基于MATLAB的FIR数字带通滤波器的设计研究(2)
1．1 滤波器的发展与前景
信号是传播信息的必要载体。信息只有被传播才有存在的意义，而传播出去的信息如果和原信息差别很大，同样失去了意义。氏族部落时期，人们有用绳子打结、在树上刻下痕迹等方式记下和保存信息；古代也都是通过烽火狼烟来通告敌情。到了近代科技发展迅速进步，纸质媒体得以发明，使得信息传播有了极大的灵活性和及时性。十九世纪末，无线电报应运而生，采用莫尔斯信号的无线电报摆脱了纸质媒体的束缚，让信号可以在空气中以肉眼看不到的形式传播。但是，早期技术不成熟，信号传播过程中噪声和杂波的影响非常明显，这就催生了一个新的学科领域——滤波。
滤波，顾名思义，就是把噪声和杂波从有用的波谱中分离出去，用文学领域的话来说，叫“取其精华去其糟粕”。滤波器是实现滤波功能的器件，最早的滤波器是由美国德国的科学家联合发明，采用LC元件组合，构成LC滤波器，这也是最早的无源滤波器。二战以后，随着全世界范围内的和平稳定，科学技术得以迅猛发展，无源滤波器技术也趋于成熟。而之后的十年，计算机技术日新月异，集成电路工艺成为很多科学家的研究课题，而以单晶硅为代表的存储材料的材料工艺也促进了滤波器的小型化、高精度性和更加稳定的可靠性。
如今，大规模集成电路和微型芯片技术早已成熟，滤波器的用途也越来越广泛，涉及电子通信、图像处理、音频分析、汽车电子、石油勘探等众多领域，有很大的发展前景。
1．2 滤波器的分类
滤波器的分类方法有很多，比如按照处理信号是连续还是离散，可分为模拟滤波器和离散滤波器[1]（以数字滤波器为代表），模拟滤波器又可以分为有源和无源；按照滤波的方式，可分为低通滤波器（通低频，阻高频）、高通滤波器（通高频，阻低频）、带通滤波器（有一个通频带）、带阻滤波器器（有一个阻频带），当然还有特殊类型的，比如多带滤波器和梳形滤波器等。本设计下滤波器的形式为带通。
前面说到离散型滤波器，数字滤波器就是一种常见典型的离散滤波器。数字滤波器实现输出信号频谱的改变，依靠对离散的数字代码进行运算[2]。FIR滤波器和IRR滤波器都有很好的线性相位特性，但FIR型主要是非递归结构[8]，输出不会对输入产生影响，所以总是稳定。这一点是FIR数字滤波器优于IIR数字滤波器的突出特点。本论文重点介绍FIR，即有限冲击响应数字带通滤波器，并加以实现的讨论。
1．3 FIR滤波器的设计和实现
对于FIR数字带通滤波器的设计和实现，有很多途径和方式。目前国内外主要的研究方法有三种：纯硬件法、纯软件法、软硬件结合的方法[7]。纯硬件法主要依靠DA算法；纯软件法则是借助程序语言来编译处理数字信号，分为VHDL语言、C语言、FPGA；软硬件结合的方法由于出色的仿真性和灵活性，被广泛应用，如DSP。FPGA是现场可编程逻辑器件的缩写，其开发需要借助Quartus II、Modelsim等软件；DSP（Digital Signal Processing）芯片集成度高，性能稳定，可编程、可嵌入，所以应用甚广[3]。除此以外，还有一种设计方法越来越受到关注，并已经日臻完善，这就是MATLAB环境下的方法设计。
MATLAB是一款矩阵运算软件，功能相当强大。发明于上世纪七十年代，全称是MATrix LABoratory，中文译名为矩阵实验室。通过运用MATLAB软件，我们可以借助工具箱来实现结果曲线和目标滤波特性曲线实时对比，调节也非常方便，极大地提高了效率和可靠性[9]。工具箱里的FDATool和Simulink功能强大，操作简单，用途很广。MATLAB的信号处理工具箱是专门应用于信号处理领域的专用工具箱，包含了吹冰百余个用于数学计算、工程处理、统计的函数，使得运算时可以直接调用而不必另外编写开发。