科学都是非常重要的。对设计人员来说，滤波器是控制，信号处理和通信领域的重要组成部分。 在数字信号处理中，数字滤波是其基本处理方法之一，占有极其重要的地位。数字信号发展过程中的另一个重大进展是数字滤波器按单位脉冲响应 h(n)的长度分类可分有限脉 冲响应(FIR)滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器。两者各有优缺点： IIR滤波器能以较低的 阶次获得相同的幅度滤波性能，但一般为非线性相位； FIR滤波器单位脉冲响应是有限长 的
10、，系统必定稳定，且可以做成严格的线性相位，故在图像处理、数据传输等需要信道具 有线性相位特性的场合应用广泛。 FIR滤波器的设计方法有窗函数法、频率抽样法等，两种 方法分别从时域和频域为出发点来进行设计。 早在 20 世纪 90 年代中期，MATLAB 就已成为国际公认的信号处理的标准软件和开 发平台。MATLAB 是英文 MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。该软件包括：数值 分析、矩阵计算、数字信号处理、建模和系统控制等应用程序。 MATLAB 语言简洁、紧 凑、使用方便，有丰富的运算符号和库函数，还具有结构化的控制语句和面向对象编程的 特点，随着其版本的功能越来越强，从
11、而被广泛用于仿真技术、自动控制和数字信号处理 等领域。 随着微电子技术及计算机辅助设计 (CAD)、辅助工程（CAE）的发展，特别是近二十 年来，可编程 ASICFPGA，CPLD、EPLD 和硬件描述语言 ABEL、VHDL 的产生和发 展，把电子系统设计与实现推向了一个全新的概念 -电子系统设计自动化(ESDA)。它 可以采用自顶向下的设计方法，从系统行为级的数学模型描述与仿真论证系统的可行性及 确定最佳方案：它可以采用自顶向下的递阶结构加强结构化，既易于设计调试，又便于对 问题的查找和解决。它可以采用原理图、硬件描述语言或状态机等多种方法输入，并可调用软件系统提供的丰富的库文件，生成数字
12、电路并映射到可编程逻辑器件中，进行逻辑功 能仿真及实现后的时延仿真，设计者只需根据仿真结果修改电路直到满足设计要求，从而 可以编程 ASIC 的片上设计与调试替代了板级设计与调试。所有这些都可以在计算机平台 上通过支持系统设计实现的 EDA 软件在实验室里进行，极大地提高了产品的开发效率。这 不仅使复杂数字系统实现了系统设计自动化、系统生成单片化、系统设计与实现用户化， 而且还把设计者从繁琐的工作中解脱出来，集中精力从事创造性的工作。可编程逻辑器件 是一种可以构成各种用途逻辑的通用芯片，它是实现专用集成电路 ASIC（Application Specific Integrated Circui
13、t）的半定制器件，它的出现和发展使电子系统设计师借助于 CAD 手段在实验室里就可以设计自己的 ASIC 器件。特别是 FPGA（Field Programmable Gate Array）的产生与发展，使其成为继微处理器、存储器之后的为电子数字系统设计而确定的 又一种新的工业标准(即可以按标准产品目录在销售市场上购到 )。数字系统正朝向以微处 理器、存储器、FPGA 三种标准积木块构成的集成方向发展。数字信号处理器(Digital Signal Processor)是一种适合对数字信号进行高速实时处理的 专用处理器，其主要用来实时快速地实现各种数字信号处理算法。在当今的数字化时代背景下，DS
14、P 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。第 1 章 滤波器的基本概念1.1 滤波器的原理和分类1.1.1 滤波器的实现步骤滤波器是用于根据给定的要求对信号频谱进行修改或整形。 通常，大多数的滤波器的功能是分离需要的信号与不需要的信号或噪声。信号或噪声一般根据其在频带内的频率成分或信号的能量进行描述，滤波器的技术指标一般是指频域 内的幅频响应，增益或衰减。 滤波器是指用来对输入信号进行滤波的硬件或软件。如果滤波器的输入、输出都是离 散信号，则该滤波器的冲击响应也必然是离散的，这样的滤波器定义为数字滤波器。一个 数字滤波器可以用一个系统函数表示如下：(1.1) )()(1)(10
15、zXzYzazb zHNkk kMii i 数字滤波器的功能，就是把输入序列 X(n)通过一定的运算变换成输出序列 Y(n)。 一旦知道了对滤波器的要求，就可以确定滤波器的技术指标，设计是从技术指标开始 的，滤波器实现的过程包括四个一般步骤： (1)函数逼近(2)电路实现 (3)缺陷研究 (4)产品实现 函函数数逼逼近近是产生满足理想技术指标的转移函数。 电电路路实实现现滤波器的转移函数转换为方框图（也叫数字滤波器网络）或转换为乙组对输 入数字序列进行顺序计算的方程。 缺缺陷陷研研究究研究各种非理想因素的影响，如存储采样值和稀疏的有限字长，或在不违反 滤波器技术指标的条件下所允许的最大化量步长
16、。 产产品品实实现现使用硬件（DSP 处理器，专用硬件，常用 VLSI 芯片）或者在普通计算机， 专用计算机或阵列处理器上运行的软件构建滤波器的原型，需要作出以下判定：（ a）期 间的类型；（b）制造方法、数据字长、系数字长等等。1.1.2 采样定理自然界发生的信号一般都是连续的，如果我们选用数字系统（如计算机）来处理信号， 就需要把连续信号转化为数字信号，可能还要把结果在转化为连续信号。数字系统应该能去除不需要的信号及干扰信号。 在处理信号之前，必须选择采样周期和量化电平数，采样周期选择错误会产生严重误 差并丢失信息。一个重要的定理叫做采样定理 ，它给出了选择采样周期 T 准则。为了对采样定理的重要性有一个感性的认识，我们先考虑一频率的正弦信号。对频率为的连续正弦信号采样时，采样定理要求采样频率应大于的af)2sin()(aaatftx0faf 两倍：=1/T
