DSP濾波器的設(shè)計

1、目 錄1引言12 matlab及ccs軟件介紹2 2.1 matlab的介紹2 2.2 ccs的介紹23 fir 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計43.1 fir濾波器參數(shù)設(shè)定4 3.1.1 輸入方波matlab設(shè)計5 3.1.2 正弦疊加信號matlab設(shè)計63.2 fir濾波器的設(shè)計6 3.3 fir濾波器性能驗證9 3.3.1 matlab的仿真驗證9 3.3.2 ccs的仿真結(jié)果104 iir 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計13 4.1iir濾波器設(shè)計流程圖13 4.3 iir濾波器性能驗證14 4.3.1 matlab的仿真驗證14 4.3.2 ccs的仿真結(jié)果155設(shè)計總結(jié)18參考文獻19附錄201引言

2、當今，數(shù)字信號處理(dsp：digtal signal processing)技術(shù)正飛速發(fā)展，它不但自成一門學科，更是以不同形式影響和滲透到其他學科：它與國民經(jīng)濟息息相關(guān)，與國防建設(shè)緊密相連；它影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，因此受到人們普遍的關(guān)注。數(shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號分析、處理技術(shù)的重要分支2-3。無論是信號的獲取、傳輸，還是信號的處理和交換都離不開濾波技術(shù)，它對信號安全可靠和有效靈活地傳輸是至關(guān)重要的。在所有的電子系統(tǒng)中，使用最多技術(shù)最復(fù)雜的要算數(shù)字濾波器了。數(shù)字濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣。在數(shù)字信號處理中，濾波占有極其重要的地位。數(shù)字濾波是語音信號處理、圖像處理、模式識別、頻譜分

3、析等應(yīng)用的基本處理算法。用dsp芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點外，還具有靈活性好等特點。本設(shè)計的題目是低通濾波器的設(shè)計，主要針對dsp芯片進行程序設(shè)計，要求采用匯編語言編寫程序。通過此次課程設(shè)計，熟悉dsp芯片的硬件結(jié)構(gòu)，加深對dsp芯片的認識；掌握對dsp芯片編程方法，掌握間接尋址方法的使用，重點掌握算法的設(shè)計。要求采用匯編語言針對dsp芯片設(shè)計低通濾波器：1.給出低通濾波器技術(shù)指標，在matlab中首先設(shè)計符合要求的濾波器，并得到濾波器參數(shù)，并得到該濾波器的幅頻特性和相頻特性；2.fir低通濾波器設(shè)計，給出程序流程圖，在ccs軟件環(huán)境下編寫程序；3.分別用方

4、波和正弦波驗證fir低通濾波器的設(shè)計；4.iir低通濾波器設(shè)計，給出程序流程圖，在ccs軟件環(huán)境下編寫程序；5. 分別用方波和正弦波驗證iir低通濾波器設(shè)計；6.與matlab中設(shè)計的濾波器，進行對比研究。2 matlab及ccs軟件介紹2.1 matlab的介紹matlab是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，代表了當今國際科學計算軟件的先

5、進水平。主要應(yīng)用于工程計算、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析、控制系統(tǒng)設(shè)計以及計算生物學等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。matlab是矩陣實驗室（matrixlaboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。 matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學,工程中常用的形式十分相似,故用matlab來解算問題要比用c,fortran等語言完相同的事情簡捷得多。 當前流行的matlab 5.3/simulink 3.0包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(toolbox)。工具包又可以分為功能性工

6、具包和學科工具包。功能工具包用來擴充matlab的符號計算,可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包,控制工具包,信號處理工具包,通信工具包等都屬于此類。除內(nèi)部函數(shù)外,所有matlab主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。2.2 ccs的介紹ccs軟件簡介ccs（code composer studio）代碼調(diào)試器是一種合成開發(fā)環(huán)境。 它是一種針對標準tms320調(diào)試器接口的交互式方法。ccs目前有ccs1.1， ccs1.2 和ccs2.0等三個不同時期的版本，又有cc2000 ( 針對c2xx

7、 )，ccs5000 ( 針對c54xx )和ccs6000 (針對c6x )三個不同的型號。我們所使用的是ccs50002.2的版本。 ccs5000具有以下特性： ti編譯器的完全集成的環(huán)境： ccs5000目標管理系統(tǒng)，內(nèi)建編輯器，所有的調(diào)試和分析能力集成在一個windows環(huán)境中。 對c和dsp匯編文件的目標管理： 目標編輯器保持對所有文件及相關(guān)內(nèi)容的跟蹤。它只對最近一次編譯中改變過的文件重新編譯，以節(jié)省編譯時間。 高集成的編輯器調(diào)整c和dsp匯編代碼： ccs5000的內(nèi)建編輯器支持c和匯編文件的動態(tài)語法加亮顯示。使用戶能很容易地閱讀代碼和當場發(fā)現(xiàn)語法錯誤。 編輯和調(diào)試時的后臺編輯：

8、 用戶在使用編譯器和匯編器時沒有必要退出系統(tǒng)到dos環(huán)境中，因為ccs5000會自動將這些工具裝載在它的環(huán)境中。在其窗口中，錯誤會加亮顯示 只要雙擊錯誤就可以直接到達出錯處。 在含有浮點并行調(diào)試管理器(pdm)的原有的ms窗口下支持多處理器ccs5000在 windows95和windows-me中支持多處理。pdm允許將命令傳播給所有的或所選擇的處理器。 在任何算法點觀察信號的圖形窗口探針：圖形顯示窗口使用戶能夠觀察時域或頻域內(nèi)的信號。對于頻域圖，fft在主機內(nèi)執(zhí)行，這樣就可以觀察所感興趣的部分而無須改變它的dsp代碼。圖顯示也可以同探針連接，當前顯示窗口被更新時，探針被指定，這樣當代碼執(zhí)行

9、到達該點時，就可以迅速地觀察到信號。 文件探針在算法處通過文件提取或加入信號或數(shù)據(jù)： ccs5000允許用戶從pc機讀或?qū)懶盘柫?。而不是實時的讀信號，這就可以用已知的例子來仿真算法。 圖形分析： ccs5000的圖形分析能力在其環(huán)境中是集成的。 在后臺(系統(tǒng)命令)執(zhí)行用戶的dos程序： 用戶可以執(zhí)行ccs5000中的dos程序，并將其輸出以流水方式送到ccs5000的輸出窗口。且允許用戶將應(yīng)用程序集成到ccs5000。 技術(shù)狀態(tài)觀察窗口： ccs5000的可視窗口允許用戶進入c表達式及相關(guān)變量。結(jié)構(gòu)、數(shù)組、指針都能很簡單地遞歸擴展和減少，以便進入復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 代數(shù)分解窗口： 允許用戶選擇查看寫成

10、代數(shù)表達式的c格式，提高可讀性 。 目標dsp上的幫助： dsp結(jié)構(gòu)和寄存器上的在線幫助可以使用戶不必查看技術(shù)手冊。 3 fir 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計3.1 fir濾波器參數(shù)設(shè)定 fir濾波器的參數(shù)用matlab來設(shè)計，其程序為：n=40; %濾波器的階數(shù)wn=0.3 %濾波器的截止頻率 b=fir1(n,wn)freqz(b,512,1000) %濾波器的幅頻特性和相頻特性 其運行結(jié)果為：wn = 0.3000 b = -0.0000 -0.0012 -0.0017 -0.0008 0.0020 0.0046 0.0036 -0.0025 -0.0101 -0.0110 0.0000 0.0

11、175 0.0259 0.0105 -0.0253 -0.0552 -0.0428 0.0312 0.1483 0.2566 0.3006 0.2566 0.1483 0.0312 -0.0428 -0.0552 -0.0253 0.0105 0.0259 0.0175 0.0000 -0.0110 -0.0101 -0.0025 0.0036 0.0046 0.0020 -0.0008 -0.0017 -0.0012 -0.0000 濾波器的幅頻特性和相頻特性如3-1所示:圖2-1 濾波器的相頻特性圖3-1 fir濾波器的幅相頻特性3.1.1 輸入方波matlab設(shè)計 方波的matlab程序

12、為：t=0:0.25:50;x=square(pi*t);plot(x);xout=x/max(x); %歸一化 xto_ccs=round(32767*xout) fid=fopen(square.dat,w); %打開文件 fprintf(fid,1651 1 229 1 201n); %輸出文件頭 fprintf(fid,%dn,xto_ccs); %輸出 fclose(fid); %關(guān)閉文件 輸出方波如圖3-2所示：圖3-2 方波信號3.1.2 正弦疊加信號matlab設(shè)計 正弦疊加信號的matlab程序為：f11=500; f12=9000; fs=20000; %采樣頻率 n=30

13、0 %數(shù)據(jù)個數(shù) t=1/fs; %采樣周期 n=-n/2:n/2; x11=0.5*sin(2*pi*f11*n*t); x12=0.5*sin(2*pi*f12*n*t); x_base=(x11+x12); plot(x_base); %正弦疊加信號的波形yff=abs(fft(x_base) df=n*(fs/n) xout=x_base/max(x_base); %歸一化 xto_ccs=round(32767*xout) fid=fopen(input.dat,w); %打開文件 fprintf(fid,1651 1 229 1 301n); %輸出文件頭 fprintf(fid,%

14、dn,xto_ccs); %輸出 fclose(fid); 輸出正弦疊加信號的波形如圖3-3所示：圖:3-3 正弦疊加信號3.2 fir濾波器的設(shè)計 fir結(jié)構(gòu)中的延遲z-1 在程序中實現(xiàn)是數(shù)據(jù)在存儲器中的滑動，這對一個l階的fir數(shù)字濾波器來說，就是要求在存儲器中開辟一個l個樣本并進行乘累加運算。這在dsp中可以用兩種方法來實現(xiàn)該緩沖區(qū)。對于線性緩沖區(qū)來說，每當dsp讀入一個樣本后都將此樣本向后移動，讀完最后一個樣本后，最前面的樣本（最老的）被推出緩沖區(qū)，并輸入最新的樣本至緩沖區(qū)頂部。線性緩沖區(qū)的存儲器延時可以由具有數(shù)據(jù)移動的dmov指令來實現(xiàn)，它需要將緩沖區(qū)置于內(nèi)部daram塊中；對于循環(huán)

15、緩沖區(qū)，每當輸入新樣本時，以新樣本改寫區(qū)中最老的樣本，而緩沖區(qū)中的其他樣本不需要其他樣本移動。循環(huán)緩沖區(qū)可采用循環(huán)尋址技術(shù)來實現(xiàn)，它不需要必須定位在daram塊中，但需要適當?shù)木彌_區(qū)對準以滿足循環(huán)尋址的要求。本次課設(shè)用的是循環(huán)尋址，下面主要介紹一下循環(huán)尋址的方法。循環(huán)緩沖實現(xiàn)延時的特點是：1 實現(xiàn)n階fir數(shù)字濾波器時，需要在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個稱為滑窗的n個單元的緩沖區(qū)，滑窗中存放最新的n個樣本。2 當每次輸入新樣本時以新的樣本改寫滑窗中最老的樣本，而滑窗其他的數(shù)據(jù)不需要移動。3 利用片內(nèi)bk（循環(huán)緩沖區(qū)長度）寄存器對滑窗進行間接尋址，循環(huán)緩沖區(qū)地址首位相鄰。 其程序流程圖3-4所示：定義4

16、1位空間li，shuai；200位空間in將li值給in空間 將li空間的首41個數(shù)據(jù)給in；并分別 將ar3，ar4指向buf和li的空間尾地址設(shè)置循環(huán)緩沖區(qū)長度bk為41位，ar0賦值為-1，并將ar5指向xn空間首地址將li和shuai中的數(shù)據(jù)進行乘累加運算，結(jié)果給out空間，ar5指向地址自加1將ar2指向的in空間的下一個數(shù)據(jù)給ar3指向的內(nèi)容結(jié)束開始圖3-4 程序流程圖3.3 fir濾波器性能驗證3.3.1 matlab的仿真驗證 matlab中輸入為方波信號信號和疊加正弦信號時的輸入輸出信號波形如圖3-5所示：圖3-5 方波及正弦波濾波后波形 由 matlabd所得仿真圖可以看出

17、，方波信號經(jīng)過此濾波器后輸出信號為單一頻率的正弦波；而疊加的正弦信號通過此低通濾波器后，將高頻的正弦波信號濾掉，只留下了頻率最低的單一正弦波信號。因此可以看出，所設(shè)計的低通濾波器在 matlab 中能夠很好地滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)低頻通過，高頻過濾的作用。3.3.2 ccs的仿真結(jié)果ccs中方波信號和濾波后波形如圖3-6所示：圖3-6 方波波形及濾波后波形圖8 方波波形及濾波后波形ccs中方波信號的幅頻特性如圖3-7所示：圖3-7 方波信號的幅頻特性ccs中方波信號濾波后的幅頻特性如圖3-8所示圖3-8 方波信號濾波的幅頻特性ccs中正弦疊加信號與濾波后波形如圖3-9所示：圖3-9 正弦疊加信號波

18、形及濾波后波形ccs中正弦疊加信號的幅頻特性如圖3-10所示：圖3-10正弦疊加信號的幅頻、相頻特性ccs中正弦疊加信號濾波后的幅頻特性如圖3-11所示：圖3-11 正弦疊加信號濾波后的幅頻特性 通過上圖可看出當輸入信號為方波時，輸出信號基本為正弦波；當輸入信號為疊加正弦波時，輸出為低頻正弦波。這說明濾波器起到了較好的濾波效果，符合設(shè)計要求。通過matlab仿真和ccs仿真濾波效果比較，可以看出用兩種軟件所得的仿真圖基本一致，均證明了此濾波器達到了設(shè)計要求。同時也可以看出：dsp程序的濾波效果要好于matlab的濾波效果。 4 fir 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計4.1iir濾波器設(shè)計流程圖由前面ii

19、r濾波器的設(shè)計原理確定運用雙線性變換法設(shè)計iir濾波器的流程圖如圖4-1所示：數(shù)字濾波器指標模擬濾波器指標設(shè)計模擬濾波器對應(yīng)的數(shù)字濾波器器雙線性變換開始結(jié)束圖4-1 iir設(shè)計流程圖 iir濾波器設(shè)計方法有兩類，經(jīng)常用到的一類設(shè)計方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計方法進行的。其設(shè)計思路是:先設(shè)計模擬濾波器得到傳輸函數(shù)ha(s)，然后將ha(s)按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)h (z)。這一類方法是基于模擬濾波器的設(shè)計方法相對比較成熟，它不僅有完整的設(shè)計公式，也有完整的圖表供查閱。更可以直接調(diào)用matlab中的對應(yīng)的函數(shù)進行設(shè)計。另一類是直接在頻域或者時域中進行設(shè)計的，設(shè)計時必須用計算機作輔助設(shè)

20、計，直接調(diào)用matlab中的一些程序或者函數(shù)可以很方便地設(shè)計出所需要的濾波器。我們采取直接調(diào)用的方法。4.2 iir濾波器參數(shù)設(shè)計 fir濾波器的參數(shù)用matlab來設(shè)計，其程序為：fs=1000; fp=100; fs=300; ap=3; as=20;wp=fp/(fs/2);%計算歸一化角頻率ws=fs/(fs/2);n,wc=buttord(wp,ws,ap,as);%計算階數(shù)和截止頻率b,a=butter(n,wc);%計算h(z)分子、分母多項式系數(shù)h,f=freqz(b,a,500,fs);%計算h(z)的幅頻響應(yīng),freqz(b,a,計算點數(shù),采樣速率) 濾波器的幅頻特性和相頻

21、特性如圖4-2所示：圖4-2 iir濾波器的幅相頻特性4.3 fir濾波器性能驗證4.3.1 matlab的仿真驗證matlab中輸入為正弦疊加信號信號時的輸入輸出信號波形如圖4-3所示：圖4-3正弦疊加信號濾波后波形matlab中輸入信號為方波信號時的輸入輸出信號波形如圖4-4所示：4-4方波信號信號時的輸入輸出信號圖4.3.2 ccs的仿真結(jié)果ccs中方波信號和濾波后波形如圖4-5所示：圖4-5 方波波形及濾波后波形ccs中方波信號的幅頻特性如圖4-6所示:圖4-6 輸入方波信號的幅頻特性ccs中方波信號濾波后的幅頻特性如圖4-7所示：圖4-7 輸入方波信號的幅頻特性ccs中正弦疊加信號與

22、濾波后波形如圖4-8所示：圖4-8 正弦疊加信號的輸出波形ccs中正弦疊加信號的幅頻特性如圖4-9所示：圖4-9 正弦疊加信號的副頻特性ccs中正弦疊加信號濾波后的幅頻特性如圖4-10所示：圖4-10 正弦疊加信號濾波后的副頻特性 通過以上各圖可看出在matlab中輸入信號為方波時，然后經(jīng)過所設(shè)計的低通濾波器輸出信號理論上應(yīng)為正弦波，但是由于采用二階低通濾波器及其他原因，濾波效果并不是特別好，當在matlab中輸入信號為疊加正弦波時，輸出為低頻正弦波，濾波效果還好，而在ccs中方波和正弦波都得到了較好的濾波效果，通過比較看出ccs的仿真效果要比matlab的仿真效果要好，總之所設(shè)計的iir低通

23、濾波器起到了應(yīng)有的濾除高頻信號的濾波效果，符合設(shè)計要求。5設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計是數(shù)字濾波器的設(shè)計，是在上學期dsp原理即數(shù)字信號處理理論知識的基礎(chǔ)上，對dsp芯片的首次完整應(yīng)用。通過完整的實踐過程，對dsp芯片組成的基本系統(tǒng)的相關(guān)電路有了比較深的認識，熟悉了dsp芯片的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用開發(fā)流程，并利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)、詢問同學等方式查找資料和解決相關(guān)的難題。數(shù)字濾波器是dsp的典型應(yīng)用，學會了有助于觸類旁通，利于進一步的學習研究，能做到理解其他基于dsp的系統(tǒng)的功能和工作原理。掌握了基于dsp的應(yīng)用開發(fā)，開闊了視野，增長了知識，是進入現(xiàn)代數(shù)字信號處理領(lǐng)域重要技能，乃至大規(guī)模集成電路的開發(fā)也是會用到的

24、基礎(chǔ)，今后要予以重視并積極努力去學習?；叵脒@幾天實踐過程,真的很有感觸。的確是這樣，從初學dsp匯編語言到今天可以簡單但是獨立的運用；從不知道怎么解決一個簡單的語法錯誤，到今天可以清楚地了解復(fù)雜語句之間的工作過程，進步源于一點一滴的積累，這或許正是我們這次獨立地完成課程設(shè)計最大的收獲?；仡櫿麄€數(shù)字濾波器的設(shè)計過程，感慨很幼稚但也有屬于自己的深刻。由于dsp初次應(yīng)用的不甚了解，真的感覺自己走了不少的彎路。最主要的就是對實驗思路的不了解。本次設(shè)計結(jié)合了ccs和matlab軟件實驗平臺，真正了解了設(shè)計的過程，思路也變得相對簡易和明確。當然，真正的動手去做才發(fā)現(xiàn)要明白的東西絕不僅僅是書上的那點東西，很

25、多實踐上東西，如果真正的明白了，比理論上弄懂要深刻的多。比如在編寫程序的過程中，對卷積的編程必須基于對理論知識的深刻了解，同時實踐對理論也具有能動的反作用，加深對卷積問題的理解。只有注意積累每次的體會和錯誤，下次碰到該注意的地方才懂得小心，碰到出過錯誤的地方才會格外注意不要再犯同樣的錯誤，這種方法應(yīng)該適用做任何一件事。在設(shè)計中遇到一些困難和問題，在向老師請教和與同學的討論中，解決了問題，覺得很有收獲。當你用心的去做一件事的時候，這件事就不會輕易的用不知對錯的結(jié)果去應(yīng)付你，就像你不會去拿這樣的態(tài)度去對待他，做一件事和想一件事也不會是一樣，如果當時我只是停留在第一天的空想，我就不會在編程和仿真的過

26、程中發(fā)現(xiàn)和改正那么多的錯誤。實踐之所以高于理論，或許正是因為它為我們提供了更多犯錯誤和改正錯誤的機會吧。最后衷心感謝老師的悉心指導(dǎo)，董老師的教導(dǎo)是我們前進的方向。參考文獻1 范壽康 m北京：電子工業(yè)出版社，20062 萬永格 m北京：科學出版社，20073 程佩青 m北京：清華大學出版社，20014 高西全 m北京：電子工業(yè)出版社，20095 范壽康 m北京：電子工業(yè)出版社，20096 胡廣書 m北京：清華大學出版社，2005附錄fir數(shù)字濾波器程序：.title fir.asm .mmregs .global _c_int00li: .usect li , 41shuai: .usect s

27、huai, 41in: .usect in, 200 out: .usect out, 240 .datatable: .word -0*32768/10000, -12*32768/10000, -17*32768/10000, 18*32768/10000,20*32768/10000 .word 46*32768/10000, 36*32768/10000, -25*32768/10000, -101*32768/10000,-110*32768/10000 .word 0*32768/10000, 175*32768/10000, 259*32768/10000, 105*32768/

28、10000,-253*32768/10000 .word -552*32768/10000, -428*32768/10000, 312*32768/10000, 1483*32768/10000,2566*32768/10000 .word 3006*32768/10000, 2566*32768/10000, 1483*32768/10000, 312*32768/10000,-428*32768/10000 .word -522*32768/10000, -253*32768/10000, 105*32768/10000, 259*32768/10000,175*32768/10000

29、.word 0*32768/10000, -110*32768/10000, -101*32768/10000, -25*32768/10000,36*32768/10000 .word 46*32768/10000, 20*32768/10000, -8*32768/10000, -17*32768/10000,-12*32768/10000,-0*32768/10000 .text_c_int00: ssbx frct stm #li,ar5 ;ar5指向沖激響應(yīng) rpt #40 mvpd table,*ar5+ stm #shuai,ar4 ;ar4指向緩沖區(qū)間 rptz a,#40 s

30、tl a,*ar4+ stm #in,ar3 ;ar3指向輸入 stm #out,ar2 ;ar2指向輸出 stm #(li+40),ar5 ; stm #(shuai+40),ar4 stm -1,ar0 ld #shuai,dp mvdd *ar3+,*ar4 ;向緩沖去送數(shù) stm #240,brc rptb #table ;卷積算法 stm #41,bk rptz a,#40 mac *ar4+0%,*ar5+0%,a sth a,*ar2+ table: mvdd *ar3+,*ar4+0% .end-o fir.out-m fir.mapmemory page 0: eprom:

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