基于DSP的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)開題報(bào)告書,文獻(xiàn)綜述

-.z開題報(bào)告表課題名稱基于DSP的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)課題來源課題類型CY指導(dǎo)教師學(xué)生**學(xué)號專業(yè)電子信息工程設(shè)計(jì)目的：隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理己成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)字濾波在通信、語音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字濾波作為數(shù)字信號處理的重要組成局部有著十分廣泛的應(yīng)用前景。用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、不受外界影響等優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈活性好的特點(diǎn)，可對芯片編程來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的參數(shù)修改，進(jìn)而十分方便地修改濾波器的特性。因此基于DSP的數(shù)字濾波被廣泛應(yīng)用于語音、圖像、軟件無線電等領(lǐng)域，具有廣闊的開展空間。通過本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生系統(tǒng)的掌握所學(xué)過的數(shù)字信號處理的知識，熟練的應(yīng)用DSP器件。內(nèi)容及要求：1.熟悉MATLAB的編程語言和數(shù)字信號處理的相關(guān)知識。2.研究在MATLAB環(huán)境下IIR數(shù)字濾波器的模型。3.設(shè)計(jì)一個(gè)價(jià)格低、功耗小、精度高的IIR數(shù)字濾波器系統(tǒng)。4．研究IIR濾波器在DSP中的具體實(shí)現(xiàn)方法。編寫一套可行高效的數(shù)字濾波器程序。思路與預(yù)期成果：數(shù)字濾波器的根本理論：數(shù)字濾波的開展前景、構(gòu)造、表達(dá)方式及實(shí)現(xiàn)方法；濾波器技術(shù)指標(biāo)確實(shí)定；數(shù)字濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)：MATLAB程序設(shè)計(jì)與仿真；數(shù)字濾波器在DSP上的實(shí)現(xiàn)：MATLAB與DSP的連接、DSP周邊電路的連接、DSP程序設(shè)計(jì)及仿真。任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排：第1周～第2周：圖書館查找資料，消化資料第3周～第4周：翻譯英文材料第5周～第8周：熟悉MATALB語音和DSP芯片及編程語言第9周～第12周：硬件及程序設(shè)計(jì)第13周～第15周：完成論文指導(dǎo)教師簽名：日期：文獻(xiàn)綜述1引言數(shù)字濾波器準(zhǔn)確度高、使用靈活、可靠性高，具有模擬設(shè)備所沒有的許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,例如數(shù)字電視、語音、通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字濾波器按實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造或者從單位脈沖響應(yīng)，分為IIR〔無限脈沖響應(yīng)〕和FIR〔有限脈沖響應(yīng)〕濾波器。如果IIR濾波器和FIR濾波器具有一樣的性能，則通常IIR濾波器可以用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，執(zhí)行速度更快，所有的儲存單元更少，所有既經(jīng)濟(jì)又高效。本課題主要應(yīng)用MATLAB軟件設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，并對所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)展仿真；應(yīng)用DSP集成開發(fā)環(huán)境——CCS調(diào)試匯編程序，文章介紹IIR數(shù)字濾波器在DSP中的實(shí)現(xiàn)方法。DSP芯片是一種特別適合數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，主要用來實(shí)時(shí)、快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。用DSP芯片實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，不僅具有準(zhǔn)確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，而且因DSP芯片的可編程性，可方便地修改濾波器參數(shù)，從而改變?yōu)V波器的特性，設(shè)計(jì)十分靈活。2主要內(nèi)容2.1數(shù)字IIR濾波器的理論設(shè)計(jì)分析數(shù)字濾波器實(shí)際上是一個(gè)采用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性非時(shí)變離散系統(tǒng)，濾波器的功能實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是通過大量的加法運(yùn)算和乘法運(yùn)算完成的。IIR數(shù)字濾波器差分方程的一般形式為：〔1〕從IIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)來看，有直接型、級聯(lián)型、并聯(lián)型和格型等根本網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。不同的構(gòu)造形式會有不同的運(yùn)算誤差，其穩(wěn)定性、運(yùn)算速度、所占用的存儲空間等也有所不同[3]。其中直接Ⅱ型僅需要N級延遲單元，且可作為級聯(lián)型和并聯(lián)型構(gòu)造中的根本單元，是最常用的IIR數(shù)字濾波器構(gòu)造之一。

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有兩類[4]，一類是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出模擬濾波器，利用沖激響應(yīng)不變法或雙線性變換法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器，然后用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)；另一類是直接在頻域或時(shí)域中進(jìn)展設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算機(jī)作輔助工具。對系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

〔2〕

的IIR數(shù)字波濾器來說，設(shè)計(jì)的任務(wù)就是尋求一種因果關(guān)系和物理上可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(z)，使其頻率響應(yīng)H(ejω)能夠滿足所希望得到的頻域指標(biāo)。2.2IIR數(shù)字濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)根據(jù)以上IIR數(shù)字濾波器理論分析，下面運(yùn)用雙線性變換法基于MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)IIR帶通濾波器，其中帶通的中心頻率為ωp0=0.5π，;通帶截止頻率ωp1=0.4π,ωp2=0.6π;通帶最大衰減αp=3dB;阻帶最小衰減αs=15dB;阻帶截止頻率ωs2=0.7π(1)根據(jù)任務(wù),確定性能指標(biāo):在設(shè)計(jì)帶通濾波器之前,首先根據(jù)工程實(shí)際的需要確定濾波器的技術(shù)指標(biāo):帶通濾波器的阻帶邊界頻率關(guān)于中心頻率ωp0幾何對稱，因此ws1=wp0-(ws2-wp0)=0.3π通帶截止頻率wc1=0.4π,wc2=0.6π;阻帶截止頻率wr1=0.3π，wr2=0.7π；阻帶最小衰減αs=3dB和通帶最大衰減αp=15dB;(2)用Ω=2/T*tan(w/2)對帶通數(shù)字濾波器H(z)的數(shù)字邊界頻率預(yù)畸變，得到帶通模擬濾波器H(s)的邊界頻率主要是通帶截止頻率ωp1,ωp2;阻帶截止頻率ωs1，ωs2的轉(zhuǎn)換。為了計(jì)算簡便，對雙線性變換法一般T=2s通帶截止頻率wc1=(2/T)*tan(wp1/2)=tan(0.4π/2)=0.7265wc2=(2/T)*tan(wp2/2)=tan(0.6π/2)=1.3764阻帶截止頻率wr1=(2/T)*tan(ws1/2)=tan(0.3π/2)=0.5095wr2=(2/T)*tan(ws2/2)=tan(0.7π/2)=1.9626阻帶最小衰減αs=3dB和通帶最大衰減αp=15dB;(3)運(yùn)用低通到帶通頻率變換公式λ=(((Ω^2)-(Ω0^2))/(B*Ω))將模擬帶通濾波器指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器指標(biāo)：normwc，normwr，αp，αs(4)設(shè)計(jì)模擬低通原型濾波器。用模擬低通濾波器設(shè)計(jì)方法得到模擬低通濾波器的傳輸函數(shù)Ha(s);借助巴特沃斯(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev)濾波器、橢圓(Cauer)濾波器、貝塞爾(Bessel)濾波器等。(5)調(diào)用lp2bp函數(shù)將模擬低通濾波器轉(zhuǎn)化為模擬帶通濾波器。(6)利用雙線性變換法將模擬帶通濾波器Ha(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字帶通濾波器H(z).低通原型的每一個(gè)邊界頻率都映射為帶通濾波器兩個(gè)相應(yīng)的邊界頻率。根據(jù)通帶截至頻率和阻帶截至頻率與頻譜函數(shù)曲線比擬，滿足設(shè)計(jì)要求。MATLAB程序設(shè)計(jì)流程圖如圖：2.3IIR數(shù)字濾波器在DSP上的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor)是一種適合對數(shù)字信號進(jìn)展高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其主要用來實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代，DSP己成為通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和其它電子產(chǎn)品的根底器件。作為嵌入式芯片的一種，DSP芯片是一種非常適合于進(jìn)展數(shù)字信號處理的微處理器芯片，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運(yùn)算。具有指令靈活、可操作性強(qiáng)、速度快以及支持并行運(yùn)算和C語言等的性價(jià)比擬高的一類DSP的CPU構(gòu)造主要包括四種功能單元：即指令緩沖單元〔I單元〕，程序流程單元〔P單元〕，地址數(shù)據(jù)流程單元〔A單元〕和數(shù)據(jù)計(jì)算單元〔D單元〕。其顯著特點(diǎn)可以歸納如下：1．哈佛構(gòu)造2．流水線3．專用的硬件乘法器4．特殊的DSP指令5．快速的指令周期6.擁有簡便的單片內(nèi)存和內(nèi)存接口7.采用多總線構(gòu)造。功耗低，速度快，因而在通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。IIR數(shù)字濾波器在DSP上的設(shè)計(jì)過程如下：

(1)根據(jù)指標(biāo)確定濾波器的類型，設(shè)計(jì)出濾波器的參數(shù)；低通IIR數(shù)字濾波器的參數(shù)如下：采樣率為16000Hz，截止頻率為500Hz，采用butterworth模型設(shè)計(jì)時(shí)階數(shù)為7階。從理論上說，可以用高階IIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。但由于DSP本身有限字長和精度的因素，加上IIR濾波器在構(gòu)造上存在反應(yīng)回路，是遞歸型的，再者高階濾波器參數(shù)的動(dòng)態(tài)*圍很大。這樣一來造成兩個(gè)后果：結(jié)果溢出和誤差增大，從而導(dǎo)致算法無法在DSP上實(shí)現(xiàn)。

(2)根據(jù)DSP的特點(diǎn)〔字長、精度等〕對參數(shù)進(jìn)展取舍、量化，然后進(jìn)展仿真；

(3)根據(jù)仿真結(jié)果對濾波器的構(gòu)造、參數(shù)再次進(jìn)展調(diào)整,直到滿足要求為止；

(4)在DSP上用語言實(shí)現(xiàn)濾波器功能。系統(tǒng)總體框圖定點(diǎn)DSP芯片，既可以做定點(diǎn)運(yùn)算，也可以做浮點(diǎn)運(yùn)算。一個(gè)算法，既可以用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)，也可以用高級語言〔C，C++〕實(shí)現(xiàn)。而一個(gè)IIR數(shù)字濾波器是否可以在DSP上實(shí)現(xiàn)，最終要看此算法是否滿足兩個(gè)條件：執(zhí)行時(shí)間和精度。一個(gè)算法的精度再高，如果做不到實(shí)時(shí)，也沒有實(shí)用價(jià)值；相反，如果執(zhí)行時(shí)間很快，但精度滿足不了要求，也就無從實(shí)現(xiàn)濾波功能。IIR數(shù)字濾波器在DSP上的實(shí)現(xiàn)思路，應(yīng)該是在滿足上面兩個(gè)條件的前提下，找到盡可能簡易的實(shí)現(xiàn)方法。DSP程序流程圖如下：3總結(jié)通過對IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，了解了數(shù)字濾波是信號處理中的重要局部，研究了數(shù)字濾波器的根本理論、實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器理論，掌握了各種數(shù)字濾波器的原理和特性，為數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)急今后的學(xué)習(xí)與工作奠定了理論根底。熟悉了MATLAB的運(yùn)行環(huán)境，掌握MATLAB語言在數(shù)字信號處理中一些根本庫函數(shù)的調(diào)用和編寫根本程序等應(yīng)用；熟悉了濾波器設(shè)計(jì)的一般原理，對濾波器有了一個(gè)感性的認(rèn)識；學(xué)會了數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)的一般步驟；加深了對濾波器設(shè)計(jì)中產(chǎn)生誤差的原因以及雙線性變換法優(yōu)缺點(diǎn)的理解和認(rèn)識。IIR數(shù)字濾波器以它優(yōu)越的性能，在電力、通信和測控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對TI公司的DSP，表達(dá)IIR數(shù)字濾波器的理論設(shè)計(jì)及在DSP的硬件以及軟件實(shí)現(xiàn)過程。思考討論MATLAB與DSP之間的連接，使系數(shù)快速傳遞。根據(jù)其實(shí)現(xiàn)思路設(shè)計(jì)出符合要求的濾波器。IIR數(shù)字濾波器以它優(yōu)越的性能，在電力、通信和測控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對TI公司的DSP，表達(dá)IIR數(shù)字濾波器的理論設(shè)計(jì)及在DSP的硬件以及軟件實(shí)現(xiàn)過程。4主要參考文獻(xiàn)1、高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理.**電子科技大學(xué)，2008.82、吳冬梅，電子通信系列實(shí)用規(guī)劃教材.大學(xué)，2006.83、李哲英，駱麗，*元盛.DSP根底理論與應(yīng)用技術(shù).航空航天大學(xué)，20014、朱銘浩，趙勇，甘泉.DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).：電子工業(yè)，20025、*君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)〔第2版〕.高等教育，20076、*泉，闕大順.數(shù)字信號處理原理與實(shí)現(xiàn).電子工業(yè)大學(xué)，2005.87、文瑋瑋，董金明.數(shù)字濾波器在定點(diǎn)DSP上的實(shí)現(xiàn).遙測遙控，20028、*佳春.數(shù)字濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)與DSP上的實(shí)現(xiàn).20039、*雄偉，陳亮.DSP芯片原理與開發(fā)應(yīng)用.電子工業(yè).200310、程佩青.數(shù)字信號處理教程(第三版).清華大學(xué).2010.511、陳厚金.信號與系統(tǒng).高等教育.2007.1212、鄒彥、唐東等.DSP原理及其應(yīng)用.高等教育.200813、黃席椿高順良.濾波器綜合法設(shè)計(jì)原理.:人民郵電出版社,1978.309-316,261-270.14、程佩青.數(shù)字濾波與快速傅里葉變換.:清華大學(xué),1990.15、彭啟琮.DSP集成開發(fā)環(huán)境——CCS及DSP/BIOS的原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2004.16、沈永歡梁在中等.實(shí)用數(shù)學(xué)手冊.:科學(xué),2001.726-732.17、TMS320C54*DSPReferenceSet,Volume3:AlgebraicInstructionSet18、邢培育.*克清.一種基于TMS320C5402的數(shù)字IIR濾波器設(shè)計(jì)