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关键词： MATLAB   IIR数字滤波器   模数转换  

摘要： 主要通过脉冲响应法和双线性变换法实现模数的转换。利用MATLAB提供的FDA工具实现了模拟巴特沃斯滤波器到数字滤波器的转换。通过MATLAB实验仿真，设计出满足指标的滤波器。

关键词： FIR滤波器   分布式算法   FPGA CIC滤波器   多速率滤波器  

摘要： 本论文分两部分介绍了基于FPGA的数字滤波器的设计与实现,分别是基于FPGA的FIR数字滤波器和基于FPGA的多速率滤波器。在FIR数字滤波器部分,介绍了两种算法的FPGA实现,分别是传统DA算法和优化后的DA算法。在这一部分,本设计分为6个小节。首先是简要介绍传统DA算法,这里面会有一些详细的公式推导过程以及查找表举例,并接着介绍DA算法的三种实现结构,分别是全并行结构、全串行结构和串并结合结构；随后,就是介绍优化之后的DA算法,在这部分会简要叙述经优化后的算法的工作过程；第3小节是主要使用Matlab软件完成的,在设计滤波器过程中,一般情况需要使用正弦信号作为输入信号原因有两个,一是制作简单,二是滤波前后对比易观察。因此我设计的输入信号为20Hz、100Ez、300Hz的混合信号,在这部分,需要对输入信号进行一些处理才可以被Quartus调用,后续会详细说明。随后就是在Matlab里面设计滤波器的系数了,本文采用的是低通、汉宁窗,截止频率为30Hz,采样频率为48000Hz的滤波参数,在算法上为了满足数字滤波器的要求,对系数放大512倍并取整,将此设计的滤波器系数导入Quartus以备调用。在设计每个模块之前,我需要对设计的滤波器正确与否进行功能验证,使用的是Matlab中另一个强大的工具Simulink。然后,根据两种算法的特点设计不同的结构图,确定每种算法的模块组成。在传统算法部分,本文设计的模块有4个,分别是FIR模块、LUTES模块、移位相加模块和控制模块；在优化分布式算法部分,本文设计的模块一共有5个,分别是输入延时模块、预相加模块、查找表模块、移位相加输出模块和控制模块,在本设计进行部分积累加时,采用舍取冗余位,主要是根据设计时已对系数进行了放大,而输出时又要将结果相应的缩小,所以在累加时,提前对部分积缩小,从而减少了运算量,从时间和资源上都得到了优化。每个模块都会经过单独编码,单独仿真的过程,编码语言使用的是在FPGA领域应用十分广泛以及十分便利的Verilog语言。仿真软件采用的是Quartus软件进行程序设计,功能测试使用的是Modelsim软件,原因是Modelsim比Quartus在仿真过程中不加时序延迟,而且Quartus仿真有几点缺点,首先是Quartus是根据所选的FPGA器件进行功能和时序的仿真,然后Quartus仿真的波形必须手动画,最重要的一点就是仿真速度特别慢。仿真结束得到滤波结果后,比较两种算法在速度与资源占用率上的差别,证明优化算法的优势。在多速率滤波器部分,主要分三节来叙述。第一小节是简述CIC滤波器的基本概念,为后面提到的算法以及仿真打下好的基础。而后两个小节就是本章的主要内容,分别是基于FPGA的CIC抽取滤波器设计与实现和基于FPGA的CIC内插滤波器设计与实现。CIC抽取滤波器采用的是非递归并行结构,而CIC内插滤波器采用的是二路并行结构。这两种算法可以使FPGA加法器和乘法器工作在较低的速度而实现高速滤波。在仿真部分与前一章相同,还是使用Quartus进行编程设计,在Modelsim环境做仿真与验证。最后得到了两种算法的滤波速度与资源占用率结构,可以看到在速度与资源上都有了很大提升。

关键词： 数字信号处理   IIR滤波器   现场可编程门阵列   并联结构   二阶节  

摘要： 伴随着数字信号处理(DSP)领域的发展,数字滤波器的历史大体上可以追溯到七十年代中期。经过了过去大约30年的蓬勃发展,数字滤波器设计已经变成了一项使能技术。数字滤波器在包括通信、控制、国防、生物医学和雷达等很多领域中作为唯一的选择,已经取代了模拟滤波器。数字滤波器是一种以数字的方式来改变信号属性的数字设备。而滤波器本身的属性可以通过幅频特性和相频特性来定义,它们都是频率的函数。数字滤波器,除了改变信号本身的属性,还要满足一些其他的要求,比如速度、复杂度、代价和功耗。而在一些高性能要求的环境中,通用微处理器通常会被ASIC或者FPGA或者具备并行运算架构的DSP取代,以此来挖掘滤波器的潜能。在数字滤波器的范畴中,大部分数字滤波器可以分成两类：有限脉冲响应滤波器(FIR)和无限脉冲响应滤波器(IIR)本文的结构通过研究IIR数字滤波器在MATLAB中的设计继而在FPGA上的实现和验证来组织。文章开始于数字滤波器研究基础,首先详细总结了在滤波器理论发展的过程中出现的各种数字滤波器以及各自的特点。然后介绍IIR数字滤波器的设计基础,包括滤波器结构的选型、实现架构、滤波器设计方案、数字滤波器的有限字长效应等理论基础,从而确定本文所采用的架构。接下来利用MATLAB的FDATool工具设计了以二阶节为基础的椭圆型级联结构IIR低通滤波器,依据有限字长效应的讨论对系数进行量化,之后对量化系数的滤波器进行Simulink动态仿真。仿真过程显示脉冲响应平稳,且滤波性能达到设计要求。论文对前述IIR数字滤波器进行RTL编码,并使用Simulink和Modelsim对其进行联合功能仿真。然后,用Quartus Ⅱ将其下载至FPGA开发板进行测试,利用SignalTap Ⅱ做定性测试,并通过使用外部信号源、频谱仪对滤波前后的效果进行分析对比。测试结果表明,IIR滤波器的通带截止频率为496.6kHz,阻带起始频率为522.9kHz,阻带衰减达到57.7dB,通带纹波小于1.5dB。整个测试期间输出频谱稳定平稳,论文设计的IIR数字滤波器基本达到设计指标,滤波性能满足要求。

关键词： FIR数字滤波器   优化设计   余弦基神经网络   MATLAB  

摘要： 伴随电子信息应用技术和数字信号处理技术的快速发展,数字滤波器的作用也与日俱增,各行各业对数字滤波器的要求越来越高。虽然传统的数字滤波器设计方法成熟,实现方式简单,但由于滤波精确度低,时间复杂度高,结构庞大,使用不灵活,滤波效果不太理想。尤其是对于特定领域的滤波应用,传统的数字滤波器往往起不到令人满意的效果,直接影响到该领域的可持续发展。因此人们致力于各种新型数字滤波器的研究,努力提高滤波器性能并逐渐扩大应用的领域。现代数字滤波器可以说是对传统数字滤波器的一个完善与优化的过程,多年来,很多国内外的专家学者在数字滤波器的优化与设计的问题上做了许多研究工作,提出了一些优化设计方法,并且得到了一些较为理想的效果。数字滤波器的种类繁多,按滤波器工作的网络结构分有无限脉冲响应(InfiniteImpulse Response,IIR)数字滤波器、有限脉冲响应(FiniteImpulse Response,FIR)数字滤波器。相对于IIR数字滤波器,FIR数字滤波器由于系统更稳定且更易于实现,因此被广泛应用于各个行业。本文概述了FIR数字滤波器相位与幅度函数的特性,简单叙述了传统数字滤波器的设计方法,分析了其不足并指出了利用神经网络对FIR数字滤波器优化设计的必要性。本文介绍了两种典型的前馈型神经网络,并给出了这两种神经网络的模型以及算法步骤,分析了他们在逼近方式、训练算法等方面的区别。为了提高数字滤波器的阶数,增强数字滤波器的滤波效果,使得滤波器在相同阶数的条件下有更大的阻带衰减,可将神经网络算法与FIR数字滤波器的优化设计相结合。由于FIR数字滤波器的幅频特性函数是有限长的傅里叶级数,因此可用余弦基函数神经网络模型来设计FIR数字滤波器。本文给出了基于余弦基神经网络模型的FIR数字滤波器的优化设计算法,分析了其不足,并对算法进行了改进,即对径向基函数神经网络训练步骤的权值系数进行调整,采用递推最小二乘法对该权值进行训练,以达到滤波器的优化设计目的。然后,在改进算法的基础上对FIR数字滤波器做了进一步的优化。同时,对FIR数字滤波器的过渡带采样点进行优化,并利用大量的仿真实验获得更佳的过渡带采样值。通过MATLAB实验仿真测试,实验结果对比分析表明,运用改进后的算法对FIR数字滤波器进行优化效果更好,滤波器阻带衰减更大,性能更优。

关键词： 有限新息率   医学信号   心电信号   PET/CT   图像配准  

摘要： 有限新息率信号是在单位时间内由有限个参数描述的信号。利用有限信息率信号的稀疏特性,可以用远低于奈奎斯特采样率的频率实现高效采样,并完美的恢复信号。本论文围绕着如何使用有限新息率理论来处理医学信号展开。心电信号和PET/CT信号具有稀疏特性,利用有限新息率理论处理这些医学信号,在保证信号恢复精度的前提下,大大提高了采样效率。首先,本文将有限信息率理论与时频域综合分析算法相结合。在深入研究有限新息率理论的采样和恢复过程后,比较了有限新息率理论中几种常见的去噪算法。在经典的有限新息率理论的基础上,本文将有限新息率理论与时频域综合分析算法相结合,可以将有限新息率理论从处理离散的信号推广到处理连续的信号,大大的扩展有限新息率理论所能处理信号的范畴,为利用有限新息率理论处理心电信号和PET/CT信号提供理论基础。其次,本文将有限新息率理论与自适应采样恢复算法相结合,应用于心电信号的处理和分析中。这种算法利用心电信号的稀疏性,根据具体的应用场景对精度的要求,灵活的确定采样的点数。基于有限新息率的自适应采样恢复算法的采样效率远远高于奈奎斯特采样的效率。最后,本文将有限新息率理论与压缩感知理论相结合,利用有限新息率理论与压缩感知理论相结合的方式,采样效率可提升50%,但同时会造成恢复图像精度的降低。本文将有限新息率理论与连续矩估计相结合,应用于图像配准中。这种算法可以通过离散的图像采样点信息求出连续矩量,应用在图像配准中能获得更好的恢复精度。通过仿真实验,验证了在恢复图像的峰值功率比方面,将有限新息率理论与矩估计相结合的算法比经典算法高2.34d B。

关键词： IIR数字滤波器   模拟滤波器   Matlab   幅频特性  

摘要： 针对数字滤波器的概念比较抽象,且数值计算较为繁琐的问题,文中给出了借助模拟滤波器快速设计IIR数字滤波器的方法,并在Matlab环境下做出了IIR滤波器的快速设计系统。设计实例及运行结果表明,该设计方法简化了IIR数字滤波器的设计程序,并大幅提高了设计效率。

关键词： MATLAB   FIR数字滤波器   图形用户界面(GUI)   回调函数  

摘要： 文章利用MATLAB图形用户界面(GUI)构建了一个FIR数字滤波器的仿真平台,实现了不同要求下FIR数字滤波器的设计.本设计采用自下而上的设计方法,将几个独立的回调函数通过相关指令实现全局回调,使得界面具有层次感和易操作性.利用设计的图形用户界面用户可以很方便地设置设计参数,选择设计类型,并能够适时观察滤波效果.

关键词： 教与学优化算法   反向学习技术   教学因子  

摘要： 针对IIR数字滤波器的设计问题,对降阶模型的设计是典型的多峰优化问题,基本的教与学优化算法在解决该问题易陷入局部最优。针对上述缺陷提出了一种改进的教学优化(MTLBO)算法。改进算法引入反向学习技术,增加解的多样性;同时为避免迭代初期的无效搜索,针对性的设计了分段式的学习策略,用以均衡算法的全局搜索和局部搜索能力。将MTLBO算法应用于IIR数字滤波器同阶和降阶模型的设计,通过两个典型案例的仿真,与PSO算法、DE算法相比,验证了改进算法的优越性和有效性。

关键词： 模拟   有源   滤波器   MATLAB  

摘要： 在简要概述传统有源模拟滤波器设计方法的同时给出利用MATLAB进行有源模拟滤波器设计的方法,通过对有源模拟滤波器两种设计方法关键步骤的比较,给出了MATLAB能有效地简化有源模拟滤波器设计的结论。结合有源模拟滤波器的特性,给出了零极点分配原则和级联原则;同时介绍了如何用MATLAB给出滤波器总体和局部幅/相频特性,为滤波器调试提供了参考。通过设计实例,验证了本文提出的设计方案的便捷性、直观性、可行性。

关键词： 模拟滤波器   前馈补偿   自动频率校准   直流失调消除   多模多频接收机  

摘要： 基于0.18μm CMOS工艺,实现了一种6阶有源RC模拟滤波器,截止频率可以配置为1.25 MHz/2.5 MHz/5 MHz/10 MHz,增益可以配置为0dB/6dB/12dB/18dB,能够应用于WiMAX/WLAN接收机。采用一种新型的自动频率校准电路,使滤波器的截止频率不受工艺变化的影响。测试结果表明,在1.8V电源电压下,消耗电流16mA,输入3阶交调为23.4dBm。正交两路模拟滤波器与频率校准电路所占面积为0.38mm2。