滤波器设计论文范文

想必大家在写论文的时候都会遇到烦恼，小编特意整理了一些《滤波器设计论文范文(精选3篇)》，供大家阅读，更多内容可以运用本站顶部的搜索功能。【摘要】随着A/D变换技术、DSP技术、FPGA技术及ASIC等技术的发展，宽带数字化接收机正逐渐成为现代雷达、遥测及通信系统中必不可少的重要组成部分。其中多相滤波器是其中的关键技术，多相滤波可以利用抽取因子实现高效滤波，也起到抑制镜像干扰和邻道干扰的作用，因此多相滤波器的设计与研究就显得很重要。

第一篇：滤波器设计论文范文

基于CSD编码混合遗传算法的IIR滤波器优化设计

摘要：该文针对滤波器功耗过大的问题，采用基于CSD(canonic signed digit)编码的模拟退火遗传算法对IIR(Infinite Impulse Response)滤波器进行优化设计.给出了CSD编码经过交叉、变异后可能出现问题的解决方法.并根据CSD编码特点对遗传算子进行改进，提高了寻优速度.仿真表明，该文方法在降低功耗的同时，可有效加快优化搜索速度，减小通带波纹.

关键词：CSD编码;遗传算法;模拟退火算法;IIR滤波器

Key words： CSD Encoding;Genetic Algorithm;Simulated Annealing; IIR Filter

通常，數字滤波器的硬件实现需要大量乘法器[1].因此减少硬件资源开销、降低功耗成为滤波器设计中急需解决的问题.由De la Serna A.E提出的CSD(Canonic Signed Digit)量化编码，可有效减少硬件乘法器结构，为设计基于CSD 量化系数的滤波器提供了理论依据[2].

IIR数字滤波器由于可用较低的阶数实现较好的选频特性，因而得到广泛应用.目前IIR数字滤波器一般都是在一定的优化准则下用优化算法设计.本文引入CSD编码后，将滤波器设计问题转换成了STP(Sign Two Power)空间上的非线性寻优[3].这时，常规优化算法都不再适用.而混合遗传算法克服了普通遗传算法早熟、跳出局部最优能力弱的缺点，鲁棒性强且全局收敛，成为求解非线性优化问题的有力工具.

本文以基于CSD编码的混合遗传算法为工具，对IIR滤波器优化进行研究.对CSD编码在遗传算子操作后可能不再符合编码规则的问题， 提出来简明的解决方法.并对遗传算子进行了一定改进，提高了算法的寻优速度，避免了陷入局部极值.

1 CSD编码规则

数字电路通过序列移位相加来实现乘法运算，每增加一位非零位就要增加一次移位操作，因而编码中的非零位数直接影响芯片的面积和功耗.CSD编码是一种三元数值系统， 和其它编码相比，在表示同一浮点数时具有较少的非零位.因此，在乘法运算中可有效减少部分积的乘积项，从而减少加法器数量[2][4].

3 针对CSD编码的混合遗传算法

模拟退火遗传算法是一种混合优化算法.它综合了模拟退火算法局部搜索能力强和遗传算法全局寻优控制优秀的特点.利用模拟退火算法控制混合算法的收敛性以避免“早熟”、提高寻优性能，利用遗传算法的并行化抽样过程加快寻优速度.

混合算法的基本思想是通过选择、交叉、变异产生一组新个体，然后再独立地对产生的各个个体进行模拟退火操作，以其结果作为子代个体.如此反复迭代直至满足终止条件为止.混合算法包括编码、初始种群生成、适应度函数、选择、交叉、变异、模拟退火、终止条件等八个主要部分.

3.1编码、初始种群生成

编码就是将问题的解空间数据映射成遗传空间的基因串，本文映射为CSD编码.

对于IIR滤波器，由式(2)，(5)，(6)可看出其实际待优化参数共[4N]个，即[(a1，b1，c1，d1，a2，b2，c2，d2，…，aN，bN，cN，dN)]为了保证滤波器的稳定性，要求每个二阶环节的极点都位于[Z]平面单位圆内，因而得到[-2

初始化时可直接根据待优化参数个数[4N]、初始种群数[C]、量化长度[L]及量化非零位数[B]，随机生成[C]组[4N×L]位CSD编码作为初始种群.其中[B]位非零位均匀分布在各[L]位编码中.

3.2适应度函数

3.3遗传算子

采用CSD编码的混合遗传算法优化设计IIR滤波器，存在收敛速度慢及CSD编码交叉、变异后可能不再符合编码规则等问题.针对这些问题，我们采取以下若干措施.

3.3.1 遗传算子改进

1)选择算子

选择就是从当前群体中选出优良个体，使其有机会繁衍子孙.为了保证收敛到全局最优解、避免早熟.本文在选择操作时，将适应度最高的个体直接遗传到子代，将适应度最低的个体放弃.

2) 交叉

虽然选择算子直接复制最优个体可保证种群向最优方向移动，但只能在现有种群内寻优，交叉算子可保证个体的多样性，是获得全局最优解的基础.由于滤波器待优化参数个数的编码长度随系统传递函数阶数的增长而变长，因而染色体单点交叉难以满足收敛速度需求.为此，我们以交叉概率[pc]在每个编码中随机选择[L4]个点进行多点交叉.并在交叉后计算父代、子代适应度，选择其中适应度高的2个个体进入子代.

3)变异算子

复制、交叉只能在现有的基因型的排列组合内寻找最优，不能产生新的基因型.为了防止陷入局部最优解，并防止过多的零位突变为非零位后增大运算复杂度，我们采用染色体多点等概率变异方式.即当在子代种群最大适应度与最小适应度的差小于规定数值时，以远大于通常的变异概率对其变异，否则，从每个基因中随机选取一个变异位置以一定的变异概率[pm]在[{-1，0，1}]中进行突变.并且要求从0突变到[{-1，1}]的概率等于从[{-1，1}]突变到0的概率.这样可以保证有效减少乘法运算复杂度.

4)模拟退火算子

将子代中10%的最优个体保留，10%的最差个体抛弃.然后再在余下个体中随机选择60%的个体，根据模拟退火法Metropolis准则[5]进化产生新个体.与保留的最优个体共同组成新的子代种群.

3.3.2 CSD编码在变异交叉时遇到的问题与解决方法

在采用CSD编码的模拟退火遗传算法中，CSD编码在交叉、变异后编码可能不再符合编码规则.对于这些不合规则的染色体，本文用与其十进制数最相近的CSD编码替代.步骤如下：

首先，将操作后编码[d0，d1，d2...，dx，...，dM]记为[CSD]，将[d1，d2...，dx，...，dM，d0]的转置记为[CSDcheck].计算[CSD?CSDcheck]，其中若有非零位，则编码不符合规则.记非零位位置为[P]。

其次，对于不合规则的CSD编码，将其解码为十进制数.若解码后编码可表示的上、下界，则将用最大、最小编码替代当前编码.否则，将紧邻[P]位的后两位分别置为[0，1]。

最后，循环前两步，直至编码非零位总数等于规定量化非零位数[B]时终止循环， 并将循环結束位后所有位置0

4 应用实例

设计带通IIR数字滤波器，滤波器技术要求为：

初始化时，规定系数编码长度[L]=17，非零位数[B]=6， 种群[C]=200，交叉概率[Pc]=0.2，变异概率[Pm]=0.08. 图1、图2为直接截断系数和优化IIR滤波器系数的频率响应比较.图2是图1的放大.图3为IIR滤波器优化设计的进化误差曲线.

仿真表明，直接截断滤波器通带纹波约为0.0081，优化设计滤波器的通带纹波约为0.0035，通带纹波大约减小了2.31倍. 从图中可以看出，用本文方法设计的带通滤波器具有较好幅频响应.

5 结束语

本文为了减少滤波器硬件资源开销，降低运算量，将CSD (Canonic Signed Digit) 编码引入混合遗传算法，优化设计IIR滤波器.针对滤波器设计多参数多极值的具体特点，对混合算法算子进行改进. 并给出解决CSD编码在交叉、变异后可能出现的问题的方法.仿真表明本文方法在减少滤波器运算量的同时，可有效减少通带波纹，提高搜索速度.

参考文献：

[1] Pngw W. Fully sigma-delta modulation encoded FIR filter [J]. IEEE Trans Signal Processing， 1992， 40(6)：1605-1610.

[2] De la Serna A.E， Soderstrand M.A. Trade-off between FPGA resource utilization and round-off error in optimized CSD FIR digital filters [C]. IEEE Asilomar Conference， Paris： Circuits and Systems， 1994：105-106.

[3] Abhijit C.， Sudipta C.， Supremacy of Differential Evolution Algorithm in Designing Multiplier-Less Low-Pass FIR Filter[C]. World Academy of Science， Engineering and Technology， International Journal of Electrical， Electronic Science and Engineering， 2014;8(2)：110-112.

[4] Guo R.， L. S. DeBrunner， K. Johansson. Truncated MCM using Pattern Modification for FIR Filter Implementation. 2010 IEEE International Circuits and Systems， London： Circuits and Systems， 2010：3881-3884.

[5] Ashrafzadeh F.， Nowrouzian B.， Crossover and mutation in genetic algorithms employing canonical signed-digit number system [J]. In Proceedings of the 1997 Midwest Symposium on Circuits and Systems， Sacramento， California， Aug.1997：259-264.

[6] Oppenheim A. V.， Schafer R. W. Digital Signal Processing [M].London： Prentice-Hall， 1975：39～40.

[7] 康立山，谢云，尤矢勇，等.非数值并行算法(第一册)模拟退火算法[M].北京：科学出版社，2000：78-79.

作者：岳颀　沈建东

第二篇：基于GSM接收机的多相滤波器的设计研究

【摘要】随着A/D变换技术、DSP技术、FPGA技术及ASIC等技术的发展，宽带数字化接收机正逐渐成为现代雷达、遥测及通信系统中必不可少的重要组成部分。其中多相滤波器是其中的关键技术，多相滤波可以利用抽取因子实现高效滤波，也起到抑制镜像干扰和邻道干扰的作用，因此多相滤波器的设计与研究就显得很重要。

【关键词】多相滤波器;GSM

随着A/D变换技术、DSP技术、等技术的发展，宽带数字化接收机正逐渐成为现代雷达、遥测及通信系统中必不可少的重要组成部分。但不管什么类型的低中频接收机，其基本原理框图都可采用低中频接收机原理结构框图如图1所示。

图1低中频接收机原理结构示意图

其中多相滤波器是其中的关键技术，多相滤波可以利用抽取因子实现高效滤波，也起到抑制镜像干扰和邻道干扰的作用，因此多相滤波器的设计与研究就显得很重要。

一、多相滤波器分析

在低中频接收机中，射频信号经过正交下变频，在I、Q两路信号中有用信号和镜像信号频率相同但相位相反即一个为正频率;另一个在负频率。对于一维实数域滤波器，如图2所示(低通，其它亦如此)，由于其幅频响应对于正负频率分量对称，因而无法在滤出正频率信号分量的同时抑制负频率信号分量。

图2 五阶低通滤波器 图3五阶多相位滤波器

图3是五阶多相位滤波器极点分布与幅频响应曲线示意图。它是在图2实数域五阶低通滤波器基础上将极点向上平移ωc的情况，得到了中心频率为ωc的复数带通滤波器，亦即多相滤波器，

二、电路设计

多相滤波器的结构有无源和有源两种，其中无源结构要实现较宽的带宽必须由多阶级联，而多阶级联结构又是有损的，输出信号将会有很大程度的衰减，这就要求有额外的缓冲结构进行补偿，这样在增大芯片面积的同时必将又增大滤波器的功耗。这里采用有源RC结构，能够有效克服以上各方面不足。有源滤波器工作原理：用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。图4是拟设计的一阶多相滤波器框图和电路原理图。

图4(a)一阶多相滤波器框图;(b)电路原理图

因此，为了得到较高的镜像抑制能力，通常选择较高的中心频率和高阶滤波器。它基本是在图4单阶基础上的级联。为了减小工艺参数和温度的变化对滤波器拐角频率的影响，实现时增加了可调电容以对滤波器频率特性进行校正。根据GSM窄带通信系统低中频接收机的结构特点，设计全集成有源多相位滤波器，电路在完成滤波的同时能有效地抑制镜像信号的干扰，实现了高集成度、低功耗、高效率的性能。

参考文献

[1]陈伟宁，秦士.多想滤波器的原理及其实现.清华大学学报.2001

[2]Richard G.Lyons.数字信号处理(朱光明，程建远，刘保童等译).北京：机械工业出版社，2006：259～269

[3]吴瑛，张莉，张冬玲，李萍.数字信号处理.西安：西安电子科技大学出版社，2009：149～184

[4]基于GSM接收机的多相滤波器的设.www.ic37.com.2009/12/07

[5]劉晓叶，宋家友，高向川.基于GSM接收机的多相滤波器的.数字化期刊.2009

[6]杨小牛，楼才义等.软件无线电原理与应用.北京：电子工业出版社，2001：28～30

作者：田春杰

第三篇：基于AlteraFPGA和QuartusII的程控滤波器与扫频测试仪的设计

【摘要】本系统以Altera公司的FPGA和Nois II为核心，采用运算放大器和模拟开关作为前级小信号放大器，以电流型DAC TLC7528等效为可变电阻，通过模拟电路构建传递函数实现可编程滤波，并通过FPGA查找表的方法数字合成正弦波通过DAC输出，构建了一个放大、滤波和扫频测试综合性系统。可应用与现代测量和各种数据采集系统中。

【关键词】FPGA;程控滤波;数字合成;扫频测试

1.引言

放大器和滤波器是现代电子系统的重要组成部分，其性能指标的优劣直接决定整个系统的性能。传统的放大器和滤波器大部分是固定放大倍数和固定的截止频率。在许多工程领域中，信号频率范围是动态的，约在几Hz到几十KHz之间，若按最大信号带宽下选择运算放大器的性能，会造成在较低信号频率下功耗浪费，因此需要可变截止频率的滤波器进行滤波。

本系统利用运算放大器、FPGA、D/A和LCD等核心器件设计程控滤波器和扫频测试仪，其中扫频测试仪可用于对滤波器的测试。输入为mV级信号，电压增益60dB，10dB可调，误差小于2%。高通、低通滤波器的截止频率在1kHz～30kHz，1kHz可调，误差小于2%。

2.系统结构设计与理论分析

2.1 系统结构框图

本系统主要由可控放大电路、滤波电路、正弦信号产生电路和FPGA构成，其系统框图如图1所示。前级程控放大采用继电器来选择放大器的反馈电阻以实现不同的增益，滤波器采用电流型DAC构建传递函数实现[1]，该方法便于控制而成本较低，正弦信号产生采用FPGA查找表的方法[2]，能得理高精准的频率。控制核心采用NIOS，无需复杂的外路电路与FPGA进行通讯。

5.结论

本文通过电流型DAC等效为可变阻器来构建传递函数来实现可编程滤波器，在参数的选择中通过品质因数来选择滤波器的特性，得到了相应的线性函数，从而有效的确定了参数，在硬件实际测试中得到了很好的线性度。采用FPGA查找表的方法直接数字合成正弦波，该方法所得到的正弦波频率精度高，波形稳定。通过合成信号对程控滤波器进行扫频测试，并在实际焊接电路中实现，测试该可编程滤波器，前级的小信号增益可达1000倍，10dB步进。整个系统的构建可用于工程中信号的放大，滤波和检波处理，而实现了智能化的控制。

参考文献

[1]朱全辉，瞿安连.用于电生理信号测量的滤波器设计[J].北京生物医学工程，2006，25(2)：130-132.

[2]夏雨闻..Verilog数字系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[3]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[5]常新华，王洪刚，于永江等.一种程控放大滤波器设计[J].四川师范大学学报，2009，32(3)：381-385.

[6]蔡伟纲.Nios II 软件架构解析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

作者简介：熊炫，男，工学博士，工程师，现供职于华中科技大学光学与电子信息学院，主要从事电子科学与技术及集成电路专业的实验教学及研究工作。

作者：熊炫