基于DSP的FIR數(shù)字濾波器(設計實驗)

PAGEPAGE4基于DSP的FIR數(shù)字濾波器(設計實驗)一、實驗目的1.了解FIR（FiniteImpulseResponse有限沖激響應）濾波器的原理及使用方法；2.了解使用MATLAT語言設計FIR濾波器的方法；3.了解DSP對FIR濾波器的設計及編程方法；4.熟悉在CCS環(huán)境下對FIR濾波器的調試方法；二、實驗原理數(shù)字濾波是DSP的最基本應用，利用MAC（乘、累加）指令和循環(huán)尋址可以方便地完成濾波運算。兩種常用的數(shù)字濾波器：FIR（有限沖激響應）濾波器和IIR（無限沖激響應）濾波器的DSP實現(xiàn)。設FIR濾波器的系數(shù)為h(0)，h(1)，...，h(N-1)，X(n)表示濾波器在n時刻的輸入，則n時刻的輸出為：FIR數(shù)字濾波器的結構如圖3.1所示。圖3.1FIR數(shù)字濾波器的結構圖1、線性緩沖區(qū)法又稱延遲線法。其方法是：對于n=N的FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個N單元的緩沖區(qū)，存放最新的N個樣本；濾波時從最老的樣本開始，每讀一個樣本后，將此樣本向下移位；讀完最后一個樣本后，輸入最新樣本至緩沖區(qū)的頂部。以上過程，可以用N=6的線性緩沖區(qū)示意圖來說明，如圖3-2所示圖3-2N=6的線性緩沖區(qū)示意圖2、循環(huán)緩沖區(qū)法圖3-3說明了使用循環(huán)尋址實現(xiàn)FIR濾波器的方法。對于N級FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲區(qū)開辟一個稱為滑窗的具有N個單元的緩沖區(qū)，滑窗中存放最新的N個輸入樣本值。每次輸入新的樣本時，新的樣本將改寫滑窗中最老的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)則不需要移動。圖3-3FIR濾波器循環(huán)緩沖區(qū)存儲器圖三、實驗內容與步驟設計一個FIR低通濾波器，通帶邊界頻率為1500Hz，通帶波紋小于1dB；阻帶邊界頻率為2000Hz，阻帶衰減大于40dB；采樣頻率為8000Hz。FIR濾波器的設計可以用MATLAB窗函數(shù)法進行。本實驗設計一個采樣頻率Fs為8000Hz，輸入信號頻率為1000Hz和2500Hz的合成信號，通過設計的低通濾波器將2500Hz信號濾掉，余下1000Hz信號。1、MATLAB設計FIR濾波器FIR濾波器的設計可以用MATLAB窗函數(shù)法進行，選擇Hamming窗，其程序為：b=fir1(16,1500/8000*2);得到FIR數(shù)字濾波器系數(shù)b為：b0=0.00000000b9=0.28342322b1=0.00482584b10=0.09725365b2=0.00804504b11=-0.02903702b3=-0.00885584b12=-0.04291741b4=-0.0429174b13=-0.00885584b5=-0.02903702b14=0.00804504b6=0.09725365b15=0.00482584b7=0.28342322b16=0.00000000B8=0.37452503在DSP匯編語言中，不能直接輸入十進制小數(shù)，在MATLAB中進行如下轉換：h=round(b*2^15)將系數(shù)轉換為Q15的定點小數(shù)形式，為：h(0)=0h(9)=9287h(1)=158h(10)=3187h(2)=264h(11)=-951h(3)=-290h(12)=-1406h(4)=-1406h(13)=-290h(5)=-951h(14)=264h(6)=3187h(15)=158h(7)=9287h(16)=0h(8)=122722、編寫FIR數(shù)字濾波器的匯編程序;一個FIR濾波器源程序fir.asm .mmregs .globalstart4、實驗步驟及結果(1)在CCS上建立fir工程并運行fir.out程序。建立fir工程，將fir.asm和fir.cmd添加到工程中，對匯編程序進行匯編、鏈接；如果有錯誤則進行修改、調試，當匯編、鏈接成功后，加載并運行fir.out程序。注意，將fir.asm、fir.cmd、firin.inc文件和fir.pjt工程文件放在同一文件夾下。(2)觀察輸入信號的波形及頻譜。單擊View→Graph→Time/Frequency命令，按照如圖3-4所示改變各選項。其中，由.cmd可知輸入信號的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)區(qū)0x2400開始的256個單元中。圖3-4Graph屬性設置窗口單擊OK按鈕，則顯示輸入信號的時域波形如圖3-5所示。其波形是頻率為1000Hz和2500Hz正弦信號的合成信號。圖3-5輸入信號的時域波形將圖3-4中的DsiplayType項改為FFTMagnitude，則顯示輸入信號的頻譜圖，如圖3-6所示。圖3-6輸入信號的頻譜圖3、觀察輸出信號的波形及頻譜。單擊View→Graph→Time/Frequency命令，按照如圖3-7所示改變各選項。其中，由.cmd可知輸出信號的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)區(qū)0x2500開始的256個單元中。圖3-7Graph屬性設置窗口單擊OK按鈕，將顯示濾波器輸出信號時域波形，如圖3-8所示。圖3-8輸出信號的時域波形圖3-9輸出信號的頻譜圖5、系數(shù)對換FIR濾波器的實現(xiàn)系數(shù)對換FIR濾波器由于具有線性相位，因此應用很廣。一個N=8的FIR濾波器，若h(n)=h(N-1-n)，就是對換FIR濾波器，其輸出方程為：總共有8次乘法和7次加法。如改寫成：變成4次乘法和7次加法，乘法運算次數(shù)減少了一半，特別是當階數(shù)較高時，利用系數(shù)對稱的特點，可以明顯減少運算量。（1）FIR濾波器設計在MATLAB下輸入：B=fir1(15,1500/8000*2);H=round(b*2^15);將系數(shù)轉換為Q15的定點小數(shù)形式則濾波器系數(shù)為：h(0)=62h(8)=11439h(1)=188h(9)=6202h(2)=86h(10)=625h(3)=-764h(11)=-1453h(4)=-1453h(12)=-764h(5)=625h(13)=86h(6)=6202h(14)=188h(7)=11439h(15)=62系數(shù)對稱FIR數(shù)字濾波器匯編程序如下： .mmregs .globalstart .def start,_c_int00KS .set 256 ;輸入樣本數(shù)據(jù)個數(shù)N.set16 ;FIR濾波器階數(shù)COEF_FIR .sect"COEF_FIR" ;FIR濾波器系數(shù) .word 62 .word188 .word86 .word-764 .word-1453 .word625 .word6202 .word11439 .dataINPUT .copy "firin.inc";輸入數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)0x2400OUTPUT .space 1024;輸出數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)0x2500x_new.usect"DATA1",N/2x_old.usect"DATA2",N/2size.setN/2 .text_c_int00 b start nop nopstart: SSBX FRCT ;設置FRCT(小數(shù)方式)位STM#x_new,AR2 ;AR2指向New緩沖區(qū)第一個單元STM#x_old+(size-1),AR3;AR3指向Old緩沖區(qū)最后一個單元STM#-1,AR0STM #INPUT,AR4 ;模擬輸入數(shù)據(jù)指針初始化 STM #OUTPUT,AR5 ;濾波器輸出數(shù)據(jù)指針初始化 STM #KS-1,BRC RPTBD LOOP-1 STM #size,BK ;循環(huán)緩沖區(qū)塊大小BK=size LD *AR4+,A STL A,*AR2FIR_FILTER:ADD *AR2+0%,*AR3+0%,ARPTZB,#size-1 FIRS*AR2+0%,*AR3+0%,COEF_FIR STH B,*AR5+ MAR*+AR2(2)%MAR*AR3+%MVDD*AR2,*AR3+0%LOOP:ENDB END .end鏈接命令文件如下：fir2.obj-m fir2.map-o fir2.outMEMORY{ PAGE0:ROM1(RIX) :ORIGIN=0080H,LENGTH=1000H PAGE1:INTRAM1(RW):ORIGIN=2400H,LENGTH=0200HINTRAM2(RW):ORIGIN=2600H,LENGTH=0100H INTRAM3(RW):ORIGIN=2700H,LENGTH=0100H B2B(RW) :ORIGIN=0070H,LENGTH=10H}SECTIONS{ .text : {}>ROM1