基于流水线技术的并行高效FIR滤波器设计（共8篇）由网友“宇琊”投稿提供，这次小编给大家整理过的基于流水线技术的并行高效FIR滤波器设计，供大家阅读参考，也相信能帮助到您。
篇1：基于流水线技术的并行高效FIR滤波器设计
基于流水线技术的并行高效FIR滤波器设计
摘要：基于流水线技术，利用FPGA进行并行可重复配置高精度的FIR滤波器设计。使用VHDL可以很方便地改变滤波器的系数和阶数。在DSP中采用这种FIR滤波器的设计方法可以充分发挥FPGA的优势。关键词：FIR滤波器 FPGA 流水线技术
数字滤波器可以滤除多余的噪声，扩展信号频带，完成信号预调，改变信号的特定频谱分量，从而得到预期的结果。数字滤波器在DVB、无线通信等数字信号处理中有着广泛的应用。在数字信号处理中，传统滤波器通过高速乘法累加器实现，这种方法在下一个采样周期到来期间，只能进行有限操作，从而限制了带宽。现实中的信号都是以一定的序列进入处理器的，因此处理器在一个时钟周期内只能处理有限的位数，不能完全并行处理。基于并行流水线结构的FIR滤波器可以使笔者设计的64阶或者128阶滤波器与16阶滤波器的速度一样快，其显著特别是在算法的每一个阶段存取数据。FPGA结构使得以采样速率处理数字信号成为常数乘法器的理想载体，提高了整个系统的性能。由于设计要求的差异，如字长、各级输出的保留精度等不同，在整个设计过程中，各个环节也有所不同，这就需要根据不同的要求对数据进行不同的处理，如截断、扩展等，从而设计出既满足设计需要，又节省FPGA资源的电路。
图1 并行滤波器结构
1 FIR并行滤波器结构
数字滤波器主要通过乘法器、加法器和移位寄存器实现。串行处理方式在阶数较大时，处理速度较慢。而现代数字信号处理要求能够快速、实时处理数据，并行处理数据能够提高信号处理能力，其结构如图1所示。
图2 查找表相乘和累加
从上面的算法可以看出，处理数据的采样时钟对每一个抽头来说都是并行的，并且加法器和移位寄存器采用级联方式，完成了累加器的功能，综合了加法器和移位寄存器的优点，而且这种算法的各级结构相同，方便扩展，实现了任意阶数的滤波器。算法中，真正点用系统资源的是乘法器。如果将系数量化成二进制，就能采用移位寄存器和加法器实现乘法功能。对于一个特定的滤波器，由于它有固定的系数，乘法功能就是一个长数乘法器。下面将讨论乘法器的设计问题。
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2 FIR并行滤波器的乘法器设计
在并行滤波器的设计中，每一个乘法器的一端输入数据，另一端为固定常数。对于常数乘法器，可以预先将常数的部分乘积结构存储起来，然后通过查表的方式实现两个数据的乘积。以16位输入、常数为14位的乘法器为例，给出其实现结构如图2所示。
对于无符号数来说，这是一种理想结构。但是在实际使用中，通常使用有符号数且常用补码的形式，因此需要对这种结构进行改进。一种改进方法是将输入的数据分开，即最高的几位作为有符号数处理，其它作为无符号数处理。第二种改进方法是将符号数经过补码/原码变换器变换成原码，然后，将原码作为无符号数处理，通过有符号数的符号位来控制加法器的加减。第三种改进方法是一种优化方法，即要用三个二进制补码变换器，处理输入的有符号数和滤波器的系数，这样可以避免使用有符号数的乘法和加法运算。具体的乘法累加器运算过程及结果如图3所示。其中，对应乘数高位和低位部分积p1(n)和p2(2)可以分别先垂直相加后水平相加，或者先水平相加后垂直相加，最后的结果是一样的。若采用后种方法，由于FIR滤波器的h(n)均为常数，得到部分积的矢量乘法运算就演变成了查表法，其中，S1(n)表示S(n)的最低有效,p1表示最低有效位部分积之和。
图4 有符号数查找表优化结构
同理，得p2，将p2左移一位与p1相加，便得到最后结果。这种查表法就是采用流水线技术进行FIR滤波器算法分解的基础，当字长增加时，相应得到p3、p4等。并相应移位相加即可。
采用流水线技术和加法器的资源共享技术可以更好地提高常数乘法器的优越性。16比特输入、14比特常数的这种方法的常数乘法器的结构如图4所示。
图5 优化FIR滤波器结构
在这种结构中，时钟是f1，内部操作的时钟是4×f1，其中的4个多路复用器每次可以从16路信号中选出4位用作ROM的地址线。每次4位地址从ROM中读出数据，经过相应的移位相加即可，两位计数器用来控制这些多路复位器的输出。
3 FIR滤波器的FPGA实现
按照第2节所描述的第三种优化方法实现常数乘法器，乘法器输出以后按照图4所示的滤波器结构，通过流水线技术的'加法器可以实现高效的滤波器。值得注意的是：在乘法器输出的时候需要对输出的数据进行一位扩展，可以避免加法器的溢出问题。
为了有效地利用资源，先通过多路复用器将输入的序列复选出来，这样所有常数乘法器可以共用一个多路复用器，然后通过ROM查表方法实现常数乘法器。优化后的原理结构如5所示。
4 FIR滤波器的电路设计与仿真结果
在数字滤波器设计时，首先根据滤波器的频率特性，选定滤波器的长度和每一节的系数。就目前的设计手段而言，对节数和系数的计算可以采用等波动REMEZ逼近算法编程计算。但是，目前最好的方法还是使用使用的EDA软件来完成。在选择了设计方法和设计要求后，计算出各节系数，并以图形的直观形式显示幅频、相频、冲激响应和零极点图。
图6是一个采用等波动设计方法生成的均方根升余弦（RRC）FIR滤波器的频域特性。其中，滚降系数为0.35，输入数据率是2.048MHz。
由于在数字滤波器中，各节系数字长有限，所以还要对计算出来的实系数进行量化处理，即浮点数向定点数转换。系数量化后的频域特性如图7所示，量化字长为12。
比较图6与图7，不难看出，系数在量化前后的频域特性是不同的，量化带来了频域特性的恶化。在验证了量化后的频域特性满足设计要求和系数的有效性之后，就可以进行FPGA电路的设计。
笔者采用流水线技术，根据得到的滤波器系数用VHDL语言编写了滤波器程序。为了充分利用FPGA中四输入查找表的电路结构，一般采用每8节为滤波器的一个基本单元。设计中通过采用流水线技术提高速度，对于更多阶数滤波器的设计，可以采用扩展的方法来实现。仿真结果如图8所示。
图8 高效滤波器频率特征
本文介绍了并行高效数字滤波器的设计方法，给出了电路的仿真结果。利用VHDL语言，采用可重复配置的FPGA，降低了设计成本，提高了系统的适用性。由于FIR滤波器的系数是常数，可以保存在ROM中，在运算的通过查找表的方法可很快得到乘法输出，减少了使用的资源和布线延时，节省了运算时间。在设计中，充分利用先进的EDA团体操，大大提高了设计效率。
篇2：基于FPGA流水线分布式算法的FIR滤波器的实现
基于FPGA流水线分布式算法的FIR滤波器的实现
摘要：提出了一种采用现场可编码门阵列器件（FPGA）并利用窗函数法实现线性FIR数字滤波器的设计方案，并以一个十六阶低通FIR数字滤波器电路的实现为例说明了利用Xilinx公司的Virtex-E系列芯片的设计过程。对于在FPGA中实现FIR滤波器的关键――乘加运算，给出了将乘加运算转化为查找表的分布式算法。设计的电路通过软件进行了验证并进行了硬件仿真，结果表明：电路工作正确可靠，能满足设计要求。关键词：FIR滤波器 FPGA 窗函数 分布式算法 流水线
随着数字技术日益广泛的应用，以现场可编程门阵列（FPGA）为代表的ASIC器件得到了迅速普及和发展，器件集成度和速度都在高速长。FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性，又具有可编码逻辑器件的用户可编程特性，可以减少系统设计和维护的风险，降低产品成本，缩短设计周期。
分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法。它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。简单地说，分布式算法在完成乘加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的部分积预先进相加形成相应部分积，然后在对各部门积进行累加形成最终结果，而传统算法是等到所有乘积产生之后再进行相加来完成乘加运算的。与传统算法相比，分布式算法可极大地减少硬件电路规模，很容易实现流水线处理，提高电路的执行速度。
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FPGA有着规整的内部逻辑块阵列和丰富的连线资源，特别适合细粒度和高并行度结构特点的数字信号处理任务，如FIR、FFT等。本文详细讨论利用FPGA实现FIR滤波器的设计过程，并且对设计中的关键技术――分布式算法进行详细描述。
1 FIR和分布式算法
1.1 FIR的基本概念
FIR滤波器的数学表达式为：
式中，N是FIR滤波器的抽头数，x(n)表示第n时刻的输入样本；h(i)是FIR滤波器的第i级抽头系数。
普通的直接型FIR滤波器结构如图1所示。
FIR滤波器实质上是一个分节的延迟线，把每一节的输出加权累加，便得到滤波器的输出。对于FIR滤波器，幅度上只需满足以下两个条件之一，就能构成线性相位FIR滤波器。
h(n)=h(N-1-n) (2)
h(n)=-h(N-1-n) (3)
式（2）称为第一类线性相位的幅度条件（偶对称），式（3）称为第二类线性相位的幅度条件（奇对称）。
1.2 FIR滤波器的优化
在实际应用中，为了减少逻辑资源的占有量和提高系统的运行速度，对FIR滤波器需要进行优化处理。本文采用的优化主要有两种：一种是对表达式进行优化，另一种是在FPGA实现中利用特有的查找表进行优化。
1.2.1 表达式的直接优化
对于线性相位因果FIR滤波器，它的系列具有中心对称特性，即h(i)=±h(N-1-i)。令s(i)=x(i) ±x(N-1-i)，对于偶对称，代入式（1）可得：
根据方程（4），线性相位FIR滤波器的直接型结构可以改为如图2所示的结构，从而使N次乘法减少为[N/2]次，加法次数增加了[N/2]次（N为偶数），总的运算量减少。
1.2.2 利用查找表进行设计优化
由于实现的是固定系数的FIR滤波器，所以可以用利用简化的过程（如查找表）减少设计所耗用的器件资源。
以一个8阶FIR滤波器为例来说明在FPGA实现中优化的过程。假定滤波器的输入为2bit的正整数，由（4）可以得到输出为：
y(n)=s(0)h(0)+s(1)h(1)+s(2)h(2)+s(3)h(3) (5)
这时的乘法和加法就可以并行地采用查找表实现，其结构示意图如图3所示。
在图3中，右面4个信号是输入的'低位bit，左边是输入信号的高位bit。低位和P1最多使用4bit，由于系数固定，查找表实现起来很方便；高位和P2可按同样方法计算。在该结构中，部门积P1和P2可以利用Virtex-E的4输入查找表实现，所有的计算都可并行完成。由于输入为2bit，因此只用了一个加法器；对于更多位数的输入来说，将需要更多的加法器。这样就实现了将乘法器转化为回法器，减少了解逻辑资源，优化了设计。
1.3 分布式算法
分布式算法在20多年前被首次提出，但直到Xilinx发明FPGA的查找表结构以后，分布式算法才在20世纪90年代初重新受到重视，并被有效地应用在FIR滤波器的设计中。下面介绍分布式算法的原理。
式（1）可以用下式表示：
式中，hi即h(i)，xi(n)即x(n-i)，N为滤波器的抽头数。
把数据源数据格式规定为2的补码形式，则：
式中，xib(n)为二进制数，取值为0或1；xio(n)为符号位，为1表示数据为负，为0表示数据为正。将（7）式代入（6）式可得：
由此可以看出，方括号是输入变量的一个数据位和所有滤波器抽头系数h0～hi的每一位进行“与”运算并求和。而指数部分则说明了求和结果的位权，整数乘以2b就是左移b位，对此可以通过硬件连线实现，不占用逻辑资源。这样就可以通过建立查找表来实现方括号中的运算，查找表可用所有输入变量的一同一位进行寻址。
2 系统设计与实现
下面以一个16阶的线性相位FIR低通滤波器为例说明设计的过程。
2.1 设计指标及参数提取
2.1.1 滤波器的设计指标
采样频率：≥50MHz 归一化截止频率：0.4MHz
类型：低通 输入数据宽度：8位
阶数：16阶 输出数据宽度：16位
2.1.2 参数提取
采用汉字窗函数（Hanning）设计16阶线性相位FIR数字滤波器，并提取其特性参数。
这里需要注意的是：下载到FPGA的程序是按照FIR滤波器的差分方程式编写的。由于从MATLAB中算出的系数h(n)的值是一组浮点数，而FPGA器件只进行定点值的计算，所以要进行浮点值到定点值的转换。假定“1”对应10000000000000000（17位，相当于乘上65536）。
用汉字窗（Hanning）进行设计，此16阶FIR数字低通滤波器特性参数经过换算如下：
h[0]=h[15]=0000 h[1]=h[14]=0065 h[2]=h[13]=018F
h[3
]=h[12]=035A h[4]=h[11]=0579 h[5]=h[10]=078E
h[6]=h[9]=0935 h[7]=h[8]=0A1F
图5
2.2 系统具体实现步骤
2.2.1 查找表的建立
我们知道，如果滤波器抽头数N过多，用单个查找表就不能执行全字（因为查找表位宽=滤波器抽头数的数量）。在这种情况下，可以将表的地址输入位数（即滤波器抽头数N）进行降低，既利用部分表并将结果相加。如果加上流水线寄存器，这一改进并没有降低速度，但是却可以极大地减少设计规模，因为查找表的规模是随着地址空间，也就是滤波器抽头数N的增加而呈指数增加，
根据卷积和定义16阶内积。
滤波器抽头数是16个，考虑到线性FIR滤波器的偶对称特性，只考虑8个独立滤波器抽头数，则需要一个2 8×8的表（其中指数8指的是8个滤波器抽头数，后面的8指的是输入数据的位宽）。但是Virtex-e FPGA只能提供4输入的查找表，所以要对查找表的地址进行电路分割。将8位地址线分为高4位和低4位，分别作为两个2 4×8的查找表的地址输入，从而指数倍地节省了硬件资源。
2.2.2 查表计算部分积累加和的过程
假定输入数据x[n]的值x[0]=1 10=00000001 2c,x[1]=-1 10=11111111 2c,x[2]=3 10=00000011 2c,x[3]=2 10=00000010 2c。（注：2c代表用二进制补码表示，最高位为符号位。）
数据校验结果：h[0]x[0]+h[1]x[1]+h[2]x+h[3]x[3]=2812
说明利用分布式查表算法的计算结果与直接计算结果相同，算法正确无误。
查找表（2）的查表计算结果依此类推。只是需要注意：查找表（2）的数据输入x是8位数据x[4]、x[5]、x[6]、x[7]，而不是x[3]、x[2]、x[1]、x[0]。根据系数偶对称性质。x[8]、x[9]、x[10]、x[11]查查找表（2），x[12]、x[13]、x[14]、x[15]查查找表（1）。
3 设计结果
本系统的FPGA采用Xilinx公司的Virtex-E系列中的XCV100E FPGA，使用的软件是Xilinx公司的ISE5.2i及Modelsim公司的Modelsim时序仿真工具，对FIR滤波器进行描述编程使用的是VHDL语言。
实现FIR滤波器的最上层的原理图如图4所示，输入16个8位数据data_in={1,-1,3,2,2-1,1,-1,1,-1,3,2,2,-1,1,1}。
系统仿真的时序图如图5所示。所设计FIR滤波器的幅频、相频、单位脉冲冲激响应如图6～8所示。
FIR滤波是DPS的基本运算形式这一。本文介绍的基于FPGA的分布式算法提高了系统运行的速度并且节省了大量的FPGA资源。通过阶段以及查找表中抽头系数的设定，还可以灵活地实现除低通外的高通、宽阻和带通滤波器。
设计的电路已通过FPGA验证，说明工作正常，符号设计指标。
篇3：基于FPGA实现FIR滤波器的研究
基于FPGA实现FIR滤波器的研究
摘要：针对在FPGA中实现FIR滤波器的关键--乘法运算的高效实现进行了研究，给了了将乘法化为查表的DA算法，并采用这一算法设计了FIR滤波器。通过FPGA仿零点验证，证明了这一方法是可行和高效的，其实现的滤波器的性能优于用DSP和传统方法实现FIR滤波器。最后介绍整数的CSD表示和还处于研究阶段的根据FPGA实现的要求改进的最优表示。关键词：FPGA DA FIR滤波器 CSD
数字滤波器是语音与图像处理、模式识别、雷达信号处理、频谱分析等应用中的一种基本的处理部件，它能满足波器对幅度和相位特性的严格要求，避免模拟乙波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限冲激响应(FIR)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性。
目前FIR滤波器的实现方法有三种：利用单片通用数字滤波器集成电路、DSP器件和可编程逻辑器件实现。单片通用数字滤波器使用方便，但由于字长和阶数的规格较少，不能完全满足实际需要。使用DSP器件实现虽然简单，但由于程序顺序执行，执行速度必然不快。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好。但长期以来，FPGA一直被用于系统逻辑或时序控制上，很少有信号处理方面的应用，其原因主要是因为在FPGA中缺乏实现乘法运算的有效结构。现在这个问题得到了解决，使FPGA在数字信号处理方面有了长足的发展。
图1
1 分布式运算原理
分布式算法(DA)早在1973年就已经被Croisier提出来了，但是直到FPGA出现以后，才被广泛地应用在FPGA中计算乘积和。
一个线性时不变网络的输出可以用下式表示：
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=c[0]x[0]+c[1]x[1]+…+c[N-1]x[N-1]
假设系数c[n]是已知常数，x[n]是变量，在有符号DA系统中假设变量x[n]的表达式如下：
式中，xb[n]表示z[叫的第b位，而x[n]也就是x的第n次采样。于是，内积y可以表示为：
重新分别求和（也就是分布式算法的由来），其结果如下：
从(1)式可以发现，分布式算法是一种以实现乘加运算为目的的运算方法。它与传统算法实现乘加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺序不同。分布式算法在实现乘加功能时，是通过将各输入数据的每一对应位产生的部分积预先进行相加形成相应的部分积，然后再对各个部分积累加形成最终结果的，而传统算法是等到所有乘积已经产生之后再来相加完成乘加运算的。与传统串行算法相比，分布式算法可极大地减少硬件电路的规模，提高电路的执行速度。它的实现框图如图1(虚线为流水线寄存器)所示。
图2
2 用分布式原理实现FIR滤波器
2．1 串行方式
当系统对速度的要求不高时，可以采用串行的设计方法，即采用一个DA表、一个并行累加器和少量的寄存器就可以了。
在用LUT实现串行分布式算法的时候，假设系数为8位，则DA表的规模为2N×8位。可以看到如果抽头系数N过多，则DA表的规模将十分庞大。这是因为LUT的规模随着地址空间的变化(也就是N的增加)而呈指数增加。例如EPFl0K20包含1152个LC，而一个27×7位的表就需要394个LC。当N过大时，一个FPGA器件就不够用了。
为了减小规模，可以利用部分表计算，然后将结果相加。假定长度为LN的内积为：
将和分配到L个独立的N阶并行DA的LUT之中结果如下：
如图2所示，实现一个4N的DA设计需要3个次辅助加法器。表格的规模从一个2 N×B位的LUT降到4个2 N×B的位表。
如果再加上流水线寄存器，由于EPFl0K20每个LC后面都跟有一个寄存器，所以并没有增加电路规模，而速度却得到了提高。
2．2 并行方式
采用并行方式的好处是处理速度得到了提高。由于数据是并行输入，所以计算速度要比串行方式快，但它的代价是硬件规模更大了。下面举出全并行的例子。
设 sum[0]=c[0]x0+[0]+c[1]x0[1]+…+c[N-1]x0[N-1]
sum[B-1]=c[B-1]xB-1[0]+c[1]xB-1[1]+…c[N-1]+xB-1[N-1]
可将(1)式改写成如下形式
y=sum[0]+sum[1]2 1+sum[2] 2+…+sum[B-1]2 B-1 (2)
利用式(2)可得一种直观的加法器树，如图3所示。
虽然硬件规模加大了，但是如果把系数的个数限制在4个或8个，再加上流水线寄存器，这个代价还是值得的。而且每张表都是相同的，不用为每个采样都设计一张表，减小了设计量。
DA算法的主要特点，是巧妙地利用ROM查找表将固定系数的MAC运算转化为查表操作，其运算速度不随系数和输入数据位数的增加而降低，而且相对直接实现乘法器而言在硬件规模上得到了极大的改善。利用ALTERA的FLEXl0K实现的16阶8位系数的并行FIR滤波器，其时钟频率可以达到101MHz，而实现的16阶8位系数的串行FIR滤波器，其时钟频率可以达到63MHz，每9个时钟周期可完成一次计算。但是其系数是传统二进制的，造成了很大的冗余(对于用逐位相加法实现的乘法器，当系数有一位为零时不用相加，零位越多，冗余越大)，而且查找表的大小随着滤波器阶数的增加成指数增加，虽然可以采用将大查找表分解为小查找表，但是无法从根本上解决这一问题，这些都是DA方法的缺点。后面将对FIR滤波器实现给出新的设计方法，进一步降低逻辑资源的消耗。
3 CSD码及最优化方法
一个整数X与另一整数Y的乘积的二进制表示可以写成：
对于标准二进制，由于sn=0时的对应项Y2n并不参与累加运算，所以可以用另一种表示方法使非零元素的数量降低，从而使加法器的数目减少，降低硬件规模。有符号数字量(SD)有三重值{0，-1，+1}，如果任意两个非零位均不相邻，即为标准有符号数字量(CSD)。
可以证明CSD表示对给定数是唯一的并且是最少非零位的。CSD表示相对于标准二进制表示的改进在于引入了负的符号位，从而降低了非零位个数，大大降低了逻辑资源的占用(大约平均降低33％的逻辑资源)。
当用硬件实现时，常常限制系数位数，即每个系数与N个正(负)2的幂次之和近似。标准二进制数在整数轴上是紧密和均匀分布的，而CSD码是非均匀分布的'，其对实系数的量化误差比标准二进制大，虽然增加N可以减小量化误差，但是会增大逻辑资源的消耗；而且CSD表示无法应用流水线结构，从而降低处理速度。
还可采用优化的方法将系数先拆分成几个因子，再实现具体因子。这就是最优化的代码。例如对系数93，93=10111012=1100101CSD。用最优化法，系数93可以表示成93=3・31，每个因子需要一个加法器，如图4所示。
图4
从图中可以看出，CSD码需要三个加法器
，而最优法只需要两个加法器；CSD码的重要缺陷在于每一级加法都需要初节点参与，而最优表示仅依赖上一级加法的结果，因此也就更适合流水线处理。Dempster等人提出了需要1到4个加法器的所有可能配置表。利用这张表，就可以合成成本在0与4个加法器之间的所有8位二进制整数。
本文首先给出了一种巧妙利用FPGA的查找表，将乘法转化为查找表运算的DA算法，并用ALTERA的FLEXlOK器件分别实现了一个8位16阶的串行与并行FIR滤波器，系统频率分别达到63MHz与101MHz，采样速度分别达到7MSPS与101MSPS。而DSP实现的FIR滤波器只能达到5MSPS，明显低于FPGA。用传统的位串行方法实现的一个8阶8位FIR滤波器，也只能达到5MSPS，明显低于串行式DA方法；接着，针对系数的二进制表示非零位不是最少(即实现系数乘法的加法器不是最少)的问题，介绍了整数的CSD表示以及最优表示，它们可以用较小的代价和与加法器级数无关的处理速度实现整数乘法运算，能比DA方法用更少的逻辑资源实现FIR滤波器。这些算法都不同于传统的设计观念，为基于FPGA的DSP设计提出了新的思路，必将在高速FIR滤波器设计、高速FFT设计中得到广泛的应用。随着FPCA集成规模的不断提高，许多复杂的数学运算已经可以用FPCA来实现，利用单片FPGA实现系统的设想即将变为现实。
篇4：基于SPRT检验的并行递推次优Sage滤波器
基于SPRT检验的并行递推次优Sage滤波器
提出了一种新的并行递推次优Sage滤波算法.在新方法中,设计了一种附加伴随滤波器的并行滤波结构,消除了结果常值偏差;并引入SPRT检验方法,通过检验模型的噪声统计是否发生了扰动,达到对噪声统计调整进行控制的'目的,使得滤波器可以有效跟踪时变噪声,并减少了计算量.
作 者：刘广军 吴晓平郭晶 作者单位：郑州信息工程大学测绘学院,郑州市陇海中路66号,450052 刊 名：武汉大学学报(信息科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：GEOMATICS AND INFORMATION SCIENCE OF WUHAN UNIVERSITY 年，卷(期)： 27(2) 分类号：P228.41 P228.42 关键词：卡尔曼滤波 自适应 序贯概率比检验篇5：具有单位增益的带通FIR滤波器设计-通信工程毕业论文-开题报告
具有单位增益的带通FIR滤波器设计-通信工程毕业论文-开题报告一、选题的来源、目的、意义和基本内容1、题目来源：学院毕业设计选题指南。2、目的和意义： 信号处理技术是指运用数值计算的方法对信号进行分析、变换、合、估值与识别等的处理。随着电子技术和电子计算机技术的发展，数字信号处理技术受到了越来越广泛的关注，数字信号处理的理论和技术也在不断丰富和完善，新的理论和新技术层出不穷。可以说，数字信号处理是发展最快、应用最广泛、成效最显著的新科学之一，目前已广泛地应用在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信、控制、生物医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、自动化仪表等领域。 过程中，所处理的信号往往混有噪音，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音的不同特性，提取有用信号的过程称为滤波，实现滤波功能的系统称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器应用极为广泛。二、国内外研究综述 信号处理一经问世，便吸引了很多学科的研究者，并把它应用于自己的研究领域。可以说，数字信号处理是应用最快，成效最为显著的新学科之一。在语音、雷达、声纳、地震、图像、通信系统等众多领域都获得了极其广泛的应用，他有效地推动了众多工程技术领域的技术改造和科学发展。近年来，随着多媒体的发展，DSP芯片已在家电、电话、磁盘机等设备中广泛应用。三、参考文献[1] 马玉韬, 轩秀巍, 车进, 滕建辅. 基于全相位滤波理论的基因预测[J].上海交通大学学报，，(07).[2] 黄 翔 东，王 兆 华.全相位FIR滤波器族[J]. 天津大学电子信息工程学院，，（6）
选题意义：当今，数字信号处理的技术飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同的形式影响和渗透到其他的学科。它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连，它影响或改变着我们的生产，生活方式，因此受到人们的普遍的关注。 智能化，数字化和网络化是当今信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号，电视信号，雷达信号，通信信号，导航信号，射电天文信号，生物医学信号，控制信号，气象新号，地震勘测信号，机械振动信号，遥感遥测信号，等等。上述的这些信号大部分是模拟信号，也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化（采样）和幅度上的离散化（量化），这类模拟信号便成为一维数字信号。因此，数字信号实际上是用数字序列表示的信号，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散时间序列。数字信号处理，就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。例如，对数字信号进行离散，对信号进行频谱分析或者功率谱分析以了解信号的频谱组成，进而对信号进行识别，对信号进行某种变换，使之更适合于传输，存储和应用，对信号进行编码以达到数据压缩的目的等等
二、国内外研究现状在信号处理过程中，所处理的信号往往混有噪音，从接收到的信号中消除或减弱噪音是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪音信号的不同特性，提取有用信号的过程成为滤波。实现滤波功能的系统被称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，数字滤波器应用极为广泛，这里只列举部分应用最成功的领域。（1）语音处理 语音处理是最早应用数字滤波器的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。该领域主要包括5个方面的内容：第一，语音信号分析。即对语音信号的波形特性，统计特性，模型参数等进行分析计算。第二，语音合成。即利用专用硬件或在通用计算机上运行软件来产生语音。第三，语音识别。即利用专用硬件或计算机识别人的讲话，或者识别说话的人。第四，语音增强。即从噪音或者干扰中提取被掩盖的语音信号。第五，语音编码。主要用于语音数据的压缩，目前已经建立了一系列语音编码国际标准，大量用于通信和音频处理。 （2）图像处理 数字滤波技术已经成功地应用于静止图像和活动图像的恢复和增强，数据压缩，去噪音和干扰，图像识别以及层析X射线摄影，还成功地应用于雷达，声纳，超声波和红外线的可见图像成像。 （3）通信 在现代通信技术领域内，几乎没有一个分支不受到数字滤波器技术的影响。信源编码，信道编码，调制，多路复用，数据压缩以及自适应信道均衡等，都广泛的采用数字滤波器，特别是在数字通信，网络通信，图像通信，多媒体通信等应用中，离开了数字滤波器，几乎是寸步难行，其中，别人玩是通信技术未来发展方向的软件无线电技术，更是以数字滤波技术为基础。 （4）电视 数字电视取代模拟电视已经是必然的趋势。高清晰电视的普及指日可待，与之配置的视频光盘技术已经形成巨大市场产业：可视电话和会议电视产品不断更新换代。视频压缩和音频压缩技术所取得的'成就和标准化工作，促成了电视领域产业的蓬勃发展，而数字滤波器及其相关技术是视频压缩和音频压缩技术的重要基础。 （5）雷达 雷达信号占有的频带非常宽，数据传输速率也非常高，因而压缩数据量和降低数据传输速率是雷达信号数字处理面临的首要问题。告诉数字器件的出现促进了雷达信号处理技术的进步。在现代雷达系统中，数字信号处理部分是不可缺少的，因为从信号处理，滤波，加工到目标参数的估计和目标成像的显示都离不开数字滤波技术。雷达信号的数字滤波器是当今十分活跃的研究领域之一。（6）声纳 声纳信号处理分为两大类，即有源声纳信号处理和无源声纳信号处理，有源声纳系统涉及的许多理论和技术与雷达系统相同。例如，他们都要产生和发射脉冲是探测信号，他们的信号处理任务都主要是对微弱的目标回拨进行检测和分析，从而达到对目标进行探测，定位，跟踪，导航，成像显示等目的，他们要应用到的主要信号处理技术包括滤波，门限比较，谱估计等。 （7）生物医学信号处理 数字滤波器在医学中的应用日益广泛，如对脑电图和心电图的分析，层析x射线摄影的计算机辅助分析，胎儿心音的自适应检测等。 （8）音乐 数字滤波器为音乐领域开辟了一个新局面，在对音乐信号进行编辑，合成以及在音乐中加入交混回响，合声等特殊方面，数字滤波技术都显示出了强大的威力。数字滤波器还可用于作曲，录音和播放，或对旧录音带的音质进行恢复等。（9）其他领域 数字滤波器的应用领域如此广泛，以至于完全列举他们是根本不可能的，处理以上几个领域外，还有许多其他的应用领域。例如，在军事上呗大量应用于导航，制导，电子对抗，战场侦查。。 随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经车位一门及其重要的学科和技术领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电力技术存在很多难以解决的问题，例如， 模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面有很多突出的优点，在前面部分已经提到，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前发展的方向
三、本文研究内容主要研究基于Matlab的FIR带通滤波器。具体是采用窗函数设计法、频率采样法、等波纹逼近法进行设计，并用Matlab软件编写程序进行仿真。 1.研究FIR滤波器的定义、分类、应用以及设计方法。2.了解FIR滤波器窗函数的设计方法及原理。 3.了解FIR滤波器频率采样的设计方法及原理。 4.了解FIR滤波器等波纹逼近的设计方法及原理。 5.确定滤波器的技术指标，并进行Matlab仿真。 结合上述内容，设计编程，完成利用Matlab软件设计FIR带通滤波器并进行仿真优化。通过设计编程，加深对知识的理解和运用。四、设计方案1、IIR滤波器的设计原理IIR数字滤波器的设计一般是利用目前已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计，通常采用模拟滤波器原型有butterworth函数、chebyshev函数、bessel函数、椭圆滤波器函数等。IIR数字滤波器的设计步骤：（1） 按照一定规则把给定的滤波器技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标；（2） 根据模拟滤波器技术指标设计为响应的模拟低通滤波器；（3） 很据脉冲响应不变法和双线性不变法把模拟滤波器转换为数字滤波器；（4） 如果要设计的滤波器是高通、带通或带阻滤波器，则首先把它们的技术指标转化为模拟低通滤波器的技术指标，设计为数字低通滤波器，最后通过频率转换的方法来得到所要的滤波器。2、FIR滤波器的设计原理FIR滤波器通常采用窗函数方法来设计。窗设计的基本思想是，首先选择一个适当的理想选频滤波器（它总是具有一个非因果，无限持续时间脉冲响应），然后街区（加窗）它的脉冲响应得到线性相位和因果FIR滤波器。它是从时域出发，用一个窗函数截取理想的 得到h(n)，以有限长序列h(n)近似理想的 ：如果从频域出发，用理想的 在单位圆上等角度取样得到H(k),根据h(k)得到H（z）将逼近理想的H (z),这就是频率取样法。窗函数设计法
同其他的数字滤波器的设计方法一样，用窗函数设计滤波器也是首先要对滤波器提出性能指标。一般是给定一个理想的频率响应 ，使所设计的FIR滤波器的频率响应h 去逼近所要求的理想滤波器的响应。窗函数的设计的任务在于寻找一个可实现（有限长单位脉冲响应）的传递函数。 = （4—1）
去逼近。我们知道，一个理想的频率响应 的傅立叶变换 = （4—2） 所得到的理想单位脉冲响应往往是一个无限长序列。对 经过适当的加权、截断处理才得到一个需要的有限长脉冲响应序列。对应不同的加权、截断，就有不同的窗函数。所要寻找的滤波器脉冲响应就等理想脉冲响应窗函数的乘积。即 h=w （4—3）由此可见，窗函数的性质就决定了滤波器的品质。例如：窗函数的主瓣宽度决定了滤波器的过渡带宽：窗函数的旁瓣代销决定了滤波器的阻带衰减。1、矩形窗 w= （4—4） 2、Hamming窗 w=[0.54-0.46cos] （4—5） 3、Blackman窗 w=[0.42-0.5cos()+cos()] （4—6） 4、Kaiser窗 w= （4—7） 窗函数法设计线性相位FIR滤波器可以按如下步骤进行：1、确定数字滤波器的性能要求。确定各临界频率{}和滤波器单位脉冲响应长度N。2、根据性能要求和N值，合理的选择单位脉冲响应h(n)有奇偶对称性，从而确定理想频率响应的幅频特性和相位特性。3、用傅立叶反变换公式求得理想单位脉冲响应 。4、选择适当的窗函数W（n），根据式h=w，求得所设计的FIR滤波器单位脉冲响应。5、用傅立叶变换求得其频率响应H，分析它的幅频特性，若不满足要求，可适当改变窗函数形式或长度N，重复上述过程，直至得到满意的结果。
五、论文结构
六、参考文献[1] 马玉韬, 轩秀巍, 车进, 滕建辅. 基于全相位滤波理论的基因预测[J].上海交通大学学报，2013，(07).[2] 黄 翔 东，王 兆 华.全相位FIR滤波器族[J]. 天津大学电子信息工程学院，2008，（6）[3] 黄翔东，王兆华.任意正交变换下的全相位等效 FIR 滤波器的构造[J].天津大学学报，，39(9)：1120-1125[4] 丁玉美.数字信号处理[M].西安：西安电子科技大学出版社,.195～225.[5] 董长虹等. MATLAB信号处理与应用.北京：国防工业出版社，.[6] 楼顺天，李博菡.基于MATLAB的系统分析与设计.西安：西安电子科技大学出版社，[M].[7] 侯正信.全相位列率滤波器的设计和实现[J].信号处理， 增刊，Vol(17)：132-135[8] 丁玉美, 高西全.数字信号处理[M]. 第三版. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2008, 6. [9] 闫胜利. FIR滤波器及设计原理[J]. 长春工程学院学报(自然科学版), , 6, 4(1): 21-24. [10] 姚齐国. 基于MATLAB的数字滤波器的设计[J]. 江西理工大学学报, 2006, 2, 27(1): 50-52. [11] 杨守卫. FIR数字滤波器应用分析探讨[J]. 河北省工程咨询院学报, , 7, 29(15): 47-49. [12] 朱敏. MATLAB数字信号处理工具箱的开发和应用[J]. 信息与电脑, , 2, 26(8): 154-155. [13] 姚海燕. FIR数字滤波器设计窗函数法与频率抽样法比较[J].安阳工学院学报, , 6, 12(6): 51-53. [14] 刘波. MATLAB信号处理[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006, 7. [15] 邬国扬, 张萱, 吕昂等. 模拟电子技术[M]. 第二版. 西安：西安电子科技大学出版社, 2007, 3. [16] 邵朝, 阴亚芳, 卢光跃.数字信号处理[M].北京:北京邮电大学出版社，.133~136 [17] Sanjit K.Mitra,Digital Signal Processing-A Computer-Based Approach[J] 3e.北京:清华大学出版社,2006.427~428 [18] 赵健，李毅，杨菊平．数字信号处理学习辅导[M].北京：清华大学出版社，2006.93~95
篇6：听说读写并行打造英语高效课堂
听说读写并行打造英语高效课堂
张颖华
甘肃省白银市白银区桦皮川小学
在小学英语教学中，听、说、读、写四会既是教学目的，也是教学手段，教学语言中的语音、词汇、句子等都要通过听、说、读、写的训练来掌握运用，几乎每节课都要进行这四项技能的训练，以下就做一一介绍：
1着眼听力培养，夯实学习基础
作为交际工具的语言首先是有一个有声系统，听力是言语交际能力的重要方面，是获得语言感受的最主要途径，是提高“听、说、读、写”能力的基础。因此，在小学阶段的英语教学中，必须教给学生正确的语言基础知识。即：
1.1语音――要求学生掌握正确的发音，能听和说上辨别一些容易混淆的因素，特别是发音比较相近的词。
1.2 语速――有些英语课文磁带较快，老师上课时语速偏慢，久而久之，学生形成了习惯，遇到正常的语速的听力材料就不能适应。因此，教师就必须以正确的语序读、说，正常采用连读、弱读、失爆、重音转移等语音语调变化，以养成学生自然真实的听、说英语的习惯，以适应将来听懂较大容量的听力材料。
1.3语调――从一开始就教会学生会听、说正确、有声有色的英语语调，以增强他们在听力方面的辨别能力。
1.4词汇――学生英语词汇量的大小，掌握的熟练程度是英语听力理解的重要因素， 因此，在小学英语阶段的'词汇教学中就要注重英语单词的一词多义、同音同义的灌输，使他们一开始接触英语就区别英语与汉语的异同，以帮助英语听力的理解。
2提高说的能力，创设语言环境
2.1尽量少说母语，创设英语氛围。
在英语教学过程中教师尽可能少地说中文，为学生创设一个英语氛围，增加学生的语言实践机会。例如：某学生回答完问题，教师问：“对还是错？”学生很快会回答“对错”，若换成教师问“Is he/she right？”学生会回答“Yes， he/She is right， or No， he/she isn‘t right.”即使刚开始接触英语的学生会感觉到很困难，教师也一定要鼓励学生去说，培养一个良好的课堂用英语交流的习惯。
2.2从易到难说，培养英语学习兴趣。
小学是学习英语的入门阶段，我们应该把激发学生的兴趣放在首要位置，使学生的好奇心、好胜心得以表现，并且能够品尝到学习英语的乐趣。所以尽量用简单易懂的课堂用语，教授简单的单词句子，从易到难，培养学生对英语的学习兴趣。例如：一上课，教师就说：“Today we´ll learn colours： black.white.brown. orange……，you must learn it well， and remember all the colours.”教师一开始的开场白就吓到了学生，学生还有兴趣去学吗？教师完全可以先问好“Good morning！How are you？或唱一首学生都会的英文歌来热身，然后用彩色卡片或彩笔来一一介绍，让学生集体说，单个说，开火车说，对子说，小组说等来进行课堂上说的训练。后跟句子如：What colour is it？ It´s____.再次训练，从易到难，变换花样，激发学生的学习兴趣。
3激发朗读热情，步步为赢
激发小学生的英语朗读热情是探索朗读训练方法的首要一步。依据小学生的年龄、心理特点，可以从三个方面着手：
3.1教师的良好示范。英语教师要不断学习，不断练习，以自身纯正、优美语音、语调来感染、熏陶学生，教师声情并茂的朗读会给学生以美的享受，从而引起学生的朗读欲望。在教师示范时要让学生静听并注意观察口形。
3.2多种形式的课堂朗读训练。不要将课堂的英语朗读仅仅当作检查小学生是否完成朗读任务的手段，而是要采用形式丰富的朗读，如：分角色读、“开火车”读、小老师领读、小组比赛读、男女生比赛读，尤其是chant，既训练学生的节奏感和语音语调，又提高学生的朗读技巧。
3.3培养学生养成良好的朗读习惯。小学生的朗读以模仿为主，在模仿过程中教师要做必要的指导，如句型朗读中重音、连读、爆破、升降调等，注重培养学生按意群朗读的习惯，指导学生以词组和句子为单位进行朗读，帮助学生纠正一个一个单词朗读的不良习惯。特别强调用“心”读，首先要做到用“心”听。逐步做到“眼到――口到”，逐步达到“口到――心到”。
4调动积极性，训练基本功
在英语教学中，书写的机械训练是必不可少的，教师需讲清书写的原则来指导学生，教师必须示范到位，学生模仿并及时纠错。
学生总喜欢具有趣味性、挑战性的东西，所以书写练习必须变换书写的方法，激发学生的书写兴趣。例如：让学生打开课本找见要写的单词，比书写速度并训练学生的记忆能力，这样不仅让学生记忆了单词，还增强了学生对单词的熟悉度；在限定的时间里（5-10分钟），比比谁写的单词整齐并且不出错，这样可以提高学生对单词记忆的正确率。
总之，英语高效课堂的打造，必须从听、说、读、写四方面去着手，将这四项技能结合起来，从易到难，循序渐进，激发学生对英语的学习兴趣，使学生的语言能力得到全面发展。
篇7：如何设计高效团队
“康泰之树，出自茂林，树出茂林，风必折之。”一棵健康高大的树木，一定是从茂密的森林中生长出来，这棵树假如离开这片森林，风一吹来势必折枝散叶。在现今社会中没有一个人单靠自己就能顶天立地。企业竞争不是个人赛，而是团体赛。但是在一个组织里，大家由于心态、观念、能力的不一致，难以高效地完成组织目标，正所谓“百姓百心”，很多工作进展缓慢，领导者和治理者往往不知道员工究竟是“不会做”还是“不愿做”，还是由于资源缺乏而“不能做”，从而很难让员工凝成一股绳，高效地完成组织目标？
治理者由于不知道如何建设高效团队，于是只好大声呼喊：“我们一定要加强团队合作，要讲奉献，要上下凝成一股绳，我们的工作则无往而不胜。”喊口号可以，但效果却很不佳。治理者希望部属和员工工作时像年终聚餐把酒时那样士气高昂，布满工作热情！但员工的实际表现却远非治理者所想。治理学大师彼得.杜拉克强调，企业最终的要害是“让员工众志成城，调动员工的积极性与潜能，为企业创造绩效”，因此，建设高效团队尤其显得重要。
高效团队的特点
那么，高效团队有什么特点呢？有专家对高效团队研究发现，高效团队具有以下特点：1、规模比较小，一般不超过10人；2、互补的技能，即团队各成员至少具备科技专长、分析解决问题能力、沟通技能；3、共同的目的，共同的目的产生的前提，并可以为成员提供指导和动力；4、可行的目标以使成员采取行动和布满活力；5、共同手段或方法来达成目标实现；6、相互之间的责任。
篇8：如何设计高效团队
在企业团队建设实际运行过程中虽不是一件轻松的事情，但也不象大多数人认为那样－－是一件非常困难的.事情，经常感觉好象无从下手。通常我们可以借助一些常见的治理工具来简化团队建设工作。这里介绍一种大家都非常熟悉的5H1H方法来建设高效团队。
高效团队建设中的5W1H是：who（我们是谁）、where（我们在哪里）、what(我们成为什么)、when（我们什么时候行动）、how（我们怎样行动）、why（我们为什么）。通过明确这几个方面的问题来建立高效团队。
我们是谁（who）？即团队成员自我的深入熟悉，明确团队成员具有的优势和劣势、对工作的喜好、处理问题的解决方式、基本价值观差异等；通过这些分析，最后获得在团队成员之间形成共同的信念和一致的对团队目的的看法，以建立起团队运行的游戏规则。
我们在哪里（where）？每一个团队都有其优势和弱点，而团队要取得任务成功又面对外部的威胁与机会，通过分析团队所处环境来评估团队的综合能力，找出团队目前的综合能力对要达到的团队目的之间的差距，以明确团队如何发挥优势、回避威胁、提高迎接挑战的能力。
我们成为什么（what）？以团队的任务为导向，使每个团队成员明确团队的目标、行动计划，为了能够激发团队成员的激情，应树立阶段性里程碑，使团队对任务目标看得见、摸得着，创造出令成员兴奋的幻想。
我们什么时候采取行动（when）？合适的时机采取合适的行动是团队成功的要害，团队任务的启动；团队碰到困难或障碍时，团队应把握时机来进行分析与解决；以及团队面对内、外部冲突时应在什么时机进行舒缓或消除；以及在何时与何地取得相应的资源支持等；都必须因势利导。
我们怎样行动（how）？怎样行动涉及到团队运行问题。即团队内部如何进行分工、不同的团队角色应承担的职责、履行的权力、协调与沟通等，因此，团队内部各个成员之间也应有明确的岗位职责描述和说明，以建立团队成员的工作标准。
我们为什么（why）？对于这个问题，目前在很多企业团队建设中都轻易被忽视，这可能也是导致团队运行效率低下的原因之一。团队要高效运作，必须要让团队成员清楚地知道他们为什么要加入这个团队，这个团队运行成功与失败对他们带来的正面和负面影响是什么？以增强团队成员的责任感和使命感。即将我们经常讲的激励机制引入团队建设，可以是团队荣誉、薪酬或福利的增加、以及职位的晋升等。作者：张治苹
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