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1、目录0 前言1课题背景及意义1数字滤波器开展现状和研究方向2本文主要研究内容和内容安排21 数字滤波器理论根底4滤波器简介4滤波器用途4滤波器种类61.3.1 滤波器分类61.3.2 FIR滤波器特性8设计滤波器时的特征参数10所用工具介绍112 多速率信号和采样率转换13多速率信号概述13插值和抽取13抽取Decimation13插值Interpolation15插值滤波器16插值滤波器简介16插值滤波器的原理17插值滤波器的几种根本结构19小结233系统设计及实现24滤波器的整体设计思路24滤波器设计方法24插值滤波器指标25插值滤波器的系统结构253.2 插值滤波器的具体设计273.2.
2、1 半带滤波器的设计273.2.2 CIC插值滤波器的设计32插值滤波器的实现364 模型仿真与验证37各级滤波器程序仿真结果374.2 插值模型simulink仿真结果384.3 结论验证435 结论44致谢45参考文献46附录A47附录B640前言本文的内容是数字插值滤波器，是数字音频系统中的SigmaDelta数模转换器DAC中常用的模块，DAC是一种将输入信号转换成模拟信号输出的电路或器件，它被广泛地用在信号采集和处理、数字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。数字化、智能化和网络化是当代信息技术开展的大趋势，数字化是智能化和网络化的根底，在实际生活、工业生产以及科学研究中遇到的
3、信号多种多样，需要对这些信号和系统参数进行采集、加工和控制，而这些量往往是非电的的模拟量，模拟信号是自变量为时间的连续函数。经过时间上的离散化采样和幅度上的离散化量化，这类模拟信号便成为数字信号，因此数字信号实际上是用数字序列表示的信号。数字信号处理就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。例如，对数字信号进行滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰，或将他们与其他信号进行别离；对信号进行频谱分析或功率分析以了解信号的频谱组成，进而对信号进行识别；对信号进行某种变换，使之更适合于传输，存储和应用；对信号进行编码以到达数据压缩的目的等等。数字滤波技术是数字信号分析、处
4、理技术的重要分支。无论是信号的获取、传输还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号平安可靠和有效灵活的传输是至关重要的。在所有电子系统中，使用最多技术最复杂的要算数字滤波器了，数字滤波器的优劣直接决定产品的优劣。模数转换器是数字电子系统和模拟电子系统之间的常用接口电路，在音频DAC结构中，系统组成如图1所示： 图1 信号处理流程 Fig1 Signal Processing flow在现代先进的电子系统前端和后端都要用到高性能包括高分辨率、高速、低功耗、小面积等的模数转换器和数模转换器，以改善数字处理技术的性能，特别是在诸如雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能控制器与
5、传动器，以及包括无线 和基站接收机在内的现代数字通讯系统。ADC及DAC器件的开展与广泛的应用也和数字技术开展分不开的，当然也与微处理器和数字信号处理器的普及有很大的关系。过去ADC及DAC主要应用与数据采集系统、工业过程控制、测量及分析等领域，近年来数字技术进入音频及视频领域，特别是CD、VCD、DVD及各种便携式音频器件；无线数字通信开展神速，数码相机、智能相机渐取代传统相机，车载数字音响也不断增加，总之，数字技术快速开展和应用领域越来越宽，使ADC及DAC器件也相应获得较快的开展与进步。插值滤波器位于整个DAC最前端，它主要作用是为调制器提供足够过采样的数据流，同时保证通过数据流要有足够
6、的信噪比，从而保证后端的调制器和低通滤波器正常工作。数字滤波器开展现状和研究方向不管是模拟还是数字滤波器，均经历了由简到繁以及性能逐步提高的开展历程。1917年美国和德国科学家分别创造了LC滤波器，次年LC滤波器得到大力开展，导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代，无源滤波器日趋成熟。自60年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的开展，滤波器开展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价格低廉方向开展，其小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代后的主流方向，并导致了RC有源滤波器、开关电容滤波器、电荷转移器和数字滤波器等各种滤波器的飞速开展。70
7、年代后期，上述滤波器的单片集成芯片已被研制出来并且得到应用。在80年代，人们开始致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年至今，各国主要致力于把各类滤波器应用与各类产品的开发和研制中，当然，对滤波器本身的研究也在不断继续。本文主要研究内容和内容安排在充分调研了滤波器的用途和种类、工作特性等相关资料后，阐述了数字滤波器的根本原理和应用领域，提出了适合用于音频系统的数字插值滤波的设计。首先从过采样率着手，介绍数字插值滤波器的数学推导、工作原理和系统结构。接着对需要研究的插值滤波器进行系统分析，动手设计插值滤波器，最后测试仿真插值的结果。本文的内容安排如下：前言局部，简单介绍
8、了论文的课题背景意义，滤波器开展状况和研究方向，最后总结了本文所要完成的主要工作。第一章给出了设计本文数字滤波器相关的理论介绍，包括滤波器的分类、用途和选用FIR滤波器的优良线性相位的原因。第二章由多速率信号引入采样率的问题，采样率提高即使插值的过程，接着又详细介绍了插值滤波器的作用、插值原理的数学公式推导、插值滤波器的几种结构等等，为设计插值滤波器做好理论支撑。第三章开始正式设计数字插值滤波器，综合阐述设计的指标、参数、类型，对半带滤波器和CIC滤波器这两种滤波器进行设计，本文整体设计采用多级多采样率信号处理电路，最后利用Matlab完成整个模型的设计。第四章对模型进行全面仿真，验证模型插值
9、效果和模型是否正确。第五章全面总结本次论文设计的内容和出现的问题。1 数字滤波器理论根底滤波器简介滤波器是一种用来减少或消除干扰的电气部件，其功能是将输入信号进行过滤处理得到所需信号。最常见用法是对特定频率的频点或改频点以外的频率信号进行有效滤除，从而实现消除干扰、获取某特定频率信号的功能。其更广泛的定义是将但凡有能力进行信号处理的装置都称为滤波器。数字滤波器，通常定义为通过对数字信号的运算处理，改变信号频谱，完成滤波作用的算法或装置，其输入、输出均为数字信号，实质上一个由有限精度算法实现的线性时不变离散系统。它的根本原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换，改变输入序列的频谱或信号
10、波形，让有用的频率信号分量通过，抑制无用的信号分量输出。数字滤波器既可以用计算机软件实现，也可以用大规模集成数字硬件实现，计算机软件可以理解为一个计算程序或者算法，将输入的数字时间序列信号转换为输出数字时间序列信号，并在转换过程中使信号按预定的形式变化。滤波器用途数字滤波器是数字信号处理的一局部。数字信号处理主要是研究数字或符号的序列来表示信号波形，并用数字的方式去处理这些序列，把它们改变成在某种有意义上更为有效的形式，以便估计信号的特征参量，或削弱信号中的多余分量和增强信号中的有用分量，具体来说但凡用数字方式对信号进行滤波、变换、调制、解调、均衡、增强、压缩、固定、识别、产生等加工处理，都可
11、以纳入数字信号处理领域。随着信息时代的到来，滤波器广泛用于语音信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理等现代电子设备和各类控制系统中，以只列举局部最成功的领域。1语音处理语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，主要包括五方面：第一，语音信号分析。即对语音信号的波形特征、统计特性、模型参数等进行分析计算；第二，语音合成。即利用专用数字硬件或在通用计算机上运行软件产生语音；第三，语音识别。即用专用硬件或计算机识别人讲话；第四，语音增强。即从噪音或干扰中提取被掩盖的语音信号；第五，语音编码。主要用于语音数据压缩，目前已建立语音编码的国际标准，大量用于通信和音频处理。2图像处理数字滤波技术成功应用与静
12、止图像和活动图像的恢复和增强、数据压缩、去噪音和干扰、图像识别以及层析X射线摄影，还成功的应用于雷达、声纳、超声波和红外信号的可见图像成像。3通信在现在通信技术领域中，几乎没有一个分支不受到数字滤波技术的影响。信源编码、调制、多路复用、数据压缩以及自适应信道均衡等，都广泛的采用数字滤波器，特别是数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用，通信技术开展的未来方向是软件无线电技术，更是以滤波器技术为根底。4电视数字电视取代模拟电视已是必然趋势，高清晰度电视、可视 和会议电视产品不断更新换代。视频压缩和音频压缩技术促成电视领域产业的开展，而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的根底。5
13、雷达雷达的信号占有的频谱非常宽，数据传输速率也很高，因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的主要问题。现代雷达系统中，从信号的产生、滤波、加工到目标参数的估计和目标成像显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活泼的研究领域之一。6声纳声纳信号处理分为两大类，即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理，有源声纳系统设计的许多理论和技术与雷达系统相同，都要产生和发射脉冲式探测信号，信号处理任务主要是对微弱的目标回波进行检测和分析，从而到达对目标进行探测、定位、跟踪、导航、成像显示等目的，它们要应用到主要信号处理技术包括滤波、门限比拟、谱估计等。7生物医学信号处理数字滤波器
14、在医学中的应用日益广泛，如对脑电图和心电图的分析、层析X射线摄影的计算机辅助分析、胎儿心音的自适应检测等。8音乐 数字滤波器在音乐领域开辟了一个新局面，对音乐信号进行编辑、合成、以及在音乐中参加回响、合声等特殊效果方面，数字滤波技术都显示出了强大的威力。数字滤波器还可应用与作曲、录音和播放，或对旧录音的音质进行恢复等。滤波器种类 滤波器分类1从处理信号形式来讲：可分为模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器由电阻、电容、电感、运放等电气元件组成，对模拟信号进行滤波处理；数字滤波器那么是通过软件或数字信号处理器件对离散化的数字信号进行滤波处理，随着数字信号处理理论的成熟、实现方法的不断改良，以及数字信号
15、处理器件性能的不断提高，数字滤波器技术的应用也越来越广泛，并竞相成为广阔技术人员研究的热点，综合起来，与模拟滤波器相比，数字滤波器的特点从表1-1简要列出：表1-1 模拟与数字滤波器性能比拟Table1-1 The comparision of analog and digital filters in characteristic 模拟滤波器数字滤波器系统连续时间离散时间系统工作方式物理网络实现功能数字运算器件精度有限很高 信噪比存在电阻热等噪声采用适宜结构，降低输入噪声，使信噪比更高 可靠性元件易随外界条件而变稳定可靠 处理能力不受频率等限制受采样频率限制 使用方式直接购置软件程序或者可编程器件自己搭建2数字滤波器比拟通用分类为：经典滤波器和现代滤波器a 经典滤波器是假定输入信号x(n)中的有效信号和噪声或干扰信号分布在不同的频带，当x(n)通过一个线性滤波系统后，可
