DSP課程設(shè)計（論文）FIR濾波器設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書1 fir濾波器設(shè)計概述1.1 設(shè)計背景在許多數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，fir濾波器是最常用的組件之一，它完成信號預(yù)調(diào)、頻帶選擇和濾波等功能。fir濾波器在截止頻率的邊沿陡峭性能雖然不及11r濾波器，但是，考慮到fir濾波器嚴(yán)格的線性相位特性和不像iir濾波器存在穩(wěn)定性的問題，fir濾波器能夠在數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器（digital filter，簡稱為df）是指用來對輸入信號進(jìn)行濾波的硬件和軟件。所謂數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號所含頻率成分的器件。數(shù)字濾波器和模擬濾波器相比，因為信號的形式和實現(xiàn)濾波的方法不同，數(shù)字濾波器具有

2、比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。對于一般的數(shù)字濾波器，按照單位沖激響應(yīng)可分為無限長沖激響應(yīng)iir系統(tǒng)和有限長沖激響應(yīng)fir系統(tǒng)。在fir系統(tǒng)中，則用一個有理多項式表示的系統(tǒng)函數(shù)去逼近所需要的頻率響應(yīng)，即其單位沖激響應(yīng)h（n）在有限個n值處不為零。fir濾波器則可在幅度特性隨意設(shè)計的同時，保證精確、嚴(yán)格的線性相位特性。這在要求相位線性信道的現(xiàn)代電子系統(tǒng)，如圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中，是具有很大吸引力的。而且，其單位沖激響應(yīng)是有限長的，不存在不穩(wěn)定的因素，并且可用因果系統(tǒng)來實現(xiàn)。相較于iir濾波器， fir濾波器有以下的優(yōu)點(diǎn)：可以很容易地設(shè)計線性相位的

3、濾波器。 線性相位濾波器延時輸入信號，卻并不扭曲其相位。實現(xiàn)簡單。 在大多數(shù)dsp處理器， 只需要對一個指令積習(xí)循環(huán)就可以完成fir計算。在實際中，所有的dsp濾波器必須用有限精度實現(xiàn)，而在iir濾波器中使用有限精度會產(chǎn)生很大的問題，由于采用的是反饋電路，因此iir通常用非常少的bit實現(xiàn)，設(shè)計者就能解決更少的與非理想算術(shù)有關(guān)的問題?？梢杂眯?shù)實現(xiàn)。 不像iir濾波器，fir濾波器通常可能用小于1的系數(shù)來實現(xiàn)。當(dāng)使用定點(diǎn)dsp的時候，這也是一個考慮因素，它能使得實現(xiàn)更加地簡單。1.2設(shè)計要求采用匯編語言針對dsp芯片設(shè)計一個15階fir低通濾波器，截止頻率為0.6（歸一化后的）。設(shè)計要求如下：

4、1. 在mtalab中首先設(shè)計符合要求的濾波器，并得到濾波器參數(shù)，和該濾波器的幅頻特性和相頻特性。2. 然后編寫程序，在ccs軟件環(huán)境下編寫dsp程序，分別用方波和正弦波驗證濾波器的設(shè)計。3. 與matble中設(shè)計的濾波器，進(jìn)行對比研究。2 系統(tǒng)開發(fā)平臺與環(huán)境ccs（code composer stdio）是一種針對tms320系列dsp的集成開發(fā)環(huán)境，在windows操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具，可以幫助用戶在一個軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作。ccs有兩種工作模式，即軟件仿真器和硬件在線編程。軟件仿真器工作模式可以

5、脫離dsp芯片，在pc上模擬dsp的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程可以實時運(yùn)行在dsp芯片上，與硬件開發(fā)板相結(jié)合進(jìn)行在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。ccs工作環(huán)境如下圖1所示：圖1 ccs工作環(huán)境ccs包含了源代碼編輯器、工程管理器、編譯器、鏈接器和調(diào)試器，包含了dsp/bios插件及api函數(shù)和rtdx插件、主機(jī)接口及api函數(shù)，它們組合完成對工程的設(shè)計及開發(fā)。在計算機(jī)端，用戶使用源代碼編輯工具來編寫源代碼文件。用戶使用配置工具來定義用戶程序中使用的對象，然后使用編譯器和鏈接器來生成使用可執(zhí)行代碼，并通過jtag接口將可執(zhí)行代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)中。dsp分析工具允許用戶在c

6、cs集成開放環(huán)境中檢測目標(biāo)系統(tǒng)中的cpu負(fù)載，定時，日志，線程圖等信息，這需要jtag接口和rtdx插件的支持。3 fir設(shè)計過程3.1 fir濾波器的設(shè)計流程圖 定義16位空間xn，a0；256位空間kong，jian將table值給a0空間，table1值給kong空間 將kong空間的首16個數(shù)據(jù)給xn；并分別 將ar3，ar4指向a0和xn的空間尾地址設(shè)置循環(huán)緩沖區(qū)長度bk為16位，ar0賦值為-1，并將ar5指向kong空間首地址將xn和a0中的數(shù)據(jù)進(jìn)行乘累加運(yùn)算，結(jié)果給jian空間，ar5指向地址自加1將ar2指向的kong空間的下一個數(shù)據(jù)給ar3指向的內(nèi)容結(jié)束開始3.2 fir濾

7、波器的設(shè)計原理有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件。可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。fir濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。fir濾波器無反饋回路，是一種條件穩(wěn)定系統(tǒng)，可以設(shè)計成具有線性相位特性。設(shè)fir濾波器的系數(shù)為h(0)、h(1)、h(2)、h(3)h(n-2)、h(n-1)；x(n)表示濾波器在n時刻的輸入，則n時刻的輸出為： fir數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示:z-1z-1z-1z-1x(n)y(n)h(1)h(0)h(2)h(n-2)h(n-1)圖2 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)

8、框圖3.3 fir濾波器的設(shè)計方法本次設(shè)計的基本思路是利用ccs軟件完成一個15階fir的低通濾波器的設(shè)計，并根據(jù)傅里葉級數(shù)知，周期信號可以由若干離散頻率的正弦波的疊加形成，通過對方波和不同諧波正弦波的疊加的濾波，完成對高頻的濾除，剩下一次基波正弦波。其中在ccs軟件中實現(xiàn)的兩個不同長度的序列的時域卷積，即實現(xiàn)的是頻域中的低通濾波。fir低通濾波器的時域參數(shù)，不同正弦波的疊加所產(chǎn)生的序列，以及方波的序列參數(shù)均由matlab軟件平臺實現(xiàn)。通過加載到ccs編程過程中開辟的數(shù)據(jù)空間，由卷積程序?qū)崿F(xiàn)濾波過程。實現(xiàn)濾波之后需要對所濾出的波形及數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，可通過ccs軟件所提供的頻譜進(jìn)行分析；濾波之后的

9、數(shù)據(jù)可通過與matlab卷積后的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗設(shè)計是否正確和符合設(shè)計要求。 本設(shè)計采用循環(huán)緩沖區(qū)法：循環(huán)緩沖區(qū)法特點(diǎn)如下：1 對于n級fir濾波器，在存儲區(qū)中開辟一個n單元的緩沖區(qū)（滑窗），用來存放最新的n個輸入樣本；2 從最新樣本開始取數(shù)；3 讀完最后一個樣本（最老樣本）后，輸入最新樣本來代替最老樣本，而其他數(shù)據(jù)不變；4 用片內(nèi)bk（循環(huán)緩沖區(qū)長度）寄存器對緩存區(qū)進(jìn)行間接尋址，使循環(huán)緩沖區(qū)首尾相鄰。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1用matlab確定fir濾波器參數(shù)matlab確定濾波器程序如下f=0 0.6 0.6 1;m=1 1 0 0;b=fir2(15,f,m)freqz(b,512,100

10、0)由上面程序在matlab軟件運(yùn)行的15級系統(tǒng)函數(shù)所對應(yīng)的時域系數(shù)為 濾波器的幅頻特性和相頻特性如圖3所示圖3 濾波器的幅頻特性和相頻特性4.2用matlab確定不同正弦波疊加波形及方波參數(shù)由matlab確定濾波器程序如下b=fir1(15,0.6);freqz(b,1);figure(1);h1,w1=freqz(b,1);figure(2);title(頻率特性)plot(w1/pi,20*log10(abs(h1);axis(0,1,-100,20);grid;xlabel(歸一化頻率/p)ylabel(幅度/db)figure(3)x=0:2*pi/1024:2*pi;x1=4*sq

11、uare(1*pi*40*x);y1=sin(1*x*2*pi+pi/6);y2=sin(100*x*2*pi);y3=y1+y2;y4=conv(y3,b);x2=conv(x1,b);4.3用方波和正弦波驗證濾波器設(shè)計 4.3.1 用方波驗證濾波器設(shè)計由上述程序得matlab驗證驗證濾波器波形如圖4所示：圖4 方波分解的正弦基波 由運(yùn)行ccs所得濾得的正弦波如圖5所示：圖5 由方波濾出基頻正弦波 由ccs查看方波頻譜如圖6所示：圖6 方波頻譜 濾出的方波基波頻譜如圖7所示：圖7 方波基波頻譜頻譜分析：由圖6可知方波的傅里葉級數(shù)分解成不同的離散頻率的正弦波的疊加，在歸一化后頻率為0、0.12

12、5、0.250,、0.375及基頻0.125的整數(shù)倍處分別存在不同頻率的正弦波的頻譜。經(jīng)過dsp程序濾波后的波形為基頻正弦波，由圖7可知只在0.125處存在頻譜，即實現(xiàn)了將高頻濾出，將低頻濾出的目的。同matlab軟件運(yùn)行結(jié)果一致。4.3.2 用正弦波驗證濾波器設(shè)計由matlab驗證不同頻率正弦波疊加濾出波形如圖8所示：圖8 正弦波疊加波形 由運(yùn)行ccs所得濾得的正弦波如圖9所示圖9 不同頻率正弦波疊加濾出低頻正弦波 不同頻率正弦波疊加后頻譜如圖10所示圖10 不同頻率正弦波疊加后頻譜 濾出的低頻正弦波頻譜如圖11所示：圖11 濾出的低頻正弦波頻譜分析：由圖10可知不同頻率正弦波的疊加可分解成

13、不同的離散頻率。在歸一化后頻率為200rad/s、8000rad/s處分別存在正弦波的頻譜。經(jīng)過dsp程序濾波后的波形為低頻正弦波，由圖11可知只在200rad/s處存在頻譜，即實現(xiàn)了將高頻濾出，將低頻濾出的目的。同matlab軟件運(yùn)行結(jié)果對比知結(jié)果一致。5設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計是fir數(shù)字濾波器的設(shè)計，是在上學(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)會了有助

14、于觸類旁通，利于進(jìn)一步的學(xué)習(xí)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(jìn)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)也是會用到的基礎(chǔ)，今后要予以重視并積極努力去學(xué)習(xí)。回想這幾天實踐過程,真的很有感觸。的確是這樣，從初學(xué)dsp匯編語言到今天可以簡單但是獨(dú)立的運(yùn)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(jìn)步源于一點(diǎn)一滴的積累，這或許正是我們這次獨(dú)立地完成課程設(shè)計最大的收獲?；仡櫿麄€fir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

15、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(dāng)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(diǎn)東西，很多實踐上東西，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(xué)的討論中，解決了問題

16、，覺得很有收獲。當(dāng)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(dāng)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(jī)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(jìn)的方向。參考文獻(xiàn)1 范壽康 dsp技術(shù)與芯片北京：電子工業(yè)出版社2 萬永格 數(shù)字信號處理的matlab實現(xiàn)北京：科學(xué)出版社，20073 程佩青 數(shù)字信號處理教程北京：清華大學(xué)出版社，20014 高西全 丁玉美等 數(shù)字信號處理北京：電子

17、工業(yè)出版社，20095 范壽康 伊 磊等 dsp原理及應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，20096 胡廣書 現(xiàn)代數(shù)字信號處理教程北京：清華大學(xué)出版社，2005附錄ccs匯編文件 .title example.asm .mmregs .def _mainxn .usect xn,16a0 .usect a0,16kong .usect kong,256jian .usect jian,256 .datatable: .word 33*32768/10000 .word -18*32768/10000 .word -106*32768/10000 .word 226*32768/10000 .word 1

18、62*32768/10000 .word -977*32768/10000 .word 601*32768/10000 .word 5096*32768/10000 .word 5096*32768/10000 .word 601*32768/10000 .word -977*32768/10000 .word 162*32768/10000 .word 226*32768/10000 .word -106*32768/10000 .word -18*32768/10000 .word 33*32768/10000table1: .word 5000,-1216,1555,-1245,9099

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