完美版-FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

1引言數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing，簡(jiǎn)稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速開展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的開展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。數(shù)字信號(hào)處理的算法需要利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號(hào)處理器〔DSP〕和專用集成電路〔ASIC〕等。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備所無法比較的。數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字信號(hào)處理的核心算法是離散傅立葉變換(DFT)，是DFT使信號(hào)在數(shù)字域和頻域都實(shí)現(xiàn)了離散化，從而可以用通用計(jì)算機(jī)處理離散信號(hào)。而使數(shù)字信號(hào)處理從理論走向?qū)嵱玫氖强焖俑盗⑷~變換(FFT)，F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量，使實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理成為可能、極大促進(jìn)了該學(xué)科的開展。DSP〔digitalsignalprocessor〕是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。1.1DSP微處理器芯片的主要特點(diǎn)：〔1〕在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；〔2〕程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；〔3〕片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；〔4〕具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；〔5〕快速的中斷處理和硬件I/O支持；〔6〕具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；〔7〕可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；〔8〕支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。1.2DSP優(yōu)點(diǎn)：〔1〕對(duì)元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響??；〔2〕容易實(shí)現(xiàn)集成；〔3〕可以分時(shí)復(fù)用，共享處理器；〔4〕方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波；〔5〕可用于頻率非常低的信號(hào)；〔6〕可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級(jí)聯(lián)、易于存儲(chǔ)等。1.3DSP技術(shù)的應(yīng)用語音處理：語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、語音郵件、語音儲(chǔ)存等。圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識(shí)別、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強(qiáng)等。軍事；保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺(tái)、搜索和反搜索等。儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。自動(dòng)控制：控制、深空作業(yè)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等。醫(yī)療：助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)、心電圖等。家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。1.4實(shí)現(xiàn)方法1.在通用的計(jì)算機(jī)〔如PC機(jī)〕上用軟件〔如Fortran、C語言〕實(shí)現(xiàn)；－－速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬2.在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)；－－專用性強(qiáng)，不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行3.用通用的單片機(jī)〔如MCS-51、96系列等〕實(shí)現(xiàn)。這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等；－－只適用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DSP算法4.用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法；－－應(yīng)用較多5.用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，例如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)等算法的DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無需進(jìn)行編程。－－專用性強(qiáng)1.5數(shù)字信號(hào)處理特點(diǎn)精度高：在模擬系統(tǒng)的電路中，元器件精度要到達(dá)10-3以上已經(jīng)不容易了，而數(shù)字系統(tǒng)17位字長(zhǎng)可以到達(dá)10-5的精度，這是很平常的。例如，基于離散傅里葉變換的數(shù)字式頻譜分析儀，其幅值精度和頻率分辨率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬頻譜分析儀。靈活性強(qiáng)：數(shù)字信號(hào)處理采用了專用或通用的數(shù)字系統(tǒng)，其性能取決于運(yùn)算程序和乘法器的各系數(shù)，這些均存儲(chǔ)在數(shù)字系統(tǒng)中，只要改變運(yùn)算程序或系數(shù)，即可改變系統(tǒng)的特性參數(shù)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多?？梢詫?shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難到達(dá)的指標(biāo)或特性：例如：有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位；在數(shù)字信號(hào)處理中可以將信號(hào)存儲(chǔ)起來，用延遲的方法實(shí)現(xiàn)非因果系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)；數(shù)據(jù)壓縮方法可以大大地減少信息傳輸中的信道容量?？梢詫?shí)現(xiàn)多維信號(hào)處理：利用龐大的存儲(chǔ)單元，可以存儲(chǔ)二維的圖像信號(hào)或多維的陣列信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二維或多維的濾涉及譜分析等。2軟件介紹2.1MATLAB軟件MATLAB軟件介紹MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室〞〔MATrixLABoratoy〕的縮寫，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種集科學(xué)運(yùn)算、程序設(shè)計(jì)、高質(zhì)量的可視化與界面設(shè)計(jì)，以及便于與其他程序和語言借口的軟件。目前，MATLAB已經(jīng)成為自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等諸多學(xué)科極有效的工具。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司推出的一種面向工程和科學(xué)計(jì)算的交互式計(jì)算軟件。它以矩陣運(yùn)算為根底，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合在一個(gè)簡(jiǎn)單易用的交互式工作環(huán)境中，是一款數(shù)據(jù)分析和處理功能都非常強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件。Matlab是一個(gè)交互式的系統(tǒng)，它的根本運(yùn)算單元是不需指定維數(shù)的矩陣，按照IEEE的數(shù)值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)〔能正確處理無窮數(shù)Inf(Infinity)、無定NaN(not-a-number)及其運(yùn)算〕進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)提供了大量的矩陣及其它運(yùn)算函數(shù)，可以方便地進(jìn)行一些很復(fù)雜的計(jì)算，而且運(yùn)算效率極高。Matlab命令和數(shù)學(xué)中的符號(hào)、公式非常接近，可讀性強(qiáng)，容易掌握，還可利用它所提供的編程語言進(jìn)行編程完成特定的工作。除根本局部外，Matlab還根據(jù)各專門領(lǐng)域中的特殊需要提供了許多可選的工具箱，如應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的ControlSystem工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中NeuralNetwork工具箱等。MATLAB主要特點(diǎn)1.語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)憂函數(shù)的可靠性。可以說，用MATLAB進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。2.運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。3.MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句〔如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句〕，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?.程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用。5.程序的可移植性很好，根本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。6.MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。7.MATLAB的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢。8.功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個(gè)局部：核心局部和各種可選的工具箱。核心局部中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，control,toolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的根底程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。9.源程序的開放性。開放性也許是MATLAB最受人們歡送的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對(duì)源文件的修改以及參加自己的文件構(gòu)成新的工具箱。2.1.31.wavread函數(shù)：[y,fs,bits]=wavread('Blip')用于讀取語音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。sound(x,fs,bits);用于對(duì)聲音的回放。向量y那么就代表了一個(gè)信號(hào)〔也即一個(gè)復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式〞〕也就是說可以像處理一個(gè)信號(hào)表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。2.FFT函數(shù)：FFT用于序列快速傅立葉變換。其調(diào)用格式為：y=fft(x)。其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣：假設(shè)x為一向量，y是x的FFT，且和x相同長(zhǎng)度。假設(shè)x為一矩陣，那么y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。3.Fir1函數(shù)：fir1函數(shù)是基于窗函數(shù)的FIR濾波器設(shè)計(jì)——標(biāo)準(zhǔn)頻率響應(yīng)形狀。其調(diào)用格式為b=fir1(N,we,’ftype’,window)。ftype和window可以默認(rèn)。b=fir1(N,wc)可得到截止頻率為wc且滿足線性相位條件的N階FIR低通濾波器，window默認(rèn)選用hamming窗。其單位脈沖響應(yīng)h(n)為：h(n)=b(n+1)，n=0,1,2,…,N。當(dāng)wc=[wc1,wc2]時(shí)，得到的是通帶為wc1<w<wc2的帶通濾波器。b=fir1(N,wc,’ftype’)，可設(shè)計(jì)高通和帶阻濾波器。當(dāng)ftype=high時(shí)，設(shè)計(jì)高通FIR濾波器；當(dāng)ftype=stop時(shí)，設(shè)計(jì)帶阻FIR濾波器。4.sound(x,fs,bits)：該函數(shù)用于播放生硬，向量y就代表了一個(gè)信號(hào)〔也即一個(gè)復(fù)雜的“函數(shù)表達(dá)式〞〕，也就是說可以像處理一個(gè)信號(hào)表達(dá)式一樣處理這個(gè)聲音信號(hào)。MATLAB軟件的優(yōu)點(diǎn)1.此高級(jí)語言可用于技術(shù)計(jì)算2.此開發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理3.交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問題4.數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等5.二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)6.各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面2.2CCS簡(jiǎn)介DSP開發(fā)工具CCS具有較完善的軟件和硬件開發(fā)工具，如：軟件仿真器Simulator、在線仿真器Emulator、C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境CCS等，給開發(fā)應(yīng)用帶來很大方便。CCS是TI公司針對(duì)本公司的DSP產(chǎn)品開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境。它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程。開放式的結(jié)構(gòu)允許外擴(kuò)用戶自身的模塊。它采用Windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試以及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開發(fā)與設(shè)計(jì)，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。CCS是一種針對(duì)TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境,在Windows操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具。CCS有兩種工作模式，即軟件仿真器模式：可以脫離DSP芯片，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程模式：可以實(shí)時(shí)運(yùn)行在DSP芯片上,與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。CCS的開發(fā)系統(tǒng)主要由以下組件構(gòu)成①TMS320C54x集成代碼產(chǎn)生工具；②CCS集成開發(fā)環(huán)境；③DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核插件及其應(yīng)用程序接口API；④實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的RTDX插件以及相應(yīng)的程序接口API；⑤由TI公司以外的第三方提供的各種應(yīng)用模塊插件。各部件的功能①TMS320C54x集成代碼產(chǎn)生工具用來對(duì)C語言、匯編語言或混合語言編程的DSP源程序進(jìn)行編譯匯編，并鏈接成為可執(zhí)行的DSP程序。主要包括匯編器、鏈接器、C/C++編譯器和建庫工具等。②CCS集成開發(fā)環(huán)境集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試和實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體。包括編輯工具、工程管理工具和調(diào)試工具等。③DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核插件及其應(yīng)用程序接口API主要為實(shí)時(shí)信號(hào)處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)。包括DSP/BIOS的配置工具、實(shí)時(shí)分析工具等。④實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的RTDX插件和相應(yīng)的程序接口API可對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)DSP與其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換。⑤由TI公司以外的第三方提供的應(yīng)用模塊插件CCS的主要功能CCS的功能十分強(qiáng)大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程，其主要功能如下：①具有集成可視化代碼編輯界面，用戶可通過其界面直接編寫C、匯編、d文件等；②含有集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化C編譯器、鏈接器等，將代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能集成到一個(gè)軟件環(huán)境中；③高性能編輯器支持匯編文件的動(dòng)態(tài)語法加亮顯示，使用戶很容易閱讀代碼，發(fā)現(xiàn)語法錯(cuò)誤；④工程工程管理工具可對(duì)用戶程序?qū)嵭泄こ坦芾?。在生成目?biāo)程序和程序庫的過程中，建立不同程序的跟蹤信息，通過跟蹤信息對(duì)不同的程序進(jìn)行分類管理；⑤根本調(diào)試工具具有裝入執(zhí)行代碼、查看存放器、存儲(chǔ)器、反匯編、變量窗口等功能，并支持C源代碼級(jí)調(diào)試；⑥斷點(diǎn)工具，能在調(diào)試程序的過程中，完成硬件斷點(diǎn)、軟件斷點(diǎn)和條件斷點(diǎn)的設(shè)置；⑦探測(cè)點(diǎn)工具，可用于算法的仿真，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視等；⑧分析工具，包括模擬器和仿真器分析，可用于模擬和監(jiān)視硬件的功能、評(píng)價(jià)代碼執(zhí)行的時(shí)鐘；⑨數(shù)據(jù)的圖形顯示工具，可以將運(yùn)算結(jié)果用圖形顯示,包括顯示時(shí)域/頻域波形、眼圖、星座圖、圖像等，并能進(jìn)行自動(dòng)刷新；⑩提供GEL工具。利用GEL擴(kuò)展語言，用戶可以編寫自己的控制面板/菜單，設(shè)置GEL菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)，方便直觀地修改變量，配置參數(shù)等；?支持多DSP的調(diào)試；?支持RTDX技術(shù)，可在不中斷目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)DSP與其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換；?提供DSP/BIOS工具，增強(qiáng)對(duì)代碼的實(shí)時(shí)分析能力。CCS文件名介紹使用CCS軟件所要用到的文件類型：●*d——鏈接命令文件；●*.obj——由源文件編譯或匯編后所生成的目標(biāo)文件；●*.out——完成編譯、匯編、鏈接后所形成的可執(zhí)行文件，可在CCS監(jiān)控下調(diào)試和執(zhí)行；●*.wks—工作空間文件，可用來記錄工作環(huán)境的設(shè)置信息；●*.cdb—CCS的配置數(shù)據(jù)庫文件，是使用DSP/BIOSAPI模塊所必須的。當(dāng)保存配置文件時(shí),將產(chǎn)生鏈接器命令文件(*cfgd)、頭文件(*cfg.h54)和匯編語言源文件(*cfg.s54)。使用CCS開發(fā)應(yīng)用程序的一般步驟①翻開或創(chuàng)立一個(gè)工程工程文件②編輯各類文件③對(duì)工程工程進(jìn)行編譯④對(duì)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和算法評(píng)估利用CCS集成開發(fā)軟件，用戶可以在一個(gè)開發(fā)環(huán)境下完成工程工程創(chuàng)立、程序編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作環(huán)節(jié)。注:①文件包括源程序、目標(biāo)文件、庫文件、鏈接命令文件和包含文件。②可以使用CCS提供的集成編輯環(huán)境，對(duì)頭文件、鏈接命令文件和源程序進(jìn)行編輯。③如出現(xiàn)語法錯(cuò)誤，將在構(gòu)建窗口中顯示錯(cuò)誤信息。用戶可以根據(jù)顯示的信息定位錯(cuò)誤位置，更改錯(cuò)誤。3FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理3.1FIR濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)FIR數(shù)字濾波器的差分方程如下:①其系統(tǒng)函數(shù)H(Z)為:②實(shí)現(xiàn)N階FIR數(shù)字濾波器差分方程的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有直接型、級(jí)聯(lián)型和頻率抽樣型等。1.直接型由FIR濾波器差分方程可直接繪出FIR數(shù)字濾波器的直接型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3.1：Z-1Z-1Z-1Z-1Z-1h〔M-1〕h〔2〕h〔1〕h〔0〕h〔M-2〕…………y(n)x(n)圖3.1FIR數(shù)字濾波器的直接型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖將FIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(Z)因式分解，得到③根據(jù)式③可繪出FIR數(shù)字濾波器的級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.2：x(n)yx(n)y(n)H0β11β2Rβ1Rβ22β12β21Z-1Z-1Z-1Z-1Z-1Z-1……圖3.2FIR數(shù)字濾波器的級(jí)聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖抽樣頻率型是按下面步驟求出FIR數(shù)字濾波器的H(Z)的設(shè)FIR濾波器的單位采樣脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度為M，對(duì)其做N點(diǎn)DFT〔N≥M〕,可求出即〔k=0,1…N-1〕④再由內(nèi)插公式推出⑤令,,其中是一種梳狀濾波器結(jié)構(gòu)。將式⑤寫成如下形式：⑥有上述步驟求出的方法，稱為頻率抽樣法，其FIR的結(jié)構(gòu)稱為頻率抽樣型結(jié)構(gòu)，將式⑥用級(jí)聯(lián)方式表示出其結(jié)構(gòu)如圖3.3：-Z-N……圖3.3FIR數(shù)字濾波器的頻率抽樣型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3.2FIR濾波器的設(shè)計(jì)-Z-N……圖3.3FIR數(shù)字濾波器的頻率抽樣型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖FIR濾波器的設(shè)計(jì)原理FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法和頻率采樣法，本設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)。FIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有直接型、級(jí)聯(lián)型、頻率抽樣型等結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)階數(shù)不多時(shí)，利用對(duì)稱FIR濾波器的特點(diǎn)，采用直接型結(jié)構(gòu)，此時(shí)多輸入加法器實(shí)現(xiàn)難度不大，但可以減少濾波器數(shù)目，從而降低硬件復(fù)雜程度。FIR結(jié)構(gòu)中的延遲Z-1在程序中實(shí)現(xiàn)時(shí)就是數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的滑動(dòng)，這對(duì)一個(gè)L階的FIR數(shù)字濾波器來說，就是要求在存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)L各樣本并進(jìn)行成累加運(yùn)算。這可以用兩種方法來實(shí)現(xiàn)該緩沖區(qū)：線形緩沖區(qū)和循環(huán)緩沖區(qū)。對(duì)于限行緩沖區(qū)來說，每當(dāng)DSP讀入一個(gè)樣本后都將此樣本向后移動(dòng)，讀完最后一個(gè)樣本后，最前面〔最老的〕的樣本被推出緩沖區(qū)，并輸入最新的樣本至緩沖區(qū)頂部。線性緩沖區(qū)的存儲(chǔ)器延時(shí)可以由具有數(shù)據(jù)移動(dòng)功能的DMOV指令來實(shí)現(xiàn)，它需要將緩沖區(qū)置于內(nèi)部DARAM塊中；對(duì)于循環(huán)緩沖區(qū)，每當(dāng)輸入新樣本時(shí)，以新樣本改寫緩沖區(qū)中最老的樣本，而緩沖區(qū)中的其他樣本不需要其他樣本移動(dòng)。循環(huán)緩沖區(qū)可采用循環(huán)尋址技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它不需要必須定位在DARAM塊中，但需要適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)對(duì)準(zhǔn)以滿足循環(huán)尋址的要求。下面主要介紹一下循環(huán)尋址方法。循環(huán)緩沖實(shí)現(xiàn)延時(shí)的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)N階FIR數(shù)字濾波器時(shí)，需要在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)稱為滑窗的N個(gè)單元的緩沖區(qū)，滑窗中存放最新的N個(gè)樣本。當(dāng)每次輸入新樣本時(shí)以新的樣本改寫滑窗中最老的樣本，而滑窗中其他的數(shù)據(jù)不需要移動(dòng)。利用片內(nèi)BK〔循環(huán)緩沖區(qū)長(zhǎng)度〕存放器對(duì)滑窗進(jìn)行間接尋址，循環(huán)緩沖區(qū)地址首位相鄰。下面以N=6的FIR數(shù)字濾波器循環(huán)緩沖區(qū)為例，說明循環(huán)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)是如何尋址的?！惨妶D3.4〕圖3.4N=6的循環(huán)緩沖區(qū)存儲(chǔ)器圖圖3.4N=6的循環(huán)緩沖區(qū)存儲(chǔ)器圖x(n-5)x(n-4)x(n-3)x(n-2)x(n-1)x(n)循環(huán)存儲(chǔ)器頂部ARX-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器循環(huán)存儲(chǔ)器底部x(n+1)x(n+2)x(n-3)x(n-2)x(n-1)x(n)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ARX-x(n+1)x(n-4)x(n-3)x(n-2)x(n-1)x(n)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ARX-從圖3-4中可以看出，第一次執(zhí)行后，間接尋址的輔助存放器ARX指向老的數(shù)據(jù)，然后從I/O口輸入一個(gè)數(shù)據(jù)并將原來存放的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元改寫為。接著進(jìn)行第二次乘累加操作，之后ARX指向。然后，從I/O口輸入一個(gè)數(shù)據(jù)并將原來存放的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元改寫為。之后進(jìn)行第三次乘累加操作……由此，實(shí)現(xiàn)循環(huán)緩沖區(qū)的間接尋址的關(guān)鍵是：使N個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)單元的首尾相臨/C54提供循環(huán)尋址的方法實(shí)現(xiàn)這種元算。利用BK存放器實(shí)現(xiàn)按模間接尋址?？捎玫闹噶钣校骸?ARX+%；加1按模修正ARX……*ARX-%；減1按模修正ARX……*ARX+0%；加AR0按模修正ARX……*ARX-0%；減AR0按模修正ARX……*ARX〔lk〕%；加〔lk〕按模修正ARX其中每一條指令均按照BK存放器中的值，分別對(duì)〔ARX+1〕、〔ARX-1〕、〔ARX+AR0〕、〔ARX-AR0〕、〔ARX+lk〕值取模。在實(shí)現(xiàn)N階FIR時(shí)，通過STM#lk，BK指令設(shè)定BK的值為FIR的階數(shù)，就能保證循環(huán)緩沖區(qū)的指針ARX始終指向循環(huán)緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)緩沖區(qū)頂部和底部單元相鄰。由此可見，循環(huán)緩沖區(qū)中的新老數(shù)據(jù)不很直接明了，但是利用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)的有點(diǎn)還是很明顯的：它不需要移動(dòng)數(shù)據(jù)，不存在一個(gè)機(jī)器周期中要求進(jìn)行一次讀和一次寫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因而可以將循環(huán)緩沖區(qū)定位在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的任何位置。3.2.2仿真結(jié)果〔1〕在matlab中的濾波器特性波形如圖3.5所示圖圖3.5matlab濾波器特性在matlab中正弦信號(hào)x1=sin(6*pi*t)和噪聲信號(hào)x2=cos(60*pi*t)波形如圖3.6所示：圖3.6matlab圖3.6matlab正弦信號(hào)和噪聲信號(hào)波形在matlab中正弦加噪信號(hào)x3=sin(6*pi*t)+cos(60*pi*t)和濾波后y1=sin(6*pi*t)波形如圖3.7所示：圖3.7matlab圖3.7matlab正弦加噪信號(hào)和濾波后波形在matlab中幅度為2頻率為50HZ方波和濾波后的波形如圖3.8所示：圖3.8matlab圖3.8matlab方波和濾波后的波形在CCS中正弦加噪信號(hào)與濾波后波形如圖3.9所示：圖圖3.9在CCS中正弦加噪信號(hào)與濾波后波形在CCS中正弦加噪信號(hào)頻譜特性如圖3.10所示：圖圖3.10CCS中正弦加噪信號(hào)頻譜特性在CCS中正弦加噪信號(hào)濾波后頻譜特性如圖3.11所示：圖圖3.11CCS中正弦加噪信號(hào)濾波后頻譜特性在CCS中方波信號(hào)和濾波后波形如圖3.12所示：圖3.12CCS圖3.12CCS中方波信號(hào)和濾波后波形在CCS中方波信號(hào)頻譜特性如圖3.13所示：圖圖3.13CCS中方波信號(hào)頻譜特性在CCS中方波信號(hào)濾波后頻譜特性如圖3.14所示：圖圖3.14CCS中方波信號(hào)濾波后頻譜特性〔2〕仿真結(jié)果分析輸入為方波,輸出波形為正弦波。輸入加噪的正弦波，輸出為低頻的平滑正弦波。說明濾波器的濾波效果符合要求。但比較CCS和matlab中各自設(shè)計(jì)濾波器的輸出波形，可以看出，在matlab中設(shè)計(jì)的濾波器濾波效果不如CCS中的圓滑，出來圖形效果也不是很好。4總結(jié)通過這次課設(shè)，我認(rèn)識(shí)到了CCS根本使用和編程方法。我也熟悉了CCS的工作環(huán)境，可以很熟練的對(duì)CCS進(jìn)行常規(guī)的操作，快速進(jìn)行程序編輯和仿真。本文次課設(shè)通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，利用CCSB實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，從仿真結(jié)果可以看出可以到達(dá)技術(shù)指標(biāo)要求，而且方法簡(jiǎn)單、快捷，大大減輕了工作量。在實(shí)際應(yīng)用中,只需按要求修改濾波器參數(shù),并對(duì)程序作較少的改動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的FIR濾波器,實(shí)用性較強(qiáng)。完成任務(wù)后才發(fā)現(xiàn)這次訓(xùn)練的內(nèi)容并不算難。首先要做的工作就是把設(shè)計(jì)條件寫入到matlab中，其次就是對(duì)條件進(jìn)行分析，主要是得出一些參數(shù)。最后就是對(duì)程序經(jīng)行仿真，然后將數(shù)據(jù)倒入CCS中驗(yàn)證。以上的內(nèi)容全都要通過程序的編寫來完成。當(dāng)然，經(jīng)過了課程設(shè)計(jì)，我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多缺乏。但是通過自己的動(dòng)手動(dòng)腦，既增加了知識(shí)，又給了我專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，我也會(huì)更加努力，認(rèn)真學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取在以后的課程中做得更好！在課設(shè)的過程中我們都遇到了很多的難題，請(qǐng)教老師都給了細(xì)心地指導(dǎo)，幫助我們解決了很多的問題。老師還教我們意識(shí)到自己動(dòng)手對(duì)自己的成長(zhǎng)和開展過程中的重要性，還敦促我們多上網(wǎng)查找問題的解決方法，使我們的在網(wǎng)上獲取信息的能力得到了增長(zhǎng)，再此特別感謝老師對(duì)我們的認(rèn)真指導(dǎo)和教誨。參考文獻(xiàn)[1]王金龍.DSP設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)教程.機(jī)械工業(yè)出版社，2007[2]趙健,李毅.數(shù)字信號(hào)處理學(xué)習(xí)輔導(dǎo).北京:清華大學(xué)出版社出版,2006[3]叢玉良.數(shù)字信號(hào)處理原理及其MATLAB實(shí)現(xiàn).北京:電子工業(yè)出版社,2005[4]陳生譚,郭寶龍等.信號(hào)與系統(tǒng).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001[5]張衛(wèi)寧.《DSP原理及應(yīng)用教程》.科學(xué)出版社北京：2023.7[6]戴明楨.《TMS320C54xDSP結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用》.北京航空航天大學(xué)出版社2007.8附錄Matlab源程序：N=15;wc=0.6*pi;%截止頻率在通帶和阻帶邊界頻率的中點(diǎn)n=0:N-1;alpha=(N-1)/2;%濾波器的相位延遲m=n-alpha+eps;%eps為matlab系統(tǒng)精度hd=sin(wc*m)./(pi*m);%理想濾波器脈沖響應(yīng)win=hanning(N);%采用漢寧窗h=hd.*win';%在時(shí)域乘積對(duì)應(yīng)于頻域的卷積b=h;figure(1)[H,w]=freqz(b,512,1000);%采用1000hz的采樣頻率繪出該濾波器的幅度和相頻響應(yīng)subplot(3,2,1),plot(w/pi,20*log10(abs(H)))xlabel('NormalizedFrequency(×pirad/sample)');ylabel('振幅/dB');gridon;subplot(3,2,2),plot(w/pi,180/pi*unwrap(angle(H)))xlabel('NormalizedFrequency(×pirad/sample)');ylabel('相位/^0');gridon;f1=3;f2=20;dt=0.02;t=0:dt:3;x=sin(2*pi*f1*t)+cos(2*pi*f2*t);%輸入時(shí)域信號(hào)y=fftfilt(b,x);%給出濾波器的輸出T=0:0.02:2;A=2;P=50;x1=A*square(P*T,50);%輸入時(shí)域信號(hào)y1=fftfilt(b,x1);%給出濾波器的輸出subplot(3,2,3),plot(t,x),title('輸入信號(hào)')%繪輸入信號(hào)subplot(3,2,4),plot(t,y)holdon;plot([11]*(N-1)/2*dt,ylim,'r')%繪出延遲到的時(shí)刻xlabel('時(shí)間/s'),title('輸出信號(hào)');axis([03-1.51.5])subplot(3,2,5),plot(T,x1),title('輸入信號(hào)')%繪輸入信號(hào)axis([T(1)T(end)-(A+1)(A+1)])subplot(3,2,6),plot(T,y1)%繪出延遲到的時(shí)刻xlabel('時(shí)間/s'),title('輸出信號(hào)');axis([T(1)T(end)-(A+1)(A+1)])CCS匯編源程序：.title"fir.asm".mmregs.global_main;PA0:.set0;PA1:.set1Hn:.usect"Hn",16BUF:.usect"BUF",16Xn:.usect"Xn",200Yn:.usect"Yn",215.dataHDATA:.word34*32768/10000,-18*32768/10000,-108*32768/10000,227*32768/10000.word165*32768/10000,-997*32768/10000,596*32768/10000,5082*32768/10000.word5082*32768/10000,596*32768/10000,-977*32768/10000,165*32768/10000.word227*32768/10000,-108*32768/10000,-18*32768/10000,34*32768/10000.text_main:SSBXFRCTSTM#Hn,AR5;AR5指向沖激響應(yīng)RPT#15MVPDHDATA,*AR5+STM#BUF,AR4;AR4指向緩沖區(qū)間RPTZA,#15STLA,*AR4+STM#Xn,AR3;AR3指向輸入STM#Yn,AR2;AR4指向輸出STM#(Hn+15),AR5;STM#(BUF+15),AR4STM-1,AR0LD#BUF,DPMVDD*AR3+,*AR4;向緩沖去送數(shù)STM#215,BRCRPTB#TABLESTM#16,BKRPTZA,#15MAC*AR4+0%,*AR5+0%,ASTHA,*AR2+TABLE:MVDD*AR3+,*AR4+0%.end中斷向量文件：.title"vectors.asm".ref_main.sect".vectors"B_main.end鏈接命令文件：vectors.objfir.obj-ofir.out-mfir.mapMEMORY{PAGE0:EPROM:org=0E000Hlen=1000HVECS:org=0FF80Hlen=0080HPAGE1:SARAM:org=0060Hlen=0040HDARAM:org=00101Hlen=1380H}SECTIONS{.text:>EPR