本文闡述了數(shù)字濾波器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，對(duì)FIR和IIR濾波器進(jìn)行了比較，對(duì)數(shù)字濾波器的應(yīng)用范圍、應(yīng)用前景和發(fā)展歷程作了詳細(xì)的說(shuō)明。介紹了利用MATLAB設(shè)計(jì)FIR濾波器的各種方法（包含窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、頻率樣本設(shè)計(jì)法、等波動(dòng)法和最小二乘法）以及如何用MATLAB中的濾波器設(shè)計(jì)工具fdat001 設(shè)計(jì)各種類型的濾波器。

　　選用TMS320LF2407A作為處理芯片進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，根據(jù)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)設(shè)計(jì)了外圍電路，包括時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路、DSP芯片供電電源電路、A／D數(shù)據(jù)采集、D／A數(shù)據(jù)恢復(fù)、前置放大電路及sPI串行通信接口電路、sPI接口寄存器配置等基本內(nèi)容，結(jié)合外圍電路原理完成系統(tǒng)原理圖硬件電路設(shè)計(jì)。

　　軟件設(shè)計(jì)中通過(guò)MATLAB／SIMuLINK環(huán)境中圖形化的方式建立數(shù)字信號(hào)處理的模型進(jìn)行DsP的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)的圖形文件．mdl直接轉(zhuǎn)換成c 語(yǔ)言程序在CcS中運(yùn)行。軟件通過(guò)添加A巾、D／A接口程序，調(diào)試、編譯后就

　　可以下載到DsP目標(biāo)板中。利用MATL～B軟件開發(fā)產(chǎn)品加速了開發(fā)周期，比直接在ccs中編程方便快捷了很多，對(duì)于任何復(fù)雜功能的DsP系統(tǒng)，只需要進(jìn)行少量的添加和修改就能完成功能正確的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。

　　以一個(gè)F氓數(shù)字帶阻濾波器的實(shí)現(xiàn)為例對(duì)TMS320LF2407A硬件接口電路及DSP程序進(jìn)行調(diào)試，使之達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)的電路通過(guò)軟件進(jìn)行了驗(yàn)證并進(jìn)行了環(huán)境實(shí)驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)證明了電路工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)驗(yàn)證了FIR數(shù)字濾波器的線性相位，從該濾波器的相頻響應(yīng)曲線可以看出，濾波器輸入和輸出波形只有時(shí)間上的延遲，沒(méi)有波形畸變。該Fm濾波器的相位響應(yīng)可為嚴(yán)格的線性，因此它不存在延遲失真，只有固定的時(shí)間延遲，適用于圖像信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)。

　　數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）已經(jīng)發(fā)展了20多年，最初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)電得到很好的應(yīng)用。數(shù)字控制系統(tǒng)克服了模擬控制系統(tǒng)電路功能單一、控制精度不高的缺點(diǎn)，它抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，增強(qiáng)了控制的靈活性。所謂信號(hào)處理是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、分析、加工、提取特征參數(shù)等的過(guò)程1”。在電子儀器和測(cè)量中，最典型的是用頻譜分析儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而了解和取得信號(hào)的頻率（或頻譜）特性。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展起來(lái)以前，這一過(guò)程只能用傳統(tǒng)頻譜分析儀實(shí)現(xiàn)。眾所周知，這種傳統(tǒng)的頻譜分析儀，無(wú)論在設(shè)計(jì)制造還是所采用的元器件方面，都要求較高的水平。尤其是頻率范圍寬、指標(biāo)高的，設(shè)計(jì)制造的難度就更高，而其價(jià)格也非常昂貴。自從計(jì)算機(jī)及隨之而興起的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展和目趨成熟起來(lái)以后，信號(hào)頻譜分析的途徑，正在逐步由DSP所取代㈦。隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，它在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，數(shù)字濾波器十分重要并以獲得廣泛應(yīng)用。

　　作為信號(hào)處理，和頻譜分析最直接相關(guān)的是傅立葉變換即FFT。人們已經(jīng)熟知，離散傅立葉變換（即DFT）和數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理器的基本內(nèi)容。目前，DFT已有許多實(shí)用有效的快速DFT算法即FFT算法和軟件，其性能主要決定于采樣（實(shí)際上還包括模／數(shù)轉(zhuǎn)換）率和處理器的運(yùn)算速度吲。將任意信號(hào)（主要是反映客觀物理世界的各種變化量，而且多半是連續(xù)變化的模擬量）轉(zhuǎn)換為能夠由處理器處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)這一過(guò)程稱為”數(shù)字化”，它包括采樣和量化兩個(gè)步驟，量化即通常所說(shuō)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣的速率和被處理的信號(hào)有關(guān)。為了保證數(shù)字化后的信號(hào)數(shù)據(jù)不喪失原信號(hào)的特性，采樣頻率應(yīng)大于或至少等于信號(hào)截止頻率的2倍。這就是著名的奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，或稱奈奎斯特采樣率。奈奎斯特采樣定理是很容易證明的。至于處理器的運(yùn)算速度，眾所周知，現(xiàn)在的微機(jī)已達(dá)數(shù)百甚至上干兆赫的水平。為了提高或?qū)崿F(xiàn)主要是FFT等運(yùn)算的高速化，美國(guó)德州儀器公司（TI）很早開始就一直致力于專用的數(shù)字信號(hào)處理器芯片的研制和生產(chǎn)。著名TMs320系列芯片已為科技界所熟知。據(jù)最近報(bào)道，新的TM320c64 x的運(yùn)行速度己商達(dá)600MHz， 其內(nèi)核的8個(gè)功能單元能在每個(gè)周期同時(shí)執(zhí)行4組16位MAC運(yùn)算或88位MAC運(yùn)算。單個(gè)C 64x DSP芯片能同時(shí)完成一個(gè)信道的MPE（H視頻編碼，一個(gè)信道的MPEG4視頻解碼和一個(gè)MPEG2視頻解碼，并仍有50％的余量留給多通道語(yǔ)音和數(shù)據(jù)編碼，自然，還有其他一些廠商也研制生產(chǎn)了不少品種專用或通用的數(shù)字信號(hào)處理器芯片口。

　　數(shù)字濾波作為數(shù)字信號(hào)處理的重要組成部分有著十分廣泛的應(yīng)用前景，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前置處理。同時(shí)用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受外界影響等優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈活性好的特點(diǎn)，可對(duì)DSP芯片編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的參數(shù)修改，進(jìn)而十分方便地修改濾波器的特性。因此基于DSP的數(shù)字濾波被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音、圖像、軟件無(wú)線電等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。

　　在數(shù)字信號(hào)處理中，數(shù)字濾波占有極其重要的地位。數(shù)字濾波是語(yǔ)音和圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中的～個(gè)基本處理算法。在許多信號(hào)處理應(yīng)用中使用數(shù)字濾波器代替模擬濾波器是有利的。數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問(wèn)題。用DsP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點(diǎn)【6】。用可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域

　　例如聲學(xué)、物理學(xué)、通信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)都涉及信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。這些過(guò)程都可能包含衰減一個(gè)頻率范圍阻止或隔離一些頻率成分。數(shù)字濾波器擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，例如數(shù)字圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等。

　　數(shù)字濾波在數(shù)字信號(hào)處理中占有重要的地位，數(shù)字濾波器又分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）和有限沖激響應(yīng)濾波器gIR）。FIR濾波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)相位要求比較嚴(yán)格的條件下， 易采用Fm數(shù)字濾波器。同時(shí)， 由于在許多場(chǎng)合下， 需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理， 因而對(duì)于單片機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。普通的單片機(jī)例如MCS 5l難以滿足這一要求。由于DSP控制器具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理，獨(dú)立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式， 采用DsP控制器就可以提高數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的能力，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)做到實(shí)時(shí)處理用可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波可通過(guò)修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、通信、數(shù)據(jù)通信、

　　控制系統(tǒng)和雷達(dá)都涉及信號(hào)。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個(gè)信號(hào)的頻譜加以修改、整形或運(yùn)算。這些過(guò)程都可能包含衰減一個(gè)頻率范圍阻止或隔離。些頻率成分。數(shù)字濾波器擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，例如數(shù)字圖象處理、模式識(shí)別、譜分析等。一個(gè)帶寬受限的連續(xù)時(shí)間信號(hào)能夠通過(guò)采樣的方法變換成離散時(shí)間信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后離散時(shí)間信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換回連續(xù)時(shí)間信號(hào)。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（Fm）數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。

　?。?）對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力有了明顯提高，這對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了促進(jìn)作用。

　?。?）數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來(lái)更加方便、靈活。數(shù)字信號(hào)處理（Di鰣al Signal Processing）是利用專用處理器或計(jì)算機(jī)，以數(shù)字的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們要求的信號(hào)形式。數(shù)字信號(hào)處理器（D罾tal Signal Processor，簡(jiǎn)稱DSP）是一種處理數(shù)字信號(hào)的專用微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并且增加了特殊的指令專門用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效率更高。

　　1．2課題研究的現(xiàn)狀

　　凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來(lái)為各國(guó)所重視。

　　1917年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明r Lc濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代無(wú)源濾波器日趨成熟。自60年代起由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向。導(dǎo)致Rc有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展， 到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成己被研制出來(lái)并得到應(yīng)用。80年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。

　　我國(guó)廣泛使用濾波器是50年代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國(guó)際發(fā)展步伐，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來(lái)，使得我國(guó)許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國(guó)際發(fā)展有一段距離。我國(guó)現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率己基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無(wú)源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國(guó)各類濾波器的應(yīng)用情況：Lc濾波器占50％；晶體濾波器占20％；機(jī)械濾波器占15％；陶瓷和聲表面濾波器各占1％；其余各類濾波器共占13％。從這些應(yīng)用比例來(lái)看，我國(guó)電子產(chǎn)品耍想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個(gè)重要課題。

　　在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)源到有源和從模擬到數(shù)字兩個(gè)過(guò)程。高精度無(wú)源濾波器從設(shè)計(jì)到制造都是難度非常高的技術(shù)。有源濾波器雖然很大地改進(jìn)了濾波器的性能，電降低了一些制造工藝的難度，但從其性能的大幅度改進(jìn)，與其它信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器后來(lái)居上。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波器的性能要求越來(lái)越高，功能電越來(lái)越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。