有限长单位冲激响应(FIR)低通数字滤波器的研究

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1、有限长单位冲激响应(FIR)低通数字滤波器的研究　　【摘要】本文主要介绍了FIR数字滤波器及其硬件实现方法，设计及应用。　　【关键词】FIR数字滤波器；实现方法；设计；应用　　Finiteimpulseresponse(FIR)low-passDigitalPowerFilter　　YangChen-xing　　(ShaanxiTianyuanCommunicationDesignConsultingCo.,LtdXi'anShaanxi10000)　　【Abstract】ThispaperdescribestheFIRdigitalfilteranditshardware

2、implementation,designandapplication.　　【Keywords】FIRdigitalfilters;Implementation;Design;Application　　1.引言　　在现代信号处理和电子应用技术领域，滤波器作为一种必不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置，并日益显示出其巨大的应用价值。长期以来，人们不断地探索滤波器的设计与实现方法，努力地追求着简化设计、减少体积、改善性能、提高灵活性和可靠性、便于制作等问题。随着微电子学迅速发展，以单个芯片进行FIR滤波器的设计正在发展和应用中。如今FIR滤波器的硬件设计有多种实现方法。第一

3、种是采用单片机来实现，但单片机的处理速度比较慢。第二种是采用专用的DSP芯片，但是DSP的串行指令执行发式，使其工作速度和效率大打折扣，因此当滤波器的系数增加或字长增长时，计算时间会成倍增加，从而降低了最大有效数据采样率。而且在一些高速的应用中，系统性能不断增长，而DSP性能的提高却落后于需求的增长。第三种是采用市场上通用的FIR滤波器集成电路，但由于它的通用性，很难满足设计者独特的要求。第四种是采用可编程逻辑器件的方法来实现。　　2.FIR数字滤波器及其硬件实现方法　　FIR数字滤波器基础　　数字滤波器是完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，

4、其输入是一组数字量，其输出是经过变换的另一组数字量。数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出优点。随着数字技术的发展，用数字技术设计滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用。　　FIR数字滤波器的原理。　　一个数字滤波器的系统函数可以用式来表示:　　H(Z)=∑mk=0bkz-k1-∑nk=1akz-k=Y(z)X(z)　　直接由H(z)得出表示输入输出关系的常系数线性差分方程为　　y(n)=∑nk=1aky(n-k)+∑mk=0bkx(n-k)　　可以看出，数字滤波器是把输入序列经过一定的运算(如式(2)所示)变换成输出序列。大多数普通的数字

5、滤波器是线性非时变的((lineartime-invariant，LTI)滤波器。对因果的FIR系统，其系统函数仅有零点(除z=0的极点外)，并且因为系数ak全为零，　　所以(2)式的差分方程就简化为　　y(n)=∑mk=0bkx(n-k)　　式可以认为是x(n)与单位脉冲响应h(n)的直接卷积。　　数字滤波器的根据单位脉冲响应h(n)的时间特性可分为无限长单位脉冲响应(IIR，infiniteimpulseresponse)数字滤波器和有限长单位脉冲响应(FIR，finiteimpulseresponse)滤波器两种。从离散时间域来看，若系统的单位取样响应延伸到无穷之

6、长，称之为IIR系统，若系统的单位取样响应是一个有限长序列，则称之为FIR系统。　　数字滤波器的基本结构。　　FIR滤波器有直接型、级联型和频率抽样型三种基本结构，其中直接型是最常见的结构。由于本次设计16阶低通FIR数字滤波器采用的是直接型数字滤波器结构，所以只对直接型结构作讨论。直接型结构图1所示:　　图1直接型结构　　这种结构也称为抽头延迟线结构，或称横向滤波器结构。从图1可以看出，沿着这条链每一抽头的信号被适当的系数(脉冲响应)加权，然后将所得乘积相加就得到输出Y(n).　　转置定理定义为，如果将网络中所有的支路方向倒转，并将输入x(n)和输出y(n)相互交换，则其

7、系统函数H(z)不变。将转置定理应用于图1，可以得出FIR的转置直接型结构如图2所示：　　图转置直接型结构　　3.FIR滤波器的设计　　FIR滤波器的设计　　数字滤波器无论是采用硬件实现还是软件实现的方案，首先应确定出数字滤波器的运算结构图。同一个系统函数或差分方程可以采用不同的结构来实现，而结构的不同又会影响系统的精度、稳定性、运算速度和采用运算单元的多少等许多重要的性能指标。　　FIR滤波器设计方法以直接逼近所需离散时间系统的频率响应为基础。设计方法包括窗函数法和最优化方法(等同波纹法)。而窗函数方法是设计FI