DSP試驗報告——FIR和IIR濾波器設(shè)計

1、DSP實驗報告實驗一FIR濾波器的設(shè)計1.實驗?zāi)康睦盟鶎W(xué)DSP知識，在平臺上，對TMS320VC5416DSP計，編程實現(xiàn)FIR濾波器。從而學(xué)會使用CC敞件和TMS320VC5416驗板。2 .實驗要求設(shè)計一個10階的FIR濾波器，要求九二,定點實現(xiàn)。并對F$=8kHZ的多正弦波合成文件進行濾波測試，顯示出輸入和輸出信號。3 .實驗原理一個截止頻率為 3,的理想數(shù)字低通濾波器，其傳遞函數(shù)的表達式為:這個濾波器是物理不可實現(xiàn)的。為了產(chǎn)生有限長度的沖激響應(yīng)函數(shù)，我們?nèi)禹憫?yīng)為 h(n),長度為NoNoh(n)表示截取hd d(n)后的沖激響應(yīng)，即h(n)(n)hd d(n),其中(n)即為窗函數(shù)

2、，窗長為N。一般的FIR濾波器差分方程如下:n1y(n)h(k)x(nk)k0進彳TZ變換得到FIR的系統(tǒng)函數(shù)為:N1h(n)znn0Hd(ej)0,cH(z)N階濾波器通常采用N個延遲單元、可以得到FIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示工5)5)圖 1FIR 濾波器直接結(jié)構(gòu)圖4 .設(shè)計思路對于FIR濾波器的設(shè)計，其系數(shù) h(n)是關(guān)鍵。由于matlab自帶濾波器設(shè)計工具箱和濾波器設(shè)計函數(shù)，故借用matlab工具，設(shè)計滿足條件的濾波器并導(dǎo)出系數(shù)以備編寫濾波器程序時使用。實驗需要用到的輸入數(shù)據(jù)是多正弦波合成文件，對于輸入信號的設(shè)計，這里也借助matlab編程生成dat文件。然后用C語言編寫FIR濾波器的

3、主程序，輸入文件在程序運行后導(dǎo)入。5 .實驗內(nèi)容(1)濾波器系數(shù)的設(shè)計由于實驗只給出濾波器條件為N=1Qfc=,并沒有給出和久，所以這里調(diào)用matlab工具箱函數(shù)巾ri實現(xiàn)窗函數(shù)法設(shè)計濾波器。firl的調(diào)用格式為小二節(jié)/1 1(N,3#),返回值為6dB截止頻率為 3G 的N階(單位脈沖響應(yīng)h(n)長度N=N+1)白FIR低通濾波器的系數(shù)向量(3,為標量)，默認選用哈明窗。其中3c為對口歸一化的數(shù)字頻率，其計算公式為5c二這里計算得出.=。因為得到的系數(shù)向量要用于DSP的FIR程序中,需要對其進行進行轉(zhuǎn)換并取整。最后系數(shù)結(jié)果如下圖2所示。N個加法器與N+1個乘法器組成。因此ImIm= =-0,

4、ODEOQ.0M4-fl.OISZ-0.0759G-M37-0,ODEOQ.0M4-fl.OISZ-0.0759G-M37瓦品制I I0.2657-0-0755-0,01.620.-0.00200.2657-0-0755-0,01.620.-0.0020HotindOqiLHotindOqiL即E E二CCIIMHE1tlirouffhg1tlirouffhg-6i-6i；3S3S-5W-251-5W-251 330333032QE12B8D3-2519-6302QE12B8D3-2519-630C9hwnsC9hwnsH HthnuththnuthIIJBJB圖 210 階 FIR 濾波器系

5、數(shù)對于10階濾波器得到11個系數(shù)，將該系數(shù)保存，以備后面編寫程序時使用該濾波的幅頻圖和相頻圖分別對應(yīng)圖3和圖4。kHsi圖 310 階 FIR 濾波器幅頻圖圖 410 階 FIR 濾波器相頻圖(2)輸入信號的生成根據(jù)老師名&的兩個.wav語音文件，這里用matlab的wavread函數(shù)將其讀進去，并編寫程序查看其部分信號時域和頻域圖，并生成兩個語音文件的.dat文件，供作為DS限計濾波器驗證時所用的輸入文件。兩個語音信號部分時域和頻域圖分別對應(yīng)圖5(a)(b)和圖6(a)(b)。VVvir/*51f尸中戶v.飛(3)CCSSPFIR程序編寫首先打開CCSsetup選擇又t應(yīng)5416型號

6、的處理器，保存后打開CCSa件，project-new建立fir濾波工程。新建一個文件，并將matlab產(chǎn)生的input文件里面的數(shù)據(jù)放入其中，然后project-addfilestoproject.將添加至工程。同理，編寫FIR濾波主程序并將其加入工程。最后將鏈接文件加入工程。如圖7所示。(b)語音文件 1 頻譜圖圖 5 語音文件 1 時域和頻域圖(a)語音文件 2 時域圖(b)語音文件 2 頻譜圖圖 6 語音文件 2 時域和頻域圖Iyr圖 7 程序窗口編 譯 生 成 文 件 ， 然 后 刊e-loadprogram.-,運 行 程 序 。 然 后view-graph-time/freque

7、ncy，顯示如圖8所示。然后選擇對應(yīng)的singletime、FFTmagnitude分別對應(yīng)時域和頻域圖形。startaddress分別填input和output對應(yīng)輸入和輸出的數(shù)據(jù)。通過改變acquisitionbuffersize和displaydatasize數(shù)值來調(diào)整顯示框的結(jié)果。對應(yīng)的顯示結(jié)果如圖9-圖12所示。(a)時域圖I IiixiixjipjLEriL-jipjLEriL-LMLM|LQ|LQI11I11niLhiiniLhii1fiiiF*|1fiiiF*|JjJj：ynyn*,*,；farfard d , ,; ;icki-iicki-i：i-M-i-M-i iVfiVf

8、i上-I I1 1HIHI* *g g4 4I Ih),),urtJl|iULurtJl|iULI I3Id3Id iigiigi i+ +! !，| |i.i.d.-前半同日jGainjGain俾1 1rfrf“M M啊M MJ JJ JJlJl.耶畫Jl lJ J Vfk.hVfk.h_ij_ij2JWEaHaHWWfWfvWWfWfv#UbflAri#UbflArir r_J_JUbnkrM.UbnkrM.r r (j-(j-(b)頻域圖圖 9 輸入信號 1 波形圖(a)濾波結(jié)果時域圖(b)濾波結(jié)果頻域圖圖 10 信號 1 濾波結(jié)果圖(a)時域圖(b)頻域圖圖 11 輸入信號 2 波形圖

9、(a)濾波結(jié)果時域圖(4)程序下載到DS我驗板點擊file-new-DSP/BIOSconfiguration,選擇，保存至文件的工程目錄下。將剛生成的.cdb文件和編寫的加入到工程中。將前面的程序文件分別加入工程中，進行編譯。鏈接實驗板和電腦。點擊debug-connect,連接測試板，file-loadprogram.,從工程文件下的debug文件夾中導(dǎo)入文件，再點擊debug-run運行。6.實驗結(jié)果從圖9-圖12來看程序基本完成了對輸入的合成信號的濾波。其中輸入信號1是由1Khz、2Khz、3Khz合成的信號，而輸入信號2是多種頻率信號復(fù)合的信號。經(jīng)過FIR濾波器濾波后，由輸出的頻域圖

10、可以看出，本濾波器將大于的信號基本濾去。由于濾波器的階數(shù)較小，對于3Khz信號并沒有完全濾除，這也是實驗預(yù)期之中的。對于信號2的復(fù)合信號，由頻譜圖比較可以發(fā)現(xiàn)，大于的信號基本被濾去。綜上所述，本實驗設(shè)計的FIR濾波器實現(xiàn)了截止頻率為的低通濾波器的功能。實驗二IIR濾波器的設(shè)計1.實驗?zāi)康暮鸵笤谏厦嬖O(shè)計了FIR濾波器的基礎(chǔ)上，設(shè)計相同性能的IIR濾波器2 .實驗原理IIR與FIR濾波器相比，相同性能水平的濾波器，IIR可以用較低的階數(shù)實現(xiàn)，但是IIR濾波器是非線性的，且穩(wěn)定性較差。IIR濾波器對FIR濾波器的前饋環(huán)節(jié)進行了擴展，增加了一個反饋環(huán)節(jié)。IIR濾波器的(L-1)階前饋環(huán)節(jié)和(L1yn

11、bixni0其中a與b為濾波器系數(shù)向量。對上式進行z變換可得：L L- -1 1NINI- -1 1YQ)=X(z)biz-1-Y(z)2a十一i iQnini1 1進而彳4到IIR濾波器的傳遞方程為：(b)濾波結(jié)果頻域圖圖 12 信號 2 濾波結(jié)果圖M-1)階反饋環(huán)節(jié)的差分方程表示為:M1iamynmm1Y(z)收)二X(z)=rrrr因此IIR濾波器的設(shè)計需要求出其系數(shù)向量a和bo3 .實驗內(nèi)容IIR濾波器的設(shè)計思路和內(nèi)容與FIR的基本相同，這里不再敘述。這里使用與FIR濾波器一樣的輸入信號。一般情況下，相同性能的IIR濾波器階數(shù)應(yīng)低于FIR濾波器，這里為了方便，設(shè)計相同階數(shù)的IIR濾波器

12、。IIR濾波器系數(shù)向量用matlab的自帶的濾波器設(shè)計工具箱設(shè)計得出。(b)濾波后頻域圖圖 13IIR 濾波器對輸入信號 1 的濾波結(jié)果(a)濾波后時域圖(b)濾波后頻域圖圖 14IIR 濾波器對輸入信號 2 的濾波結(jié)果4 .實驗結(jié)果通過觀察IIR濾波結(jié)果圖，與上面FIR比較，可以發(fā)現(xiàn)，實驗中截止頻率同為的IIR濾波器，對2Khz和3Khz頻率的信號都有濾波現(xiàn)象。這是由于濾波器自身的幅頻特性造成的。經(jīng)過觀察信號2的濾波結(jié)果可以看出，該濾波器也基本可以實現(xiàn)截止頻率為的低通濾波器的功能。實驗總結(jié)本次實驗所設(shè)計的10階FIR和IIR濾波器都可以很好的完成低通濾波效果， 達到了實驗預(yù)期的目的。通過FI

13、R和IIR濾波器的設(shè)計，不僅讓我了解到了數(shù)字濾波器的設(shè)計思路和設(shè)計方法，而且通過比較了解了FIR和IIR濾波器各種的優(yōu)點和缺點。通過實驗讓我對數(shù)字濾波器的知識有了進一步了解和認識，同時掌握了簡單的濾波器實現(xiàn)算法和程序。由于之前沒有較多接觸過CC辭口DS我驗板， 此次實驗在對CC漱件的使用、 軟件編程、仿真、連接實驗板上花了大量的時間。通過在網(wǎng)上查資料并一點點學(xué)習(xí)和嘗試才基本學(xué)會使用。由于對cmd文件的不了解，開始編譯時總是報錯，通過與同學(xué)一起討論和在網(wǎng)上查詢才知道解決辦法。總得來說，實驗讓我學(xué)會了CCSa件和DS我驗板的基本使用方法。并在此基礎(chǔ)上學(xué)會了簡單的FIR和IIR濾波器的設(shè)計。收獲頗多

14、。附錄(1)輸入信號生成程序(matlab程序)clc;clearall;closeall;FS=8000;%y,FS,NBITS=wavread(C:UsersAdministratorDesktop);y,FS,NBITS=wavread(C:UsersAdministratorDesktop);figure(1)plot(y(1:500);title(語言信號時域圖,);figure(2)y=abs(fft(y(1:1000);df=(1:1000)*(FS/1000);plot(df,y(1:1000);title(語言信號頻域圖,);y=(y*32767);y=int16(y);fi

15、d=fopen(,w);form=1:2048fprintf(fid,%d,n,y(m);%輸出endfclose(fid);(2)FIR濾波器程序#include#defineN11/FIR濾波器的級數(shù)+1(因為本實驗中濾波器階數(shù)為10)#defineLEN2048/待濾波的輸入數(shù)據(jù)長度#include輸入數(shù)據(jù)文件longyn;intB11=-64,438,-530,-2519,8803,20512,8803,-2519,-530,438,-64;/濾波器系數(shù)intinputLEN;/輸入緩沖，在仿真時將從內(nèi)存載入intoutputLEN;/輸出緩沖，直接存放在內(nèi)存中voidmain()inti,j;int*x;for(j=0;jLEN-1;j+)x=&inputj;yn=0;for(i=0;i15;)while(1);)(3)IIR濾波器程序#include#include#defineN11#defineLEN2048intNUM10=69,691,3108,8289