基于DSP的FIR濾波器實驗

1、成績 課程設(shè)計報告 題 目 FIR濾波器的實驗 課 程 名 稱 數(shù)字信號處理課程設(shè)計 院 部 名 稱 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 課程設(shè)計地點 課程設(shè)計學(xué)時 40 指 導(dǎo) 教 師 胡國兵 金陵科技學(xué)院教務(wù)處制 FIR濾波器的實驗 一、摘要（所進(jìn)行設(shè)計工作的主旨、緣起、目的，設(shè)計工作的主要內(nèi)容、過程，采用的方法及取得的成果。關(guān)鍵字（key words）:一般35個，最能代表報告內(nèi)容特征，或在報告起關(guān)鍵作用，最能說明問題的詞組）數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing,簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域

2、的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實是運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日

3、益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。關(guān)鍵字：數(shù)字濾波器、可編程、高速運行二、目錄1、摘要 22、目錄 33、前言 44、正文 54.1、設(shè)計理論 54.2、程序分析 114.3、設(shè)計步驟 145、問題與心得 245.1、實驗問題 245.2、心得體會 256、參考文獻(xiàn) 26三、前言（說明本次課程設(shè)計課題的意義，本課題相關(guān)技術(shù)特點，擬采用的方案或路線） 在數(shù)字信號處理中，濾波占有極其重要的地位。數(shù)字濾波是語音處理、圖像處理、模式識別、頻譜分析等應(yīng)用中的基本處理算法。與模擬濾波相比,數(shù)字濾波具有很突出的優(yōu)點,例如它 可以滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴(yán)格要求,

4、可以避免模擬濾波無法克服的電壓飄移、溫度飄移和噪聲等問題；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。用可編程DSP芯片可通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。 數(shù)字濾波器是DSP的基本應(yīng)用，分為有限沖激響應(yīng)濾波器FIR和無限沖激響應(yīng)濾波器IIR。本設(shè)計選用TMS320C54x作為DSP處理芯片，在CCS軟件中編程，并導(dǎo)入Matlab生成的待濾波數(shù)據(jù)、系數(shù)，實現(xiàn)FIR濾波器和IIR濾波器的設(shè)計，并將CCS仿真結(jié)果與Matlab相比較進(jìn)行驗證。四、正文（包含所進(jìn)行設(shè)計的整體內(nèi)容）1設(shè)計理論.FIR濾波器的特點FIR濾波器主要采用非遞歸

5、結(jié)構(gòu)，因而從理論上以及實際的有限精度的運算中，都是穩(wěn)定的；可以得到嚴(yán)格的線性相位；可采用快速傅利葉變換算法；一般沒有現(xiàn)成設(shè)計公式，窗函數(shù)法只給出窗函數(shù)的計算公式，計算通帶、阻帶衰減仍無顯示表達(dá)式。.FIR濾波器的DSP實現(xiàn)（1） 用線性緩沖區(qū)法實現(xiàn)z-1 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 線性緩沖區(qū)頂部 x(n) PORTR x(n+1) PORTR x(n+2) x(n-1) x(n) x(n+1) x(n-2) x(n-1) x(n) x(n-3) x(n-2) x(n-1) x(n-4) x(n-3) x(n-2) *ARx- x(n-5) *ARx- x(n-4) *ARx- x(n

6、-3) N=6的線性緩沖區(qū)存存儲器圖（2）用循環(huán)緩沖區(qū)法實現(xiàn)z-1 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 循環(huán)緩沖區(qū)頂部 x(n) ARx x(n) x(n) x(n-1) x(n-1) x(n-1) x(n-2) x(n-2) x(n-2) x(n-3) x(n-3) x(n-3) x(n-4) x(n-4) x(n-4) x(n-5) x(n-5) x(n-5) x(n-6) x(n-6) x(n+2) ARx 循環(huán)緩沖區(qū)底部 x(n-7) x(n+1) ARx x(n+1) N=8的循環(huán)緩沖區(qū)存儲器圖FIR濾波器的實現(xiàn)方法 （1）用線性緩沖區(qū)和直接尋址方法實現(xiàn)FIR濾波器例7-1N=5,y

7、(n)=h0x(n)+h1x(n-1)+h2x(n-2)+h3x(n-3)+h4x(n-4) 在數(shù)據(jù)存儲器中存放系數(shù)h0h4，并設(shè)置線性緩沖區(qū)存放輸入數(shù)據(jù)，如圖所示 :數(shù)據(jù)存儲器 y y(n) XN x(n) XNM1 x(n-1) XNM2 x(n-2) XNM3 x(n-3) XNM4 x(n-4) H0 h0 H1 h1 H2 h2 H3 h3 H4 h4 直接尋址線性緩沖區(qū)數(shù)據(jù)分配 FIR濾波器的輸出 （2） 用線性緩沖區(qū)和間接尋址方法實現(xiàn)FIR濾波器例7-2N=5,y(n)=h0x(n)+h1x(n-1)+h2x(n-2)+h3x(n-3)+h4x(n-4) 在數(shù)據(jù)存儲器中存放系數(shù)h

8、0h4，并設(shè)置線性緩沖區(qū)存放輸入數(shù)據(jù)，如圖所示，利用AR1和AR2分別作為間接尋址線性緩沖區(qū)和系數(shù)區(qū)的輔助寄存器。 數(shù)據(jù)存儲器 y y(n) x x(n) x(n-1) x(n-2) x(n-3) AR1 x(n-4) h h0 h1 h2 h3 AR2 h4 間接尋址線性緩沖區(qū)數(shù)據(jù)分配 FIR濾波器的輸出(3)用線性緩沖區(qū)和帶移位雙操作數(shù)尋址方法實現(xiàn)FIR濾波器 例7-3N=5,y(n)=h0x(n)+h1x(n-1)+h2x(n-2)+h3x(n-3)+h4x(n-4) 數(shù)據(jù)存儲器 x 暫存y(n) 程序存儲器 x(n) PARCOEF h4 x(n-1) h3 x(n-2) h2 x(n

9、-3) h1 AR1 x(n-4) h0 雙操作數(shù)尋址線性緩沖區(qū)數(shù)據(jù)分配 （4）用循環(huán)緩沖區(qū)和雙操作數(shù)尋址方法實現(xiàn)FIR濾波器例7-4N=80,，存放h0h79的系數(shù)表以及存放數(shù)據(jù)的循環(huán)緩沖區(qū) 均設(shè)在DARAM中，如圖所示。數(shù)據(jù)存儲器 y y(n) 60h 數(shù)據(jù)存儲器 xn x(n) 80h h h0 100h x(n-1) 81h h1 101h x(n-2) h2 102h x(n-3) h3 103h x(n-4) h4 104h x(n-5) h5 105h AR3 x(n-79) cfh AR4 h79 14fh 雙操作數(shù)尋址循環(huán)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)分配（5）系數(shù)對稱FIR濾波器的實現(xiàn)方法數(shù)據(jù)

10、存儲器 New循環(huán)緩沖區(qū) Old循環(huán)緩沖區(qū) 80h x(n) AR2 88h x(n-4) 81h x(n-3) 89h x(n-5) 82h x(n-2) 8Ah x(n-6) 83h x(n-1) 8Bh x(n-7) AR3 新舊緩沖區(qū)對比程序存儲器 系數(shù)表 COEF h0 低地址 h1 h2 h3 高地址 程序存儲器存系數(shù)表FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)輸入方波時FIR濾波器的輸出 （6）Filter函數(shù)的作用過濾一維數(shù)字濾波器。Y=filter(B,A,X)用向量A和B所描述的過濾器來過濾向量X中的數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建過濾后的數(shù)據(jù)。輸入X為濾波前序列，Y為濾波結(jié)果序列，B/A提供濾波器系數(shù)，B為分

11、子，A為分母。整個濾波過程是通過下面差分方程實現(xiàn)的：a(1)*y(n) = b(1)*x(n) + b(2)*x(n-1) + . + b(nb+1)*x(n-nb) - a(2)*y(n-1) - . - a(na+1)*y(n-na)2程序分析（對每一程序逐一分析，CMD文件也要解釋）包含主程序流程圖、各子程序的流程圖、存儲器的分配說明、關(guān)鍵函數(shù)或子程序、關(guān)鍵匯編語句的語法說明 fir.m fir.asm fir.CMD3設(shè)計步驟(詳細(xì)描述，給出主要步驟的界面，如FDATOOL的界面、CCS中的整體界面、以及一些關(guān)鍵的窗口截圖、存儲器的分配圖。)(1)、設(shè)計出線性相位FIR濾波器的參數(shù)如下

12、： 濾波器名稱： 帶通濾波器 采樣頻率： Fs=21KHz 通帶： 2.5KHz4.5KHz 過渡帶： 2.5KHz3.1KHz，3.9KHz4.5KHz 帶內(nèi)波動： <0.8dB 阻帶衰減： -68dB以下 濾波器級數(shù)： N=75 濾波器系數(shù) (偶對稱，只需列出前一半系數(shù))：12-43-79-485311112-177-2256321348-22-433-41934433357-34-236-9018-212-41898991138-37-1728-19625125392724-43-3147-3250173405(2)、實驗步驟 打開MATLAB,點擊file下的open;打開fir

13、.m文件； 點擊右下角start ->Toolboxes->Filter Design HDL Coder->打開lter Design &Analysis Tool (fdatool) 根據(jù).m文件設(shè)置參數(shù)，設(shè)置完點擊Design Fitder 點擊file下的export,導(dǎo)出濾波器系數(shù) 運行剛開始打開的.m文件，生成波形圖 點擊Targets->ccs->Export as->Signed 16 bit integer->Generate，生成.h文件并修改.h文件 打開Setup CCS,選擇C5402Device芯片，保存后關(guān)閉 打開

14、CCS，新建Project ,并保存到自己的文件夾內(nèi)，右擊新建的工程，然后點擊Add Files to Project;打開兩個腳本文件 打開Source下的fir.asm文件，根據(jù).m文件的參數(shù)參照修改，點擊運行 點擊file 下的load program,打開生成的.out 文件；點擊左邊的run; 點擊File下的Data -> Load Data,打開之前生成的input1文件，根據(jù)fir.CMD文件，將Address設(shè)置為input ,Length設(shè)置為200，Page設(shè)置為Data 點擊View下的Graph->Time/Frequency,設(shè)置波形圖參數(shù)五、問題與心得

15、（對整個設(shè)計工作的總結(jié)，可以包括作者提出的建議、下一步工作的設(shè)想及改進(jìn)意見等）1、實驗問題（1）FIR有何特點？你做了什么？FIR濾波器主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，因而從理論上以及實際的有限精度的運算中，都是穩(wěn)定的；可以得到嚴(yán)格的線性相位；可采用快速傅利葉變換算法；一般沒有現(xiàn)成設(shè)計公式，窗函數(shù)法只給出窗函數(shù)的計算公式，計算通帶、阻帶衰減仍無顯示表達(dá)式。我做的帶通濾波器。（3） 加了噪聲特有何影響？加了噪聲波形沒有太大影響，就是濾出的波形中過渡帶部分會出現(xiàn)毛刺。（3）數(shù)據(jù)如何加載進(jìn)來的？通過Matlab中的fadtool中的Export to Code Composer Studio(tm)IDE導(dǎo)出.

16、h 文件，把.h 文件修改成能被DSP識別再把.h文件復(fù)制到在CCS中新建的文件夾中，通過fir.asm文件copy，這樣數(shù)據(jù)就加載進(jìn)來了。2、心得體會 經(jīng)過這么長時間的課程設(shè)計，在老師的指導(dǎo)下，我終于如愿完成了此次課程設(shè)計的各項任務(wù)?？傮w而言，此次課程設(shè)計收獲頗豐，且算是比較成功。雖然此前對Matlab 已經(jīng)略有了解，但是運用還是不太熟練，還是要查閱資料才能完成任務(wù)。本次實驗也算是對之前的所學(xué)知識的復(fù)習(xí)鞏固，我們不僅對濾波器有更加新的知識還對Matlab的實際操作有了更叫充分的了解，還學(xué)會了使用CCS。但是也暴露出了自身的一些缺點，例如自己解決問題的能力有所欠缺，在處理問題時思路不夠清晰，濾波器的制作中對于問題的把握不夠具