韶關(guān)學(xué)院DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、韶關(guān)學(xué)院DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于DSP的自適應(yīng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 專業(yè)班級： 13級嵌入式通信工程 設(shè)計(jì)人員： 廖廣輝 梁慶財(cái) 丁倫 學(xué)號：13115032027指導(dǎo)教師簽字： 日期: 目 錄1、 設(shè)計(jì)任書 1二、設(shè)計(jì)方案 13、 硬件設(shè)計(jì)44、 軟件設(shè)計(jì)7 五、實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果分析13 六、參考文獻(xiàn)19 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)書1. 設(shè)計(jì)要求及目標(biāo) （1）設(shè)計(jì)一個(gè)自適應(yīng)數(shù)字濾波器，技術(shù)參數(shù)可以自定義，設(shè)計(jì)自適應(yīng)算法并在MATLAB上進(jìn)行軟件仿真。 （2）將算法移植到DSP中，信號源可用軟件上模擬產(chǎn)生，濾波后可在CCS上進(jìn)行頻譜分析，效果應(yīng)與仿真結(jié)果一致。

2、2. 設(shè)計(jì)任務(wù)（1）繪制系統(tǒng)組成框圖(利用VISIO繪制)； （2）用EDA軟件繪制原理圖和PCB圖，包括電源設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、JTAG接口設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)運(yùn)行需要的其他外圍電路等；（3）MATLAB仿真效果圖 ； （4）繪制程序流程圖，編寫程序，在CCS中完成編程，并在開發(fā)板中完成調(diào)試； （5）論文書寫規(guī)范。 二、 設(shè)計(jì)方案2.1 自適應(yīng)濾波器的原理 所謂的自適應(yīng)濾波，就是利用前一時(shí)刻以獲得的濾波器參數(shù)的結(jié)果，自動的調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波器實(shí)質(zhì)上就是一種能調(diào)節(jié)其自身傳輸特性以達(dá)到最優(yōu)的維納濾波器。自適應(yīng)濾

3、波器不需要關(guān)于輸入信號的先驗(yàn)知識計(jì)算量小，特別適用于實(shí)時(shí)處理。由于無法預(yù)先知道信號和噪聲的特性或者它們是隨時(shí)間變化的，僅僅用FIR和I I種具有固定濾波系數(shù)的濾波器無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。在這種情況下，必須設(shè)計(jì)自適應(yīng) 濾波器，以跟蹤信號和噪聲的變化。自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過調(diào)整濾波器系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。一般而言，自適應(yīng)濾波器由兩部分組成，一是濾波器結(jié)構(gòu)，二是調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)采用FIR或IIR結(jié)構(gòu)均可，由于IIR濾波器存在穩(wěn)定性問題，因此一般采用FIR濾波器作為自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)。圖2-1示出了自適應(yīng)濾波器的一般結(jié)構(gòu)。 圖2-1 自適應(yīng)濾波器圖2-2是使用自適應(yīng)

4、濾波器的系統(tǒng)識別原理圖。 自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)可以采用FIR或IIR濾波器存在穩(wěn)定性問題，因此一般采用FIR濾波器作為自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)FIR濾波器結(jié)構(gòu)又可分為3種結(jié)構(gòu)類型：橫向型結(jié)構(gòu)對稱橫向型結(jié)構(gòu)以及格型結(jié)構(gòu)。本文采用自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)中最常 用的FIR橫向型結(jié)構(gòu) 圖2-2 FIR橫向型結(jié)構(gòu)2.2 自適應(yīng)IIR濾波器的基本原理 圖2- 3為自適應(yīng)IIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)，其輸入為x(n)，輸出為y(n)，濾波器由系數(shù)IIR濾波器和遞歸算法組成，遞歸算法通過預(yù)測誤差e(n)去調(diào)系數(shù)(n)，以使輸出y(n)按某種準(zhǔn)則逼近于期望響應(yīng)d(n)。為描述濾波器具有零點(diǎn)和極點(diǎn)轉(zhuǎn)移函數(shù)的系數(shù)參數(shù)。濾波器輸

5、出誤差e(n)=d(n)-y(n)是按某種準(zhǔn)則，如均方誤差 （MSE)或遞歸最小二乘(RLS)準(zhǔn)則等，使e2 (n)最小化，可調(diào)整IIR系數(shù)使輸信 號y(n)逼近于期望響應(yīng)d(n) 。 圖2-3 IIR濾波器2.3 IIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)示意圖 根據(jù)前面所介紹的IIR濾波器的傳遞函數(shù)可表示為： 假設(shè)濾波器有m個(gè)零點(diǎn)，n個(gè)極點(diǎn)，且濾波器參數(shù)可調(diào)，這樣H(z)可寫為： IIR濾波器的一般結(jié)構(gòu)，其輸入為x，輸出為u。因此濾波器輸出可表示為以下形式： 2.4 FIR橫向型濾波器的一般結(jié)構(gòu) 如圖2-4所示。這種結(jié)構(gòu)僅包含有由延遲級數(shù)所決定的有限個(gè)存儲單元，可歸結(jié)為有限沖激響應(yīng)（FIR）或橫向?yàn)V波器（Ka

6、llman）。輸入信號被若干延遲單元延時(shí)，其延遲時(shí)間可以是連續(xù)的。這些延遲單元的輸出與存儲的一組權(quán)系數(shù)依次相乘，將其乘積相加得到輸出信號。這意味著輸出是輸入信號與所存儲的權(quán)系數(shù)或沖激響應(yīng)的卷積。這種濾波結(jié)構(gòu)僅包含有零點(diǎn)（因?yàn)闆]有遞歸反饋單元），因此，若要獲得銳截止的頻率特性，則需要有大量的延遲單元。不過，這種濾波器始終是穩(wěn)定的，并能提供線性相位特性。圖2-4是橫向型濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2-4 橫向型濾波器 三、 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖 采用TI公司的DSP芯片 TMS320VC5509，還有電源芯片，上電復(fù)位，時(shí)鐘震蕩，JTAG接口的連接。結(jié)構(gòu)圖3-1如下： 圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

7、圖 3.2 電源電路設(shè)計(jì) 由于TMS320VC5509核電壓為1.6V，端口電壓為3.3V，外圍器件為3.3V，其它器件的提供電壓在3.3V 。TI公司的電源TPS76D318是一個(gè)雙輸出電壓為分離電源，可以由3.3V產(chǎn)生3V和1.6V的電壓輸出，最大輸出電流為1A，可以滿足要求。該器件具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和超低85uA典型靜態(tài)電流，熱關(guān)斷保護(hù)的每一個(gè)調(diào)節(jié)，有個(gè)28引腳。如圖3-2所示： 圖3-2 電源電路3.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電時(shí)可自動復(fù)位，但是為了防止系統(tǒng)受到外界干擾或電源波動時(shí)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，還專門加了外部RESET，主要使用了施密特觸發(fā)器74。如圖3-3 圖3-3 復(fù)位電路3.4 JT

8、AG接口電路設(shè)計(jì) JTAG是基于IEEE 1149. 1 標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測試方式。TI 公司為其大多數(shù)的DSPs 產(chǎn)品都提供了J TAG端口支持。結(jié)合配套的仿真軟件,可訪問DSPs 的所有資源,包括片內(nèi)寄存器及所有的存儲器,從而提供了一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件仿真與調(diào)試環(huán)境,便于開發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)軟件調(diào)試。除上述電路接口外,要使系統(tǒng)板正常地工作,還必須配置跳線和接插座等部分。其中:電源模塊接出一個(gè)插座,以便于外部電壓輸入;音頻編解碼部分需安裝話筒和揚(yáng)聲器;USB 芯片要連接到USB 接口插件,以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的交互。實(shí)用起見,所有這些插件均設(shè)置在電路板邊界部分。最后,對于系統(tǒng)中一些難以事先決定的設(shè)置引腳附近

9、,放置上位/ 下拉電阻,為以后的電路更改或擴(kuò)展提供方便 通過JTAG接口，可以對TMS320VC5509芯片內(nèi)部的所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行訪問，如圖3-4所示： 圖3-4 JTAG接口電路3.5 時(shí)鐘震蕩電路鎖向環(huán)（PLL）模塊主要用來控制DSP內(nèi)核的工作頻率，外部提供一個(gè)參考時(shí)鐘輸入，經(jīng)過PLL倍頻或分頻后提供給DSP內(nèi)核。5509 DSP有倍頻電路，最高頻率到達(dá)200MHz。下圖為本發(fā)板上采用的電路，采用的內(nèi)部振蕩器方式，選用的外部晶振為12M的電路。Y4為實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供的時(shí)鐘震蕩電路。如圖3-5 圖3-5 時(shí)鐘震蕩電路 四、 軟件設(shè)計(jì)4.1 MATLAB7.0仿真本例通過設(shè)計(jì)一個(gè)二階加權(quán)系數(shù)自適

10、應(yīng)橫向FIR濾波器，對一正弦信號加噪聲信號進(jìn)行濾波。為了實(shí)現(xiàn)該功能，得先生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號s(n)和一個(gè)隨機(jī)噪聲信號n(n),然后將s(n)與n(n)相加就得到了加噪后的正弦信號x(n),再依照由LMS算法推導(dǎo)出來的公式（5），設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波算法，對噪聲干擾信號進(jìn)行濾波，最后得到濾波后的信號e(n)。實(shí)現(xiàn)程序代碼如下：cleart=0:1/10000:1-0.0001;%設(shè)置迭代次數(shù)s=sin(2*pi*t);%標(biāo)準(zhǔn)正弦信號n=randn(size(t);%與時(shí)間t等長隨機(jī)信號x=s+n;%加噪信號w=0,0.5;%初始2階加權(quán)系數(shù)u=0.00026;%最佳參數(shù)for i=1:9999;%

11、自適應(yīng)算法y(i+1)=n(i:i+1)*w;e(i+1)=x(i+1)-y(i+1);w=w+2*u*e(i+1)*n(i:i+1);end;%畫圖程序figure(1)subplot(4,1,1)plot(t,n);title(Noise signal);xlabel(t);ylabel(n(t);subplot(4,1,2)plot(t,s);title(Sinusoidal signal);xlabel(t);ylabel(s(t);subplot(4,1,3)plot(t,x);title(Sinusoidal signal with noise);xlabel(t);ylabel(

12、x(t);subplot(4,1,4)plot(t,e);title(theresultoffiltering);xlabel(t);ylabel(e(t)4.2 自適應(yīng)濾波算法的DSP實(shí)現(xiàn) 4.2.1 自適應(yīng)濾波算法 由Widrow和Hoff引入的最小均方(LMS)算法，由于其簡單性、運(yùn)算高效性各種運(yùn)行條件下良好的性能，而被廣泛應(yīng)用?；谔荻鹊淖钚【?LMS)算法是最基本的算法，其含義相對簡單明了。選定均方誤差為權(quán)矢量二次函數(shù)時(shí)，性能度量曲線可以形象地看成一個(gè)碗形曲面這樣自適應(yīng)處理器的任務(wù)便是不斷地向最低點(diǎn)逼近，即可以通過計(jì)算梯度的方法實(shí)現(xiàn)性能度量的最優(yōu)化。而基于梯度的算法中，最簡單的一種

13、就是最小均方算法LMS算法，LMS算法使用的準(zhǔn)則是使均衡器的期望輸出值和實(shí)際輸出值之間的均方誤差(MSE)最小化的準(zhǔn)則，依據(jù)輸入信號在迭代過程中估計(jì)梯度矢量，并更新權(quán)系數(shù)以達(dá)到最優(yōu)的自適應(yīng)迭代算法。這算法不需要計(jì)算相應(yīng)的相關(guān)函數(shù)，也不需要進(jìn)行矩陣運(yùn)算。自適應(yīng)濾波器最普通的應(yīng)用就是橫向結(jié)構(gòu)。濾波器的輸出信號y(n)是y(n)T表示轉(zhuǎn)置矩陣， n是時(shí)間指針，N是濾波器次數(shù)。這個(gè)例子就是有限脈沖響應(yīng)濾波器的形式，為x(n)和w(n)兩個(gè)矩陣卷積。 這種自適應(yīng)算法使用誤差信號： 為了方便起見，將上述式子表示為向量形式，則上述式子表示為： 誤差序列可寫為： 其中d(n)是期望信號，y(n)是濾波器的輸出

14、。使用輸入向量x(n)和e(n)來更新自適應(yīng)濾波器的最小化標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)系數(shù)。 顯然，自適應(yīng)濾波器控制機(jī)理是用誤差序列e(n)按照某種準(zhǔn)則和算法對其系數(shù)wi(n)，i=1，2，N進(jìn)行調(diào)節(jié)的，最終使自適應(yīng)濾波的目標(biāo)(代價(jià))函數(shù)最小化，達(dá)到最佳濾波狀態(tài)。 本節(jié)所用的標(biāo)準(zhǔn)是最小均方誤差(MSE)。 E表示算子期望。假如公式中的y(n)被公式(3.3)取代，公式(3.5)就可以表示為 是N *N 自相關(guān)矩陣，是輸入信號的自相關(guān)矩陣。 是N*1互相關(guān)向量，也指出了期望信號d(n)和輸入信號向量x(n)的 相互關(guān)矢量。最優(yōu)解 最小化MSE，源自解這個(gè)公式 將式(2-12)對w求其偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零，假設(shè)矩陣

15、R滿秩(非奇異)， 可得代價(jià)函數(shù)最小的最佳濾波系數(shù) 這個(gè)解稱為維納解，即最佳濾波系數(shù)值。因?yàn)榫秸`差mse函數(shù)是濾波系數(shù)w的二次方程，由此形成一個(gè)多維的超拋物面，這好像一個(gè)碗狀曲面又具有唯一的碗底最小點(diǎn)，通常稱之為自適應(yīng)濾波器的誤差性能曲面。當(dāng)濾波器工作在平穩(wěn)隨機(jī)過程的環(huán)境下，這個(gè)誤差性能曲面就具有固定邊緣的恒定形狀。自適應(yīng)濾波系數(shù)的起始值wi(0)，i=1，2，N是任意值，位于誤差性能曲面上某一點(diǎn)，經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程，使對應(yīng)于濾波系數(shù)變化的點(diǎn)移動，朝碗底最小點(diǎn)方向移動，最終到達(dá)碗底最小點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了最佳維納濾波。 自適應(yīng)過程是在梯度矢量的負(fù)方向接連的校正濾波系數(shù)的，即在誤差性能曲面的最陡下降法方

16、向移動和逐步校正濾波系數(shù)，最終到達(dá)均方誤差為最小的碗底最小點(diǎn)，獲得最佳濾波或準(zhǔn)最優(yōu)工作狀態(tài)。廣泛使用的LMS算法是一種選擇性法適應(yīng)采樣和采樣基礎(chǔ)。這個(gè)方法可以避免復(fù)雜的計(jì)算。LMS算法是最陡下降法，在這個(gè)算法中，向量w(n+1)通過改變對最小均方誤差性能的負(fù)梯度比例自適應(yīng)濾波算法及應(yīng)用研究來增強(qiáng)。4.2.2 DSP實(shí)現(xiàn) 數(shù)字信號處理(DSP)是指人們利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對信號進(jìn)行采集，變換，濾波，估值，增強(qiáng)，壓縮，識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。其框圖如圖4-1所示。 圖4-1 DSP流程框圖根據(jù)算法和DSP匯編語言程序, 在CCS 環(huán)境下編譯,連接生成公共目標(biāo)代碼

17、文件,在線下載到DSP 中運(yùn)行。為了能觀察到相應(yīng)的波形, 在CCS 環(huán)境下選擇View Grap h Time Freqency 進(jìn)入圖形觀察窗口,在“Graph PropertyDialog”窗口中選定相應(yīng)類型的值。將編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件下載到DSP芯片中，經(jīng)過運(yùn)行得到輸入信號的時(shí)域圖，正弦信號中疊加了噪聲，導(dǎo)致正弦信號出現(xiàn)了較大的畸變。通過對輸入信號進(jìn)行FFT變換，低頻的信號中疊加了比較多的高頻噪聲，要得到比較好的原始低頻正弦信號，必須要進(jìn)行濾波。實(shí)驗(yàn)程序流程圖如下圖4-6： 圖4-6 程序流程圖程序設(shè)計(jì)的整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程主要分為3個(gè)步： (1)濾波運(yùn)算前的相關(guān)運(yùn)算單元、寄存器以及變量的初始化

18、； 原始信號xxi=256*sin(i*2*PI/34); (2)根據(jù)輸入的采樣值計(jì)算濾波器的輸出并求出誤差； 這一步是最重要的濾波計(jì)算，我們用FIRLMS(int *nx,float *nh,int nError,int nCoeffNumber) 這個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。其完整代碼是int FIRLMS(int *nx,float *nh,int nError,int nCoeffNumber) int i,r; float fWork; r=0; for ( i=0;inCoeffNumber;i+ ) fWork=nxi*nError*fU; nhi+=fWork; r+=(nxi-i*nhi

19、); r/=128; return r; 收斂因子fU=0.0005。nError是上一次的誤差值, fWork是當(dāng)前的濾波器權(quán)系數(shù),輸出值r。這里實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法中-=的公式。輸出值y（n）等于輸入值 x(n-1)*w(i)的積分。 (3)根據(jù)LMS算法的迭代公式更新濾波器參數(shù)，有新的采樣輸入后轉(zhuǎn)到第二步循環(huán)執(zhí)行。把一信號進(jìn)行采樣。把采樣點(diǎn)放在數(shù)字中。這里用到了輸入信號數(shù)組xx,輸出信號數(shù)組rr,誤差數(shù)組wc，以及濾波器權(quán)系數(shù)h。通過for循環(huán)語句進(jìn)行一個(gè)一個(gè)樣點(diǎn)值濾波計(jì)算。得到想要的結(jié)果。 for ( i=COEFFNUMBER+1;iINPUTNUMBER;i+ ) nLastOutput

20、=FIRLMS(xx+i,h,nLastOutput-xxi-1,COEFFNUMBER); rri=nLastOutput; wci=rri-xxi; 用FIRLMS函數(shù)得到了一個(gè)濾波后的樣點(diǎn)信號值nLastOutput 存放在輸出信號數(shù)組rr中。for循環(huán)一個(gè)一個(gè)得到濾波過的信號值第INPUTNUMBER=1024個(gè)為止。自適應(yīng)濾波代碼如下：#includemath.h#define PI 3.1415926#define COEFFNUMBER 16#define INPUTNUMBER 1024int FIRLMS(int *nx,float *nh,int nError,int nCoeffNumber);float hCOEFFNUMBER,fU;int xxINPUTNUMBER,rrINPUTNUMBER,wcINPUTNUMBER;main()int i,nLastOutput;nLastOutput=0;fU=0.0005;for ( i=0;iCOEFFNUMBER;i+ )hi=0;for ( i=0;iINPUTNUMBER;i+ )xxi=256*sin(i*2*PI/34);rri=wci=0;for ( i