文獻綜述(基于單片機的數(shù)字濾波器設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述系 別：電子與電氣工程系年級專業(yè)：姓 名：學(xué) 號：題目名稱：基于單片機的數(shù)字濾波器設(shè)計指導(dǎo)老師評語：文獻綜述與畢業(yè)論文選題一致，閱讀的文獻數(shù)量基本達到目標要求，所作綜述思路較為清淅，觀點明確。能闡明文獻綜述的寫作目的、意義，能綜合所閱讀文獻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、熱點問題，進一步明確了研究方向。指導(dǎo)教師簽名：年 月 日基于單片機的數(shù)字濾波器設(shè)計文獻綜述【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)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。而在數(shù)據(jù)采集中存在著各種噪聲，本文采用

2、基于單片機和C語言來設(shè)計并開發(fā)數(shù)字濾波系統(tǒng)?！娟P(guān)鍵詞】：單片機、proteus、C語言、數(shù)字濾波導(dǎo)言在1960年到1970年的十年中，高速數(shù)字計算機迅速發(fā)展，并被廣泛地用來處理數(shù)字形式的電信號。因而，在數(shù)字濾波器的設(shè)計中，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、性能優(yōu)異、線性相位等優(yōu)點。在基于單片機和C語言來設(shè)計并開發(fā)數(shù)字濾波系統(tǒng)中，我們針對于單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的隨機干擾，通過手動輸入來模擬數(shù)據(jù)采集過程，驗證了幾種使用較為普遍的克服隨機干擾的單片機數(shù)字濾波算法，并給出了相應(yīng)的C程序，尤其對中位值濾波和中位值平均濾波算法程序

3、進行了改進。同時也對這幾種濾波算法進行了比較，并指出了每一種算法的具體適用范圍和注意事項。另外我們使用了proteus進行仿真驗證這幾種濾波方法。另外我們還使用了AD和DA來采集及輸出數(shù)據(jù)。正文隨著數(shù)字技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用，數(shù)字濾波在語音和圖像處理、HDTV、模式識別、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幅度和相位特性的嚴格要求，可以避免模擬濾波所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。有限長沖激響應(yīng)(FIR濾波器，由于FIR系統(tǒng)只有零點、系統(tǒng)穩(wěn)定，便于實現(xiàn)FFT算法、運算速度快、線性相位的特性和設(shè)計更為靈活等突出優(yōu)點而在工程實際中獲得廣泛應(yīng)用。1.國外數(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，又分為頻域濾波和時域濾波在實域中根據(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，當信號混有白噪聲時，可以在最小均方誤差條件下得到信號的最佳估計。但是，由于求解Wiener-Hoff方程的復(fù)雜性，使得W

5、iener濾波實際應(yīng)用起來很困難，不過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，可以求解信號的模型參數(shù) 進而獲得著名的Levinson算法。Kalman濾波是20世紀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的最佳估計。所不同的是，這種濾波技術(shù)在時域中采用遞推方式進行，因此速度快，便于實時處理，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。當假設(shè)Wiener濾波器的單位脈沖響應(yīng)為有限長時，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、題的解決帶來了極大的方便闊。小波濾波就是利用信號和噪聲的目的。同態(tài)濾波主要用于解決信號和噪聲之間不是相加而是相乘關(guān)系時濾波問題。另外，當信號和噪聲之間為卷積關(guān)系的時候，在一定條件下可以利用同態(tài)濾波把信號有效地分離開來，由同態(tài)濾波理論引申出的復(fù)時譜也成為現(xiàn)代信號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就是在消除噪聲的同時，會造成信號邊緣的模糊。中值濾波是20世紀70年代提出的一種非線性濾波方法，它可以在最小絕對誤差條件下，給出信號的最佳估計。這種濾波方法的優(yōu)點就是能夠保持信號的邊緣不模糊。另外它對脈沖噪聲也有良好的清除作用。形態(tài)濾波是建

7、立在集合運算上的一種非線性濾波方法，它除了用于濾除信號中的噪聲外，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)展也帶來了數(shù)字濾波器在實現(xiàn)上的空前發(fā)展。20世紀60年代起，由于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器的發(fā)展上了一個新臺階 朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩(wěn)定可靠和價廉等方向努力，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。當然，對濾

8、波器本身的研究仍在不斷進行。目前，國外有許多院校和科研機構(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實現(xiàn)數(shù)字濾波器的研究。由于FPGA實現(xiàn)乘法器有困難，因此他們重點研究開發(fā)無乘法的濾波器算法。加州大學(xué)洛杉磯分校的研究小組采用運行時重構(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，他們還在進行Mojave項目的開發(fā)工作，力圖采用運行時重構(gòu)技術(shù)來實現(xiàn)自動目標識別應(yīng)用。2.國內(nèi)數(shù)字濾波器發(fā)展歷史及研究成果我國在DSP技術(shù)起步較早，產(chǎn)品的研究開發(fā)成績斐然，基本上與國外同步發(fā)展，而在FPGA方面起步較晚。全

9、國有100來所高等院校從事DSP&FPGA的教學(xué)和科研，除了一部分DSP芯片需要從國外進口外，在信號處理理論和算法方面，與國外處于同等水平。而在FPGA信號處理和系統(tǒng)方面，有了喜人的進展，正在進行與世界先進國家同樣的研究。如，西北工業(yè)大學(xué)和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的ATR實驗室采用了FPGA可重構(gòu)計算系統(tǒng)進行機載圖像處理和自動目標識別，主要是利用該系統(tǒng)進行復(fù)雜的卷積運算，同時利用它的可變?nèi)嵝詠磉_到自適應(yīng)的目的。北京理工大學(xué)研究利用FPGA提高加解密運算的速度，等等。3.國內(nèi)外數(shù)字濾波器研究動態(tài)與趨勢數(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，已廣泛地應(yīng)用與各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)

10、域，例如數(shù)字電視，語音，通信、雷達、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信息時代數(shù)字時代的到來，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，當然數(shù)字濾波器在其他方面也有很多突出的優(yōu)點都是模擬技術(shù)所不能及的，所以采用數(shù)字濾波器對信號進行處理是目前的發(fā)展方向。數(shù)字濾波在通信。圖像編碼、語音編碼、雷達等許多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，數(shù)字信號濾波器的設(shè)計在圖像處理，數(shù)據(jù)壓縮等方面的應(yīng)用取得了令人矚目的進展和成就。近年來迅速發(fā)展。4.單片機的研究現(xiàn)狀、內(nèi)容及發(fā)展趨勢單片機

11、誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是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，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機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

12、主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(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上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。由于單片機在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。當前趨勢下，SoC嵌入式系統(tǒng)(System on Chip）式的獨立發(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，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、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)計有許多現(xiàn)成的高級語言設(shè)計程序，但他們都存在設(shè)計效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數(shù)等缺點，而數(shù)字濾波在很多領(lǐng)域的應(yīng)用相當廣泛。因此，基于單片機設(shè)計的數(shù)字濾波器具有可視圖形，便于修改參數(shù)。而單片機為數(shù)字濾波的研究和應(yīng)用提供了一個直觀、高效、便捷的利器。他以矩陣運算為基礎(chǔ)，把計算、可視化、程序設(shè)計融合到了一個交互式的工作環(huán)境中。尤其是單片機工具箱使各個領(lǐng)域的研究人員可以直觀方便地進行科學(xué)研究與工程應(yīng)用。其中的信號處理工具箱、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2兵.數(shù)字濾波器的仿真研究-調(diào)研報告3倪養(yǎng)華，王重瑋.數(shù)字信號處理-原理與實現(xiàn)M.上海:上海交通大學(xué)出版社2002.1031097Sanjit K.Mitra，Digital Signal Processing-A Compute