文獻(xiàn)綜述(基于單片機(jī)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述系 別：電子與電氣工程系年級(jí)專業(yè)：姓 名：學(xué) 號(hào)：題目名稱：基于單片機(jī)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)：文獻(xiàn)綜述與畢業(yè)論文選題一致，閱讀的文獻(xiàn)數(shù)量基本達(dá)到目標(biāo)要求，所作綜述思路較為清淅，觀點(diǎn)明確。能闡明文獻(xiàn)綜述的寫作目的、意義，能綜合所閱讀文獻(xiàn)提出論文所涉及的問題以及具體的研究方向，闡述了所閱讀論文涉及的學(xué)科研究前沿、熱點(diǎn)問題，進(jìn)一步明確了研究方向。指導(dǎo)教師簽名：年 月 日基于單片機(jī)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述【內(nèi)容摘要】：數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個(gè)領(lǐng)域。而在數(shù)據(jù)采集中存在著各種噪聲，本文采用

2、基于單片機(jī)和C語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)并開發(fā)數(shù)字濾波系統(tǒng)?！娟P(guān)鍵詞】：?jiǎn)纹瑱C(jī)、proteus、C語(yǔ)言、數(shù)字濾波導(dǎo)言在1960年到1970年的十年中，高速數(shù)字計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展，并被廣泛地用來(lái)處理數(shù)字形式的電信號(hào)。因而，在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中，就有可能采用傅里葉分析、波形抽樣、Z變換等已有的基本理論概念。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定、重復(fù)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、性能優(yōu)異、線性相位等優(yōu)點(diǎn)。在基于單片機(jī)和C語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)并開發(fā)數(shù)字濾波系統(tǒng)中，我們針對(duì)于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的隨機(jī)干擾，通過(guò)手動(dòng)輸入來(lái)模擬數(shù)據(jù)采集過(guò)程，驗(yàn)證了幾種使用較為普遍的克服隨機(jī)干擾的單片機(jī)數(shù)字濾波算法，并給出了相應(yīng)的C程序，尤其對(duì)中位值濾波和中位值平均濾波算法程序

3、進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)也對(duì)這幾種濾波算法進(jìn)行了比較，并指出了每一種算法的具體適用范圍和注意事項(xiàng)。另外我們使用了proteus進(jìn)行仿真驗(yàn)證這幾種濾波方法。另外我們還使用了AD和DA來(lái)采集及輸出數(shù)據(jù)。正文隨著數(shù)字技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用，數(shù)字濾波在語(yǔ)音和圖像處理、HDTV、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中經(jīng)常用到。與模擬濾波相比，數(shù)字濾波可以滿足濾波器對(duì)幅度和相位特性的嚴(yán)格要求，可以避免模擬濾波所無(wú)法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR濾波器，由于FIR系統(tǒng)只有零點(diǎn)、系統(tǒng)穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)FFT算法、運(yùn)算速度快、線性相位的特性和設(shè)計(jì)更為靈活等突出優(yōu)點(diǎn)而在工程實(shí)際中獲得廣泛應(yīng)用。1.國(guó)外數(shù)字濾波器發(fā)

4、展歷史及研究成果數(shù)字濾波有線性濾波和非線性濾波。線性濾波是指卷積濾波，又分為頻域?yàn)V波和時(shí)域?yàn)V波在實(shí)域中根據(jù)濾波方式又分為遞歸濾波和遞歸濾波。非線性濾波主要是指同態(tài)濾波，它是用取對(duì)數(shù)的方法將非線性問題線性化。近些年，線性濾波方法，如Wiener濾波、Kalman濾波和自適應(yīng)濾波得到了廣泛的研究和應(yīng)用。同時(shí)一些非線性濾波方法，如小波濾波、同態(tài)濾波、中值濾波和形態(tài)濾波等都是現(xiàn)代信號(hào)處理的前沿課題，不但有重要的理論意義，而且有廣闊的應(yīng)用前景。Wiener濾波是最早提出的一種濾波方法，當(dāng)信號(hào)混有白噪聲時(shí)，可以在最小均方誤差條件下得到信號(hào)的最佳估計(jì)。但是，由于求解Wiener-Hoff方程的復(fù)雜性，使得W

5、iener濾波實(shí)際應(yīng)用起來(lái)很困難，不過(guò)Wiener濾波在理論上的意義是非常重要的，利用Wiener濾波的純一步預(yù)測(cè)，可以求解信號(hào)的模型參數(shù) 進(jìn)而獲得著名的Levinson算法。Kalman濾波是20世紀(jì)60年代初提出的一種濾波方法。與Wiener濾波相似，它同樣可以在最小均方誤差條件下給出信號(hào)的最佳估計(jì)。所不同的是，這種濾波技術(shù)在時(shí)域中采用遞推方式進(jìn)行，因此速度快，便于實(shí)時(shí)處理，從而得到了廣泛的應(yīng)用。Kalman濾波推廣到二維，可以用于圖象的去噪。當(dāng)假設(shè)Wiener濾波器的單位脈沖響應(yīng)為有限長(zhǎng)時(shí)，可以采用自適應(yīng)濾波的方法得到濾波器的最佳響應(yīng)。由于它避開了求解Wiener-Hoff方程，為某些問

6、題的解決帶來(lái)了極大的方便闊。小波濾波就是利用信號(hào)和噪聲的目的。同態(tài)濾波主要用于解決信號(hào)和噪聲之間不是相加而是相乘關(guān)系時(shí)濾波問題。另外，當(dāng)信號(hào)和噪聲之間為卷積關(guān)系的時(shí)候，在一定條件下可以利用同態(tài)濾波把信號(hào)有效地分離開來(lái)，由同態(tài)濾波理論引申出的復(fù)時(shí)譜也成為現(xiàn)代信號(hào)處理中極為重要的概念。Wiener濾波、Kalman濾波和自適應(yīng)濾波都是線性濾波，線性濾波的最大缺點(diǎn)就是在消除噪聲的同時(shí)，會(huì)造成信號(hào)邊緣的模糊。中值濾波是20世紀(jì)70年代提出的一種非線性濾波方法，它可以在最小絕對(duì)誤差條件下，給出信號(hào)的最佳估計(jì)。這種濾波方法的優(yōu)點(diǎn)就是能夠保持信號(hào)的邊緣不模糊。另外它對(duì)脈沖噪聲也有良好的清除作用。形態(tài)濾波是建

7、立在集合運(yùn)算上的一種非線性濾波方法，它除了用于濾除信號(hào)中的噪聲外，還在圖象分析中發(fā)揮了重要的作用。關(guān)于數(shù)字濾波器理論研究的發(fā)展也帶來(lái)了數(shù)字濾波器在實(shí)現(xiàn)上的空前發(fā)展。20世紀(jì)60年代起，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器的發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階 朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉等方向努力，其中高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠成為70年代以后的主攻方向，導(dǎo)致數(shù)字濾波器、RC有源濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展。到70年代后期，上述幾種濾波器的單片集成己被研制出來(lái)并得到應(yīng)用，90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然，對(duì)濾

8、波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。目前，國(guó)外有許多院校和科研機(jī)構(gòu)在研究基于FPGA的DSP應(yīng)用，比較突出的有Denmark大學(xué)的研究小組正在從事FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的研究。由于FPGA實(shí)現(xiàn)乘法器有困難，因此他們重點(diǎn)研究開發(fā)無(wú)乘法的濾波器算法。加州大學(xué)洛杉磯分校的研究小組采用運(yùn)行時(shí)重構(gòu)技術(shù)開發(fā)了一種視頻通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)用一片F(xiàn)PGA可每幀重構(gòu)四次完成視頻圖像壓縮和傳送的操作。此外，他們還在進(jìn)行Mojave項(xiàng)目的開發(fā)工作，力圖采用運(yùn)行時(shí)重構(gòu)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用。2.國(guó)內(nèi)數(shù)字濾波器發(fā)展歷史及研究成果我國(guó)在DSP技術(shù)起步較早，產(chǎn)品的研究開發(fā)成績(jī)斐然，基本上與國(guó)外同步發(fā)展，而在FPGA方面起步較晚。全

9、國(guó)有100來(lái)所高等院校從事DSP&FPGA的教學(xué)和科研，除了一部分DSP芯片需要從國(guó)外進(jìn)口外，在信號(hào)處理理論和算法方面，與國(guó)外處于同等水平。而在FPGA信號(hào)處理和系統(tǒng)方面，有了喜人的進(jìn)展，正在進(jìn)行與世界先進(jìn)國(guó)家同樣的研究。如，西北工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的ATR實(shí)驗(yàn)室采用了FPGA可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)載圖像處理和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，主要是利用該系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的卷積運(yùn)算，同時(shí)利用它的可變?nèi)嵝詠?lái)達(dá)到自適應(yīng)的目的。北京理工大學(xué)研究利用FPGA提高加解密運(yùn)算的速度，等等。3.國(guó)內(nèi)外數(shù)字濾波器研究動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)數(shù)字濾波器精確度高，使用靈活，可靠性高，具有模擬設(shè)備沒有的許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用與各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)

10、域，例如數(shù)字電視，語(yǔ)音，通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信息時(shí)代數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門及其重要的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域5。以往的濾波器大多采用模擬電路技術(shù)，但是模擬電路技術(shù)存在很多難以解決的問題，而采用數(shù)字則避免很多類似的難題，當(dāng)然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點(diǎn)都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理是目前的發(fā)展方向。數(shù)字濾波在通信。圖像編碼、語(yǔ)音編碼、雷達(dá)等許多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)在圖像處理，數(shù)據(jù)壓縮等方面的應(yīng)用取得了令人矚目的進(jìn)展和成就。近年來(lái)迅速發(fā)展。4.單片機(jī)的研究現(xiàn)狀、內(nèi)容及發(fā)展趨勢(shì)單片機(jī)

11、誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來(lái)的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。高端的32位Soc單片機(jī)

12、主頻已經(jīng)超過(guò)300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。當(dāng)前趨勢(shì)下，SoC嵌入式系統(tǒng)(System on Chip）式的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片

13、上的最大化解決，因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)?？偨Y(jié)如上所述，目前數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有許多現(xiàn)成的高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，但他們都存在設(shè)計(jì)效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數(shù)等缺點(diǎn)，而數(shù)字濾波在很多領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。因此，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器具有可視圖形，便于修改參數(shù)。而單片機(jī)為數(shù)字濾波的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)直觀、高效、便捷的利器。他以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中。尤其是單片機(jī)工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以直觀方便地進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用。其中的信號(hào)處理工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等更是為數(shù)字濾波研究的蓬勃發(fā)展提供了可能。參考文獻(xiàn)2兵.數(shù)字濾波器的仿真研究-調(diào)研報(bào)告3倪養(yǎng)華，王重瑋.數(shù)字信號(hào)處理-原理與實(shí)現(xiàn)M.上海:上海交通大學(xué)出版社2002.1031097Sanjit K.Mitra，Digital Signal Processing-A Compute