DSP試驗(yàn)報(bào)告材料——FIR和IIR濾波器設(shè)計(jì)

1、標(biāo)準(zhǔn)文案DSP實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一 FIR濾波器的設(shè)計(jì)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦盟鶎W(xué)DSP知識(shí),在CCS3.3平臺(tái)上,對(duì)TMS320VC5416DSP計(jì),編程實(shí) 現(xiàn)FIR濾波器.從而學(xué)會(huì)使用 CCS軟件和TMS320VC541實(shí)驗(yàn)板.2. 實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)10階的FIR濾波器,要求 =2.5kHZ,定點(diǎn)實(shí)現(xiàn).并對(duì)=8kHZ的多正弦波合成文件進(jìn)行濾波測(cè)試,顯示出輸入和輸出信號(hào).3. 實(shí)驗(yàn)原理一個(gè)截止頻率為的理想數(shù)字低通濾波器,其傳遞函數(shù)的表達(dá)式為:Hd(ej)< co0,(oc蘭蘭兀大全我們?nèi)∵@個(gè)濾波器是物理不可實(shí)現(xiàn)的.為了產(chǎn)生有限長(zhǎng)度的沖激響應(yīng)函數(shù),樣響應(yīng)為h(n),長(zhǎng)度為N.h(n)表示截取hd (

2、n)后的沖激響應(yīng),即h(n)n)hd( n),其中(n)即為窗函數(shù),窗長(zhǎng)為 N.一般的FIR濾波器差分方程如下:ny(n)二 ' h(k)x(n - k)k=0進(jìn)行Z變換得到FIR的系統(tǒng)函數(shù)為:N /H (z)八 h(n)z*n=0因此N階濾波器通常采用N個(gè)延遲單元、N個(gè)加法器與N+1個(gè)乘法器組成 可以得到FIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.DYh(N-2 他Nf7圖1 FIR濾波器直接結(jié)構(gòu)圖4. 設(shè)計(jì)思路對(duì)于FIR濾波器的設(shè)計(jì),其系數(shù)h(n)是關(guān)鍵.由于matlab自帶濾波器設(shè)計(jì)工具箱和濾波器設(shè)計(jì)函數(shù),故借用 matlab工具,設(shè)計(jì)滿足條件的濾波器并導(dǎo)出 系數(shù)以備編寫(xiě)濾波器程序時(shí)使用.實(shí)

3、驗(yàn)需要用到的輸入數(shù)據(jù)是多正弦波合成文件, 對(duì)于輸入信號(hào)的設(shè)計(jì),這里也借助 matlab編程生成dat文件.然后用C語(yǔ)言編 寫(xiě)FIR濾波器的主程序,輸入文件在程序運(yùn)行后導(dǎo)入.5. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)由于實(shí)驗(yàn)只給出濾波器條件為N=1Q=2.5k HZ,并沒(méi)有給出 和,所以這里調(diào)用matlab工具箱函數(shù)fir1實(shí)現(xiàn)窗函數(shù)法設(shè)計(jì)濾波器.fir1的調(diào)用格式為？(,),返回值為6dB截止頻率為的N階(單位脈沖響應(yīng)h (n)長(zhǎng)度=N+1)的FIR低通濾波器的系數(shù)向量(為標(biāo)量),默認(rèn)選用哈明窗.其中為對(duì)n歸一化的數(shù)子頻率,其計(jì)算公式為這里計(jì)算得出=0.625.由于得到的系數(shù)向量要用于DSP勺FIR

4、程序中,需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)行轉(zhuǎn)換并取整.最后系數(shù)結(jié)果如下列圖2所示.>> hrRfit I0- 325)血-Q. B02(Q時(shí)曲 -0.0382 -Q; 07-90. 2667 EL 烈凱 Q. 21587 一QQ盟 -C.0l.620. 01-Cr. 0020» rowifJuu *2'15)C? luma 1 thrsnifh 9-fifl-433-530-25199093205128購(gòu)3-2&19-530CaliiBJis 1 Q thraugh 11；3B煎圖2 10階FIR濾波器系數(shù)對(duì)于10階濾波器得到11個(gè)系數(shù),將該系數(shù)保存,以備后面編寫(xiě)程序時(shí)使用

5、.該濾波的幅頻圖和相頻圖分別對(duì)應(yīng)圖3和圖4.圖3 10階FIR濾波器幅頻圖235rraieiKf (Ml町圖4 10階FIR濾波器相頻圖2輸入信號(hào)的生成根據(jù)老師給的兩個(gè).wav語(yǔ)音文件,這里用matlab的wavread函數(shù)將其讀進(jìn) 去,并編寫(xiě)程序查看其局部信號(hào)時(shí)域和頻域圖,并生成兩個(gè)語(yǔ)音文件的.dat文件,供作為DSP設(shè)計(jì)濾波器驗(yàn)證時(shí)所用的輸入文件.兩個(gè)語(yǔ)音信號(hào)局部時(shí)域和頻域圖分別對(duì)應(yīng)圖5ab和圖6ab.a語(yǔ)音文件1時(shí)域圖b語(yǔ)音文件1頻譜圖圖5語(yǔ)音文件1時(shí)域和頻域圖圖6語(yǔ)音文件2時(shí)域和頻域圖(3) CCS FIR程序編寫(xiě)首先翻開(kāi)CCS setup選擇對(duì)應(yīng)5416型號(hào)的處理器,保存后翻開(kāi) CC

6、S軟件,project-new 建立fir 濾波工程.新建一個(gè)input.h 文件,并將matlab產(chǎn)生的in put 文件里面的數(shù)據(jù)放入其中,然后project->add files to project.將in put.h添加至工程.同理,編寫(xiě)FIR濾波主程序并將其參加工程.最后將鏈接 文件fir d參加工程.如圖7所示.涉 址Ju 尸“些 ¥ 心瀘川 ii*np 8»5-血 MrwUn 出“卞粘- E + * I. % S MHl匡石三i球曲Q彈也F 磴II11'IHH _fl QU finE ziPr-Ji *r»4|i_J j'Cw

7、nfc'S-_J Zdimmfegj丄"fild_h±.h.Inf 0 1 j1 df>£ Cirir LEH 1 4t«HE】 iwiiL>4r|4- -h* Io*g yvj |BiT D 1 - |iid1)1.rua.t, a epiii. 3KVtSE ri 3iE '-rlfip it |J n Qiint .；i-l4j ji id L |P >圖7 CCS3.3程序窗口編譯生成 fir.out 文件,然后 file->load program.->fir.out ,運(yùn)行程序.然后 view-&

8、gt;graph->time/frequency,顯示如圖 8所示.然后選擇對(duì)應(yīng)的 singletime、FFT mag nitude分別對(duì)應(yīng)時(shí)域和頻域圖形.start address 分別填in put 和output對(duì)應(yīng)輸入和輸出的數(shù)據(jù).通過(guò)改變acquisition buffer size和display data size數(shù)值來(lái)調(diào)整顯示框的結(jié)果.對(duì)應(yīng)的顯示結(jié)果如圖9-圖12所示.圖8a)時(shí)域圖(b)頻域圖圖9輸入信號(hào)1波形圖(a)濾波結(jié)果時(shí)域圖- j吁 ui >1 ppwW*/'亠,3,亠,333(b)濾波結(jié)果頻域圖圖10信號(hào)1濾波結(jié)果圖(a)時(shí)域圖(b)頻域圖圖1

9、1輸入信號(hào)2波形圖(a)濾波結(jié)果時(shí)域圖(b)濾波結(jié)果頻域圖圖12信號(hào)2濾波結(jié)果圖(4) 程序下載到DSP實(shí)驗(yàn)板點(diǎn)擊 file-> new->DSP/BIOS con figuration,選擇 DSK5416.cdb 保存至文件的工程目錄下.將剛生成的.cdb文件和編寫(xiě)的參加到工程中.將前面的程序 文件分別參加工程中,進(jìn)行編譯.鏈接實(shí)驗(yàn)板和電腦.點(diǎn)擊debug->connect,連接測(cè)試板,file->loadprogram.,從工程文件下的debug文件夾中導(dǎo)入fir.out 文件,再點(diǎn)擊debug->run 運(yùn)行.6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果從圖9-圖12來(lái)看程序根本完成了

10、對(duì)輸入的合成信號(hào)的濾波.其中輸入信號(hào)1是由1Khz、2Khz、3Khz合成的信號(hào),而輸入信號(hào)2是多種頻率信號(hào)復(fù)合的信 號(hào).經(jīng)過(guò)FIR濾波器濾波后,由輸出的頻域圖可以看出,本濾波器將大于2.5Khz 的信號(hào)根本濾去.由于濾波器的階數(shù)較小,對(duì)于3Khz信號(hào)并沒(méi)有完全濾除,這也是實(shí)驗(yàn)預(yù)期之中的.對(duì)于信號(hào)2的復(fù)合信號(hào),由頻譜圖比擬可以發(fā)現(xiàn),大于2.5Khz的信號(hào)根本被濾去.綜上所述,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)了截止頻 率為2.5Khz的低通濾波器的功能.實(shí)驗(yàn)二IIR濾波器的設(shè)計(jì)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笤谏厦嬖O(shè)計(jì)了 FIR濾波器的根底上,設(shè)計(jì)相同性能的IIR濾波器2. 實(shí)驗(yàn)原理IIR與FIR濾波器相比,相

11、同性能水平的濾波器,IIR可以用較低的階數(shù)實(shí) 現(xiàn),但是IIR濾波器是非線性的,且穩(wěn)定性較差.IIR濾波器對(duì)FIR濾波器的前 饋環(huán)節(jié)進(jìn)行了擴(kuò)展,增加了一個(gè)反應(yīng)環(huán)節(jié).IIR濾波器的(L-1 )階前饋環(huán)節(jié)和(M-1)階反應(yīng)環(huán)節(jié)的差分方程表示為：L JM Jy n 八 bx n - i - ' amy n - mim其中a與b為濾波器系數(shù)向量.對(duì)上式進(jìn)行z變換可得：進(jìn)而得到IIR濾波器的傳遞方程為:因此IIR濾波器的設(shè)計(jì)需要求出其系數(shù)向量a和b3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容IIR濾波器的設(shè)計(jì)思路和內(nèi)容與 FIR的根本相同,這里不再表達(dá).這里使用 與FIR濾波器一樣的輸入信號(hào).一般情況下,相同性能的IIR濾波器

12、階數(shù)應(yīng)低于 FIR濾波器,這里為了方便,設(shè)計(jì)相同階數(shù)的IIR濾波器.IIR濾波器系數(shù)向量用matlab的自帶的濾波器設(shè)計(jì)工具箱設(shè)計(jì)得出.IIR濾波器對(duì)輸入信號(hào)1和2濾波后的時(shí)域和頻域圖如圖13和14所示.(a)濾波后時(shí)域圖(b)濾波后頻域圖圖13 IIR濾波器對(duì)輸入信號(hào)1的濾波結(jié)果(a)濾波后時(shí)域圖(b)濾波后頻域圖圖14 IIR濾波器對(duì)輸入信號(hào)2的濾波結(jié)果4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)觀察IIR濾波結(jié)果圖,與上面FIR比擬,可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)中截止頻率同 為2.5Khz的IIR濾波器,對(duì)2Khz和3Khz頻率的信號(hào)都有濾波現(xiàn)象.這是由于 濾波器自身的幅頻特性造成的.經(jīng)過(guò)觀察信號(hào)2的濾波結(jié)果可以看出,該濾波器

13、 也根本可以實(shí)現(xiàn)截止頻率為2.5Khz的低通濾波器的功能.實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的10階FIR和IIR濾波器都可以很好的完成低通濾波效果, 到達(dá)了實(shí)驗(yàn)預(yù)期的目的.通過(guò)FIR和IIR濾波器的設(shè)計(jì),不僅讓我了解到了數(shù)字 濾波器的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法,而且通過(guò)比擬了解了 FIR和IIR濾波器各種的優(yōu) 點(diǎn)和缺點(diǎn).通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)數(shù)字濾波器的知識(shí)有了進(jìn)一步了解和熟悉,同時(shí)掌握了簡(jiǎn)單的濾波器實(shí)現(xiàn)算法和程序.由于之前沒(méi)有較多接觸過(guò)CC番口 DSP實(shí)驗(yàn)板,此次實(shí)驗(yàn)在對(duì)CC漱件的使用、 軟件編程、仿真、連接實(shí)驗(yàn)板上花了大量的時(shí)間. 通過(guò)在網(wǎng)上查資料并一點(diǎn)點(diǎn)學(xué) 習(xí)和嘗試才根本學(xué)會(huì)使用.由于對(duì)cmd文件的不了解,開(kāi)始編

14、譯時(shí)總是報(bào)錯(cuò),通 過(guò)與同學(xué)一起討論和在網(wǎng)上查詢才知道解決方法.總得來(lái)說(shuō),實(shí)驗(yàn)讓我學(xué)會(huì)了 CCS軟件和DSP實(shí)驗(yàn)板的根本使用方法.并在此 根底上學(xué)會(huì)了簡(jiǎn)單的FIR和IIR濾波器的設(shè)計(jì).收獲頗多.附錄(1)輸入信號(hào)生成程序(matlab程序)clc;clear all;close all;FS=8000;%y,FS,NBITS=wavread('C:UsersAdmi nistratorDesktopMultiTo neTest.wav');y,FS,NBITS=wavread('C:UsersAdmi nistratorDesktopsc03.wav');figu

15、re(1)plot(y(1:500);title('語(yǔ)言信號(hào)時(shí)域圖)；figure(2)y=abs(fft(y(1:1000);df=(1:1000)*(FS/1000);plot(df,y(1:1000);title('語(yǔ)言信號(hào)頻域圖');y=(y*32767);y=i nt16(y);fid=fope n(' in put.dat','w');for m=1:2048fprin tf(fid,'%d,n',y(m); %輸出endfclose(fid);(2)FIR濾波器程序#i nclude "stdio.

16、h"濾波器的級(jí)數(shù)+1由于本實(shí)驗(yàn)中濾波器階數(shù)為10待濾波的輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度輸入數(shù)據(jù)文件#define N 11 /FIR #define LEN 2048 / #include"input.h" /long yn;int B11 = -64, 438, -530, -2519,8803, 20512,8803,-2519,-530,438,-64;/ 濾波器系數(shù)intin putLEN; /輸入緩沖,在仿真時(shí)將從內(nèi)存載入int outputLEN; /輸出緩沖,直接存放在內(nèi)存中void mai n()int i,j;int *x;for(j=0;j<LEN-1;j+)x=&in putj;yn = 0;for(i=0; i<N-1; i+)yn += Bi*(*x+); % 濾波outputj=yn> >15;while(1);(3) IIR濾波器程序#i nclude "stdio.h"#include "input.h"#defi ne N 11#define LEN 2048int NUM10 = 69,691,3108,8289,14505,17406,14505,8289, 3108,691,69;int DEN10 = 4096,10203,16248,16727,1