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文 献 综 述 1 研究目的及意义 现代社会的人们每天都会与各种各样的载有信息的信号密切接触，例如电话铃、交通红绿灯、电视机、手机收到的电磁波等，分别称为声信号、光信号、电信号。信号是各类消息的运载工具，是某种变化的物理量。各类信号只有经过一定的处理才能具有使用意义。信号处理就是对信号进行分析。变换、综合、识别等加工，已达到提前有用信息和便于利用的目的。如果处理的设备使用模拟部件，则处理方式为模拟信号处理（Analog Signal Processing，ASP）。若系统中的部件使用数字电路，信号也是数字信号，这样的处理方法就是数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）。 进行信号处理的一个重要部件之一就是滤波器，其作用是使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分。按信号种类可以分为模拟滤波器以及数字滤波器。 模拟滤波器是指能对模拟或连续时间信号进行滤波的电路和器件。按滤波器中是否有有源器件，模拟滤波器可分为无源和有源两类。有源滤波器由无源元件和有源器件组成，其自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95%以上。缺点为价格高，容量小，可靠性不如无源滤波器高。无源滤波器是指仅由无源元件组成的滤波器，它利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应。 数字滤波器是指采用数字电路实现信号滤波的电磁波滤波器，按实现方法，其划分为：无限脉冲响应滤波器（IIR滤波器）、有限脉冲响应滤波器（FIR滤波器）。IIR滤波器的单位脉冲响应为无限长，网络中有反馈回路，而且其主要对幅频特性进行逼近， |
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相频特性会存在不同程度的非线性。FIR滤波器的单位脉冲是有限长的，一般网络中没有反馈回路，其优点是硬件和软件实现结构简单，不用考虑稳定性问题，可以实现线性相位滤波。 自20世纪60年代以来，随着计算机和信息学科的快速发展，数字信号处理的理论与应用得到了飞跃式的发展。如今，数字信号处理技术已经在通信、自动控制、航空航天、军事、仪器仪表、家用电器等领域得到了广泛的应用[1]。在现代计算机和相关的技术发展以前，这一过程只能由传统频谱分析仪来实现。而传统的频谱分析仪，无论在设计制造还是所采用的元器件规格方面，都要求比较高。而自从计算机制造技术以及随之兴起的数字信号处理技术渐渐趋于成熟后，信号频谱分析的途径，正在逐步被DSP所取代[2]。 在模拟与数字信号处理两种方法的对比中，数字滤波可作为应用系统对信号的前置处理，克服了与模拟滤波器器件性能相关的电压漂移、温度漂移和噪声问题。在许多应用中设计者都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算。这些过程都可能包含衰减一个频率范围，阻止或隔离一些频率成分，用数字滤波器来实现这些功能是方便、有效、可行的[3]。同时用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受外界影响等优点外，还具有灵活性好的特点，可对DSP芯片编程来实现数字滤波的参数修改，进而十分方便地修改滤波器的特性。因此基于DSP的数字滤波被广泛应用于语音、图像、软件无线电等领域，具有广阔的发展空间[4]。总的来说，数字滤波器与传统的通过硬件电路实现的模拟滤波器相比有以下优点[5]： （1）精度高 模拟电路中元件精度很难达到10-3以上，而数字系统17位字长就可以达到10-5，因此在一些精度要求很高的滤波系统中，就必须采用数字滤波器来实现。 （2）灵活性大 数字滤波器的性能主要取决于乘法器的各系数，而这些系数是存放在系数存储器中的，只要改变存储器中存放的系数，就可以得到不同的系统。 （3）可靠性高 因为数字系统只有两个电平信号：“1”和“0”，受噪声及环境条件的影响小，而模拟滤波器各个参数都有一定的温度系数，易受温度、振动、电磁感应等影响。并且数字滤波器多采用大规模集成电路，如用CPLD或FPGA来实现，也可以用专用的DSP处 |
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理器来实现，这些大规模集成电路的故障率远比众多分立元件构成的模拟系统的故障率低。 （4）易于大规模集成 因为数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，且数字滤波电路主要工作在截止或饱和状态，对电路参数要求不严格，因此产品的成品率高，价格也日趋降低。相对于模拟滤波器，数字滤波器在体积、重量和性能方面的优势已越来越明显。比如在用一些用模拟网络做的低频滤波器中，网络的电感和电容的数值会大到惊人的程度，甚至不能很好地实现，这时候若采用数字滤波器则方便的多。 （5）并行处理 数字滤波器的另外一个最大优点就是可以实现并行处理，比如数字滤波器可采用DSP处理器来实现并行处理。TI系列的DSP芯片采用多条指令并行处理的结构，时钟频率为几十 MHz的DSP芯片，可高达几百MIPS（即每秒执行百万条指令）。基于上述众多优点它正在各种工程技术领域里快速发展，并且在许多的应用领域逐步代替了传统的模拟滤波器，所以，对数字滤波器的研究具有很重要的实际意义。 2 课题研究概况 数字信号处理学科的一项重大进展是关于数字滤波器设计方向的研究。早在上个世纪 40 年代末期，国外的技术研究人员就讨论过关于数字滤波器的可能性问题；在50年代也有人讨论过数字滤波的问题。在这一段时期，科学家们做了大量的卓有成效的工作，这些工作为后来的数字滤波器的飞速发展起到了极其重要的奠基作用[6][7]。 1965年库利（Cooley）和图基（Tukey）提出了著名的快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT），极大地降低了傅里叶变换的计算量，从而为数字信号的实时处理奠定了算法基础。从此以后，各种各样的快速傅立叶变换相继出现，在数字滤波领域，开始形成关于数字滤波器的一整套完整的正规理论。在这一时期，提出了各种各样的数字滤波结构，有的以运算误差为最小误差为特点，有的则以运算速度快见长，而有的则二者皆有，出现了数字滤波器的各种实现方法，对递归和非递归两类滤波器作了全面的比较，统一了数字滤波器的基本概念和理论[8][9][10]。 数字滤波器的一个重要发展是对有限冲激响应（FIR）和无限冲激响应（IIR）关系 |
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的认识转化[11]。在初期，一般认为IIR滤波器比FIR滤波器具有更高的运算效率，因而明显地趋向于前者。后来，当人们提出用快速傅利叶变换（FFT）实现卷积运算的概念之后，发现高阶 FIR 滤波器也可以用很高的运算效率来实现，这就促使人们对高性能FIR滤波器的设计方法和数字滤波器的频域设计方法进行了大量的研究，从而出现了此后数字滤波器设计中频域方法与时域方法并驾齐驱的局面[12][13]。由于以前计算机主机的价格很昂贵，严重阻碍了数字滤波器的发展，但随着现代计算机技术的飞速发展，数字滤波器制造技术也越来越成熟，并以其自身的优势正在加速进入各种工业领域[14]。 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率己基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题[15]。 |
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参考文献 [1]吉建华. DSP原理与开发实例[M].北京：机械工业出版社，2014. 1-2. [2]付家才. DSP控制工程实践技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005. 169-180. [3]周利清，苏菲. 数字信号处理基础[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2005. [4]飞思科技产品研发中心. MATLAB7辅助信号处理技术与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005. [5]阎毅，黄联芳等. 数字信号处理[M]. 北京：北京大学出版社，2006. 162-193. [6]张贤达. 现代数字信号处理[M]. 北京：清华大学出版社，1984. 192-221. [7]胡广书，崔子经. 数字信号处理-一门正在蓬勃发展的新科学[J]. 电子科技导报，1995，3(1): 19-21. [8]祁才君. 数字信号处理技术的算法分析与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005. 154-171. [9]王欣. 离散信号的滤波[M]. 北京：电子工业出版社，2002. 1-3. [10]胡广书. 数字信号处理-理论算法与实现[M]. 北京：清华大学出版社，1998. 1-5. [11]吴湘淇，肖 熙，郝晓莉. 信号系统与信号处理的软硬件实现[M]. 北京：电子工业出版社，2003. [12]戴悟僧. 数字信号处理导论[M]. 上海：上海科学技术出版社，2000. 79-96. [13]程佩青. 数字滤波与快速傅立叶变换[M]. 北京：清华大学出版社，1990. 107-213. [14]邓重一. 滤波器的过去、现在与未来[J]. 世界电子元器件，2001，(4): 48-19. [15]楼顺天，李博函. 基于MATLAB的系统分析与设计一信号处理[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，1998. 81-88. |
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