数字匹配滤波器的EDA设计与实现

数字滤波器设计与实现数字滤波器是一种用于信号处理的重要工具，它可以对信号进行滤波、去噪和频率分析等操作。

在现代通信、音频处理、图像处理等领域，数字滤波器的应用越来越广泛。

本文将探讨数字滤波器的设计与实现，介绍其基本原理和常见的实现方法。

一、数字滤波器的基本原理数字滤波器是通过对信号进行采样和离散处理来实现的。

它的基本原理是将连续时间域的信号转化为离散时间域的信号，然后对离散信号进行加权求和，得到滤波后的输出信号。

数字滤波器的核心是滤波器系数，它决定了滤波器的频率响应和滤波效果。

常见的数字滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

不同类型的滤波器有不同的滤波特性，可以根据实际需求选择合适的滤波器类型。

二、数字滤波器的设计方法数字滤波器的设计方法有很多种，其中最常用的方法是基于频域分析和时域分析。

频域分析方法主要包括傅里叶变换法和Z变换法，时域分析方法主要包括差分方程法和脉冲响应法。

1. 傅里叶变换法傅里叶变换法是一种基于频域分析的设计方法，它将信号从时域转换到频域，通过对频域信号进行滤波来实现去噪和频率分析等操作。

常用的傅里叶变换方法有快速傅里叶变换（FFT）和离散傅里叶变换（DFT）等。

2. 差分方程法差分方程法是一种基于时域分析的设计方法，它通过对滤波器的差分方程进行求解，得到滤波器的传递函数和滤波器系数。

差分方程法适用于各种类型的数字滤波器设计，具有较高的灵活性和可调性。

三、数字滤波器的实现方法数字滤波器的实现方法有很多种，常见的实现方法包括有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器等。

1. FIR滤波器FIR滤波器是一种基于有限冲激响应的滤波器，它的特点是稳定性好、相位响应线性和易于设计。

FIR滤波器可以通过窗函数法、频率采样法和最小二乘法等方法进行设计。

FIR滤波器的实现较为简单，适用于实时滤波和高精度滤波等应用。

2. IIR滤波器IIR滤波器是一种基于无限冲激响应的滤波器，它的特点是具有较窄的带宽和较高的滤波效果。

数字滤波器的设计与实现方法葛建新（河源职业技术学院广东河源517000）摘要：在数字信号处理中，数字滤波占有极其重要的地位。

数字滤波是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本处理算法。

在许多信号处理应用中用数字滤波器替代模拟滤波器具有许多优势。

用DSP 芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外，还具有灵活性好的特点。

该文对数字滤波器的设计与实现方法进行了研究。

关键词：数字滤波器；设计；实现中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)08-1967-02Digital Filter Design and Implementation MethodsGE Jian-xin(Heyuan Polytechnic,Heyuan 517000,China)Abstract:In digital signal processing,digital filtering an extremely important position.Digital filtering are voice and image processing,pat -tern recognition,spectral analysis applications such as a basic treatment algorithm.In many signal processing applications using the digital fil -ter alternative filter has many advantages Analog.Implementation using DSP chip digital filtering except with good stability,high accuracy,free from environmental impact,but also the characteristics of good flexibility.In this paper,digital filter design and implementation meth -ods were studied.Key words:digital filters;design;implementation1引言21世纪是数字化的时代，随着越来越多的电子产品将数字信号处理(DSP)作为技术核心，DSP 已经成为推动数字化进程的动力。

●主题论文１引言在通信系统中，匹配滤波器的应用十分广泛，尤其在扩频通信如在ＣＤＭＡ系统中，用于伪随机序列（通常是ｍ序列）的同步捕获。

匹配滤波器是扩频通信中的关键部件，它的性能直接影响到通信的质量。

本文从数字匹配滤波器的理论及结构出发，讨论了它在数字通信直扩系统中的应用，并对其基于ＦＰＧＡ的具体实现进行了优化。

２数字匹配滤波捕获技术在直接序列扩频解扩系统中，数字匹配滤波器的捕获是以接收端扩频码序列作为数字ＦＩＲ滤波器的抽头系数，对接收到的信号进行相关滤波，滤波输出结果进入门限判决器进行门限判决，如果超过设定门限，表明此刻本地序列码的相位与接收扩频序列码的相位达到同步。

如果并未超过设定门限，则表明此刻本地序列码的相位与接收到的扩频序列码的相位不同步，需要再次重复相关运算，直到同步为止，如图１所示。

数字匹配滤波器由移位寄存器、乘法器和累加器组成，这只是ＦＩＲ滤波器的结构形式，只不过伪数字匹配滤波器的优化设计与ＦＰＧＡ实现（王光１，田斌１，吴勉２，易克初１，田红心１）（１．西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，陕西西安７１００７１；２．深圳通创通信有限公司，广东深圳５１８００１）摘要：介绍在直接序列扩频通信中应用数字匹配滤波器实现ｍ序列同步，分析其具体结构，详细讨论了其基于ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）的性能优化。

结果表明，数字匹配滤波器用ＦＰＧＡ实现时，能够大大减少资源占用，并提高工作效率。

关键词：ＦＰＧＡ；数字匹配滤波器；直接序列扩频中图分类号：ＴＮ７１３文献标识码：Ａ文章编号：１００６－６９７７（２００６）０５－００７０－０４Ｄｉｇｉｔａｌｍａｔｃｈｉｎｇｆｉｌｔｅｒ’ｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄＦＰＧＡｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＷＡＮＧＧｕａｎｇ１，ＴＩＡＮＢｉｎ１，ＷＵＭｉａｎ２，ＹＩＫｅ－ｃｈｕ１，ＴＩＡＮＨｏｎｇ－ｘｉｎ１（１．ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｅｒｖｉｃｅｓＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈｅｎｚｈｅｎＮｅｗＣｏｍＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍ－ｓｅｑｕｅｎｃｅ’ｓｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃａｐｔｕｒｉｎｇｉｎｄｉｒｅｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓ－ｉｎｇｄｉｇｉｔａｌｍａｔｃｈｉｎｇｆｉｌｔｅｒｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｉｔｓｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｉｔｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｍｐｌｅ－ｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｉｇｉｔａｌｍａｔｃｈｉｎｇｆｉｌｔｅｒｃａｎｄｅ－ｃｒｅａｓｅｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅｏｃｃｕｐａｔｉｏｎｇｒｅａｔｌｙａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｗｏｒｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ｄｉｇｉｔａｌｍａｔｃｈｉｎｇｆｉｌｔｅｒ；ｄｉｒｅｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍ图１数字匹配滤波器的结构图码寄存器中的系数为－１或＋１，实际并不是真正意义上的乘法。

数字信号课外作业数字匹配滤波器的设计在数字通信系统中，最常用的准则是最大输出信噪比准则，在此准则下获得的最佳线性滤波器叫做匹配滤波器1.匹配滤波器原理在通信系统中，若接收机输入信噪比相同，所设计的接收机的输出信噪比最大，则能够最佳地判决出有用信号，从而可以得到系统最小误码率，这就是最大输出信噪比准则。

在数字通信系统里，可在接收机内采用一种线性滤波器，当加噪信号通过它时，使其中有用信号加强并使噪声衰减，并在采样时刻使输出信号的瞬时功率与噪声平均功率之比达到最大，这种线性滤波器称为匹配滤波器。

设接收滤波器的传输函数为H(w)，滤波器输入为 r(t)=s(t)+n(t) ⑴式中，s(t)为输入有用信号，其频谱为S(w);n(t)为高斯白噪声。

由于线性滤波器满足叠加原理，因此滤波器输出为y(t)=s0(t)+n0(t) ⑵式中，s0(t)和n0(t)分别为s(t)和n(t)单独通过此滤波器的输出。

由线性系统最大响应原理，设K为常数，可以导出当接收滤波器满足H R(ω)= K S＊(ω)e−jωt0⑶时，滤波器输出信噪比最大。

即当一个线性相位滤波器传输函数等于输入信号频谱复共轭时，称为匹配滤波器。

2.匹配滤波器设计由无码间干扰（奈奎斯特准则）和最佳接收机原理可以导出，在理想信道的数字通信系统中，若接收和发送滤波器传输函数分别为H R (f)和H T (f)，而且有S(f)=H R (f)H T (f) ⑷ 时，则系统无码间干扰，并可实现最佳接收。

在实用中，发送端输入信号频谱常用升余弦函数 S(f)={T, 0≤|ω|≤(1−a)/2T T 2｛1+cos[π T a(|f|−1−a 2T)]｝1−a 2T< |f| ≤1+a2T0, |f| >1+a 2T⑸式中，T 为脉冲间隔，0< a ≤1为频谱滚降系数，ω=2πf图为按⑷和（5)式设计并用MATLAB 程序实现频率特性为HR(f)和HT(f)的滤波器，其中HR(f)是HT(f)的匹配滤波器。

基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实现林鑫【期刊名称】《电子技术应用》【年(卷),期】2017(43)12【摘要】The digital matched filter(DMF) is the critical component of direct sequence spread spectrum(DSSS) communication system.Designing it based on FPGA can gain higher system performance.Firstly,the principle of digital matched filter is introduced,and then the design principle of multi-mode digital matched filter is expounded that integration of a variety of modes on the receiving end of the same direct sequence spread spectrum communication system for despreading of spread spectrum signals with multiple spread-spectrum ratios improves the performance of communication system.On this basis,the effectiveness is verified by MATLAB simulation.Implementation and results based on FPGA are given at last.%数字匹配滤波器(DMF)是直接序列扩频(DSSS)通信系统的关键部件,采用FPGA设计数字匹配滤波器可以获得更高的系统性能.首先介绍了数字匹配滤波器的原理,然后阐述了多模式DMF的设计原理,在同一个直接序列扩频通信系统的接收端集成多种模式,实现对多种扩频比扩频信号的解扩,提高通信系统的性能.在此基础上,通过MATLAB仿真验证其有效性,最后给出了FPGA实现的过程和结果.【总页数】4页(P13-16)【作者】林鑫【作者单位】北京理工大学信息与电子学院,北京100089【正文语种】中文【中图分类】TN91【相关文献】1.基于FPGA红外遥控多模式交通信号系统的设计与实现 [J], 褚周健;闵富红;王耀达;吴薛红2.基于FPGA的C/S模式网络硬盘设计与实现 [J], 郭燕妮;何杰;张刚3.基于FPGA的多模式SAR预处理系统设计与实现 [J], 贺召卿;刘畅;白瑛;李建雄4.基于FPGA的HS400模式eMMC控制器设计与实现 [J], 张煜;陈微;吴利舟;肖侬5.基于FPGA模式的USB接口数据加密系统的设计与实现 [J], 莫林利因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

1引言在微机控制系统的模拟输入信号中，一般均含有各种噪声和干扰，他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。

为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。

噪声有2大类：一类为周期性的，其典型代表为50 Hz的工频干扰，对于这类信号，采用积分时间等于20 ms整倍数的双积分A/D转换器，可有效地消除其影响；另一类为非周期的不规则随机信号，对于随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，因此他实际上是一个程序滤波。

数字滤波器克服了模拟滤波器的许多不足，他与模拟滤波器相比有以下优点：(1)数字滤波器是用软件实现的，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。

(2)模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波器则可多通道共享，从而降低了成本。

(3)数字滤波器可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。

(4)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

2常用数字滤波算法数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。

设数字滤波器的输入为X(n)，输出为Y(n)，则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程式表示为：其中：输入信号X(n)可以是模拟信号经采样和A/D变换后得到的数字序列，也可以是计算机的输出信号。

具有上述关系的数字滤波器的当前输出与现在的和过去的输入、过去的输出有关。

由这样的差分方程式组成的滤波器称为递归型数字滤波器。

如果将上述差分方程式中b K取0，则可得：说明输出只和现在的输入和过去的输入有关。

这种类型的滤波器称为非递归型数字滤波器。

参数a K、b K的选择不同，可以实现低通、高通、带通、带阻等不同的数字滤波器。

2.1算术平均值滤波算术平均值滤波是要寻找一个Y，使该值与各采样值X(K)(K=1～N)之间误差的平方和为最小，即：这时，可满足式(3)。

数字滤波器的设计方法与实现数字滤波器是一种用于信号处理的重要工具，它可以消除信号中的噪音和干扰，提高信号的质量和可靠性。

本文将介绍数字滤波器的设计方法与实现，并探讨一些常用的数字滤波器类型。

一、数字滤波器的基本原理和作用数字滤波器可以将满足一定数学规律的输入信号通过一系列运算，输出满足特定要求的信号。

其基本原理是对输入信号进行采样和量化，然后利用滤波算法对采样后的信号进行处理，最后通过重构输出滤波后的信号。

数字滤波器的作用主要有两个方面。

首先，它可以实现降低信号中噪音和干扰的功效，提高信号的质量。

其次，数字滤波器还可以提取信号中特定频率成分，并对信号进行频率选择性处理，从而满足特定的信号处理需求。

二、数字滤波器的设计方法1. 滤波器的类型选择数字滤波器的类型选择根据实际信号处理需求。

常见的数字滤波器类型包括有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器。

FIR滤波器的特点是稳定性好、幅频特性易于设计；IIR滤波器的特点是具有较高的处理效率和较窄的幅频特性。

2. 设计滤波器的幅频特性幅频特性描述了滤波器对输入信号幅度的影响。

常见的幅频特性包括低通、高通、带通和带阻。

根据实际需求，设计出合适的幅频特性。

设计幅频特性的方法有很多，包括窗口法、最佳近似法和频率变换法等。

3. 计算滤波器的系数滤波器系数是用于实现滤波器算法的关键参数。

根据所选的滤波器类型和幅频特性，可以通过不同的设计方法计算出滤波器的系数。

常见的设计方法包括巴特沃斯法、切比雪夫法和椭圆法等。

4. 实现滤波器算法滤波器算法的实现可以采用直接形式或间接形式。

直接形式基于滤波器的数学模型，通过块图或框图实现算法。

间接形式则是通过差分方程或状态空间方程描述滤波器，并利用计算机进行模拟和实现。

三、数字滤波器的应用实例数字滤波器广泛应用于各个领域，包括音频、图像、通信和生物医学等。

以音频处理为例，数字滤波器可以用于音频降噪、音频特效和音频编解码等。