digital filter design
Abstract：
With the information age and the advent of the digital world, digital signal processing has become one of today#39;s most important disciplines and door technology. Digital signal processing in communications, voice, images, automatic control, radar, military, aerospace, medical and household appliances, and many other fields widely applied. In the digital signal processing applications, the digital filter is important and has been widely applied.
Keyword：SCM; Proteus, C language; Digital filter
figures Unit on :
Analog and digital filters
In signal processing, the function of a filter is to remove unwanted parts of the signal, such as random noise, or to extract useful parts of the signal, such as the components lying within a certain frequency range.
The following block diagram illustrates the basic idea.
There are two main kinds of filter, analog and digital. They are quite different in their physical makeup and in how they work. An analog filter uses analog electronic circuits made up from components such as resistors, capacitors and op amps to produce the required filtering effect. Such filter circuits are widely used in such applications as noise reduction, video signal enhancement, graphic equalisers in hi-fi systems, and many other areas. There are well-established standard techniques for designing an analog filter circuit for a given requirement. At all stages, the signal being filtered is an electrical voltage or current which is the direct analogue of the physical quantity (e.g. a sound or video signal or transducer output) involved. A digital filter uses a digital processor to perform numerical calculations on sampled values of the signal. The processor may be a general-purpose computer such as a PC, or a specialised DSP (Digital Signal Processor) chip. The analog input signal must first be sampled and digitised using an ADC (analog to digital converter). The resulting binary numbers, representing successive sampled values of the input signal, are transferred to the processor, which carries out numerical calculations on them. These calculations typically involve multiplying the input values by constants and adding the products together. If necessary, the results of these calculations, which now represent sampled values of the filtered signal, are output through a DAC (digital to analog converter) to convert the signal back to analog form.
Note that in a digital filter, the signal is represented by a sequence of numbers, rather than a voltage or current.
The following diagram shows the basic setup of such a system.
Unit refers to the input signals used to filter hardware or software. If the filter input, output signals are separated, they are bound to respond to the impact of the Unit is separated, such as digital filters filter definition. Digital filter function, which was to import sequences X transformation into export operations through a series Y.
According to figures filter function 24-hour live response characteristics, digital filters can be divided into two, namely, unlimited long live long live the corresponding IIR filter and the limited response to FIR filters. IIR filters have the advantage of the digital filter design can use simulation results, and simulation filter design of a large number of tables may facilitate simple. It is the shortcomings of the nonlinear phase; Linear phase if required, will use the entire network phase-correction. Image processing and transmission of data collection is required with linear phase filters identity. And FIR linear phase digital filter to achieve, but an arbitrary margin characteristics. Impact from the digital filter response of the units can be divided into two broad categories : the impact of the limited response (FIR) filters, and unlimited number of shocks to (IIR) digital filters.
FIR filters can be strictly linear phase, but because the system FIR filter function extremity fixed at the original point, it can only use the higher number of bands to achieve their high selectivity for the same filter design indicators FIR filter called band than a few high-IIR 5-10 times, the cost is higher, Signal delay is also larger. But if the same linear phase, IIR filters must be network-wide calibration phase, the same section also increase the number of filters and network complexity. FIR filters can be used to achieve non-Digui way, not in a limited precision of a shock, and into the homes and quantitative factors of uncertainty arising from the impact of errors than IIR filter small number, and FIR filter can be used FFT algorithms, the computational speed. But unlike IIR filter can filter through the simulation results, there is no ready-made formula FIR filter must use computer-aided design software (such as MATLAB) to calculate. So, a broader application of FIR filters, and IIR filters are not very strict requirements on occasions.
Unit from sub-functions can be divided into the following four categories :
Low-filter (LPF);
high-filter (HPF);
belt-filter (BPF);
to prevent filter (BSF).
The following chart dotted line for the ideals of the filter frequency characteristics :
MATLAB introduced
MATLAB is a matrix laboratory (Matrix Laboratory) is intended. In addition to an excellent value calculation capability, it also provides professional symbols terms, word processing, visualization modeling, simulation and real-time control functions. MATLAB as the world#39;s top mathematical software applications, with a strong engineering computing, algorithms research, engineering drawings, applications development, data analysis and dynamic simulation, and other functions, in aerospace, mechanical manufacturing and construction fields playing an increasingly important role. And the C language fun
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数字滤波器的设计
摘要：
随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为当今最重要的学科和门技术之一。数字信号处理在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等许多领域得到广泛应用。在数字信号处理应用中，数字滤波器具有重要的应用价值。
关键词：单片机；proteus；C语言；数字滤波器。
数字单元：
模拟数字滤波器
在信号处理中，滤波器的功能是去除信号中不需要的部分，例如随机噪声，或者提取信号中有用的部分，例如位于某一频率范围内的分量。
下面的框图说明了基本思想。
有两种主要的滤波器，模拟和数字。他们的体质和工作方式有很大的不同。模拟滤波器使用由电阻器、电容器和运算放大器组成的模拟电子电路来产生所需的滤波效果。这样的滤波器电路广泛用于降噪等应用，提高视频信号，音响系统中的图形均衡器，和许多其他领域。在给定的要求下，已经有了设计模拟滤波器电路的标准技术。在所有的阶段，被过滤的信号是一个电压或电流，它是物理量（例如声音或视频信号或传感器输出）的直接模拟。数字滤波器使用数字处理器对信号的采样值进行数值计算。处理器可以是通用计算机，如PC机或专用DSP（数字信号处理器）芯片。模拟输入信号必须先采样和数字化使用ADC（模拟数字转换器）。产生的二进制数代表输入信号的连续采样值，然后被转移到处理器上，对它们进行数值计算。这些计算通常包括将输入值乘以常数并将这些乘积相加。如果需要，这些计算结果现在代表滤波信号的采样值，通过DAC（数字到模拟转换器）输出，以将信号转换成模拟形式。
注意，在数字滤波器中，信号用数字序列表示，而不是电压或电流。
下图显示了这样一个系统的基本设置。
单元是用来过滤硬件或软件的输入信号。如果滤波器的输入、输出信号被分离，则它们对响应单元的冲击一定也是分离的，如数字滤波器的滤波定义。数字滤波功能，它是通过Y序列把输入的X序列转换为输出。
根据数字滤波功能的24小时现场响应特性，数字滤波器可以分为两种，即无限长响应对应的IIR滤波器和对FIR滤波器的有限响应。IIR滤波器的优点是数字滤波器设计可以使用仿真结果，而模拟滤波器的设计可以方便大量的表格的设计。这是非线性阶段的缺点; 如果需要线性相位，将使用完整的网络相位校正。 图像处理和数据采集传输需要线性相位滤波器的特性。而FIR线性相位数字滤波器的实现，却具有任意的余量特性。单元的数字滤波器响应的影响可以分为两大类：有限响应滤波器（FIR）的影响和（IIR）数字滤波器的无限次数的冲击。
FIR滤波器可以是严格的线性相位，但由于系统FIR滤波器的功能固定在原始点上，所以只能利用较高的带数来实现它们的高选择性，对于相同的滤波器设计指标，FIR滤波器称为频带高性能IIR的5-10倍，成本较高，信号延迟也较大。但是，如果线性相位相同，IIR滤波器必须是网络范围内的校准阶段，同一段也会增加滤波器的数目和网络的复杂度。FIR滤波器可以用非递归方式来实现，而不是在有限的精确度下产生震荡，并且对于不确定性因素和定量因素的影响，其误差比IIR滤波器小很多， FIR滤波器可以采用FFT算法，实现其计算速度。但与IIR滤波器可以通过仿真结果进行滤波不同，其没有现成的公式，FIR滤波器必须使用计算机辅助设计软件（如matlab）来计算。因此，FIR滤波器的广泛应用和IIR滤波器对场合的要求并不十分严格。
从子功能单元可以分为以下四类：
低通滤波器（LPF）；
高通滤波器（HPF）；
带通滤波器（BPF）；
防止过滤器（BSF）。
以下图表虚线为理想滤波器的频率特性：
Matlab介绍
MATLAB是矩阵实验室（矩阵实验室）的本意。除了具有出色的数值计算能力外，它还提供专业符号术语、文字处理、可视化建模、模拟和实时控制的功能。MATLAB作为世界顶尖的数学软件应用，具有强大的工程计算、算法研究、工程制图、应用开发、数据分析和动态仿真等功能，在航空航天、机械制造和建筑等领域发挥着越来越重要的作用。而且C语言功能丰富，使用灵活，目标程序高效。高级语言既有优点，又有低级语言特征。因此，C语言是应用最广泛的编程语言。虽然MATLAB是一个完整的、功能齐全的编程环境，但在某些情况下，数据和程序与外部环境的世界是非常必要和有用的。利用matlab进行滤波器设计，可以根据设计要求和滤波器的特性参数进行调整，视觉简单，大大减轻了滤波器设计优化的工作量。
在电力系统保护和二次计算机控制中，许多信号处理和分析都是基于某种类型的耶罗斯基普和系统电压和电流信号的二次谐波（特别是在D过程中），与各种复杂组件混合在一起 过滤器已经安装在电力系统的关键部件中。 当前计算机保护和两个数字信号处理软件主滤波器的介绍。数字滤波器设计采用传统繁琐的公式，需要在重新计算后更改参数，尤其是高阶滤波器，大工作量的滤波器设计。 使用MATLAB信号处理盒可以实现快速有效的数字滤波器设计和仿真。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，它用于解决比MATLAB C，Fortran等语言中的问题结束精度大同小异的事情。流行的MATLAB 5.3 / simulink3.0包括主包内的数百个内部函数和30种类型的工具包（工具箱）。工具包可分为功能工具包和学科工具包。利用matlab工具扩展了功能符号术语，可视化仿真建模，文字处理和实时控制功能。专业学科工具包是一个更强大的工具包，工具包控制，信号处理工具包，工具包等属于此类通信。
Matlab广受用户的欢迎。除了内部的功能，所有的MATLAB工具包是可读的文档和可以修改的文档，修改或者通过源程序修改用户可以构建新程序来自己准备工具包。
数字滤波器的设计
数字滤波器设计的基本要求
数字滤波器设计必须经过三个步骤：
（1）标识指标：在设计一个过滤器时，必须有一些指标。这些指标应根据申请确定。在许多实际应用中，常用数字滤波器来实现频率运算。因此，一般管辖权的形式给出了频率范围和相位响应的指标。边际关键指标有两种方式。第一个是绝对指标。它提供了一个功能，以满足一般应用的FIR滤波器设计的要求。第二个指标是相对指标。它的值以分贝的形式出现。在工程实践中，这种指标最为流行。对于相位响应指标的形式，通常是希望在系统中具有线性相位带。利用线性相位滤波器设计具有以下优势：①响应指标，它只包含了一些算法，没有复数运算；②有延迟失真，只有固定数量的延迟；③按滤波器长度N（N-1频带的数量），N / 2大小的量计算。
（2）模型方法：一旦识别出指标，可以利用前人研究的基本原理和关系，使滤波器模型更接近目标系统。
（3）实现：上述两种滤波器的结果，通常由微分方程、系统函数或脉冲响应来描述。根据这个描述来实现它的硬件或软件的构建。
FPGA介绍
可编程逻辑器件是一种运用通用逻辑的器件，可以使用多种芯片，它是实现ASIC（专用集成电路）的半定制器件，它的出现和发展使电子系统设计者使用CAD工具来设计自己的实验室中的ASIC器件。特别是FPGA（现场可编程门阵列）的产生和发展，作为微处理器、存储器，为电子系统设计和设定了新的行业标准（即基于在市场上购买的标准产品的销售目录）。微处理器、存储器、FPGA或三个标准积木构成的数字系统构成了它们的集成方向。
采用FPGA器件进行数字电路设计，不仅可以简化设计过程，而且可以减小整个系统的体积和成本，提高系统的可靠性。他们不需要花传统意义上的大量时间和精力来创造集成电路，避免投资风险，成为电子设备行业发展最快的行业。数字电路设计系统FPGA器件主要有以下优点：
（1）设计灵活
使用FPGA器件可能不会在标准的串行器件逻辑功能上存在限制。而系统的设计和逻辑的变化在任何一个阶段的过程中，只有通过使用可编程的FPGA器件才能完成，为系统设计提供了极大的灵活性。
（2）增加的功能密度
给定空间中的函数密度指的是功能集成逻辑的个数。可编程逻辑器件的门数高，一个FPGA可以代替几张胶片，甚至在胶片上说明的几十个小规模数字IC芯片。FPGA器件使用芯片中的数字系统数量较少，从而减少了芯片数量，用于减少印刷尺寸和印刷数量，并最终会导致系统整体尺寸的减小。
（3）提高可靠性
印版的减少和芯片数量的减少，不仅可以减小系统尺寸，而且大大提高了系统的可靠性。与许多低标准集成组件中的系统相比，其系统的集成度更高，可用于同一系统的设计，具有更高的可靠性。FPGA器件用于减少实现系统所需要的芯片数量，印制在芯线和接头上数量的减少，可以使系统的可靠性得到改善。
（4）缩短设计周期
由于FPGA器件和可编程的灵活性，使用它来设计一个比传统方法更长的系统时间大大缩短了。FPGA器件掌握度高，采用的印刷电路布局布线简单。同时，在样机设计上取得成功，开发出先进的工具，自动化程度高，其逻辑很快变得很简单。因此，使用FPGA器件可以大大缩短设计系统的周期，加快产品进入市场的步伐，提高产品竞争力。
（5）快速工作
FPGA/CPLD器件工作速度快，一般能达到原来赫兹数的几倍，远远大于DSP器件。同时，利用FPGA器件，系统需要实现电路级和小型化，从而整个系统的工作速度将得到提高。
（6）提高系统性能机密性
很多FPGA设备都有加密功能，在系统中广泛使用的FPGA设备可以有效防止其他产品的非法复制。
（7）降低成本
FPGA用来实现数字设备的系统设计，如果只是考虑设备的价格，有时你就不知道它的优点，但有很多因素影响着系统的成本，综合考虑，使用FPGA的成本优势是显而易见的。首先，利用FPGA器件设计来促进变化，缩短设计周期，降低系统开发的开发成本；其次，尺寸和FPGA器件允许自动需求插件，减少制造成本以降低成本；再次，FPGA设备的使用可以提高系统的可靠性，减少了维护的工作量，从而降低系统维修服务成本。总之，利用FPGA设备进行系统设计，可以节约成本。
FPGA设计原理：
FPGA设计的一个重要的指导原则：平衡性和交换的大小和速度，在滤波器设计背后的原则包含了大量的认证。
在这里，“区域”是指设计运用FPGA / FPGA的CPLD逻辑资源可用于典型的功耗（FF）和搜索表（IUT）来测量可以用来设计门逻辑等价被测量的更一般的测量。“步”意味着在芯片稳定操作时可以达到的最高频率，时间序列的频率设计情况，设计满足时钟周期，时钟设置时间，时钟保持北京时间，时钟到输出的延时，和许多时间序列密切相关的其他特性。面积（面积）和速度（速度）是贯穿在FPGA终极设计质量评估标准中的两个目标。关于两个基本概念的大小和速度：大小和速度的平衡以及大小和速度的交换。
大小与速度是对立统一的矛盾体。对于同时具有最小体积和最高频率的设计要求是不现实的。更科学的目标应该是在满足设计要求的时间序列（包括对设计频率的要求）的前提下，占用最小的芯片面积。或者在指定的区域，设计时间序列的缓冲频率越高。这充分体现了速度平衡思维的目标。对尺寸和速度的要求不应简单地解释为提高水平和设计工程师完美的追求，并应认识到和它们直接相关的产品的质量和成本。如果设计的时序余量比较大，运行频率比较高，整个系统的质量更有保证；另一方面，更小尺寸的消费设计意味着在芯片单元中实现更多功能模块，整个系统大大降低了成本。作为矛盾的两个组成部分，大小和速度是不一样的状态。相比之下，更为重要的是满足时间表和工作在某些频率冲突时，使用优先准则。
面积和转换率是FPGA设计的一个重要理念。从理论上讲，如果一个设计的时间序列的缓冲区较大，可以运行的频率比设计要求高得多，那么我们可以通过使用功能模块来减少整个芯片设计区域的功耗，这是用于节省空间的速度优势；相反，如果一个时间序列的设计要求很高，比普通的设计方法频率低一些，那么一般都是通过字符串流和数据转换，并行再现运算模块，设计成整个“字符串转换”并在导出模块对芯片中的数据进行“串转换”， 从宏观角度看，整个芯片满足了处理速度的要求，相当于再生率的提高。
例如。假设数字信号处理系统的输入数据流速为350Mb / s，而在FPGA设计中，数据处理模块的最大处理速度为150Mb / s，由于数据吞吐量处理模块不能满足要求，因此无法直接实现FPGA。在这种情况下，他们应该使用“面积 - 速度”思想，至少从第一个数据集的三个处理模块中导入并转换，然后使用这三个模块并行处理数据分布，然后将结果“字符串转换”，我们有完整的数据速率要求。我们来看处理模块的两端，数据速率为350Mb / s，并且鉴于内部FPGA每个子模块处理的数据速率为150Mb / s，实际上所有的数据吞吐量都依赖于三个安全模块并行处理附属进程完成，即用更多芯片区域通过“再现区域处理速度增强”实现高速处理并实现设计。
FPGA是现场可编程门阵列Field of Programmable Gate Array的英文缩写，它是在Pal，Gal，Epld等可编程器件的基础上进一步开发的产品。 它作为ASIC（ASIC）领域中的一种半定制电路，既有定制解决方案电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点
FPGA逻辑模块阵列采用Home（Logic Cell Array），内部逻辑模块的新概念可能包括CLB（Configurable Logic Block），输出输入模块IOB（输入输出模块）和内部链路（Interconnect）。3. FPGA的
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