DSP原理及應用課程設計

1、華北水利水電大學North China University of Water Resources and Electric Power DSP原理及應用課程設計 題目 FIR數(shù)字低通濾波器 學 院 信息工程學院 專 業(yè) 電子信息工程 姓 名 學 號 指導老師 完成時間 摘要1一. 緒論11.1設計背景11.2設計方法分析1二FIR濾波器設計過程22.1 FIR濾波器原理22.2 FIR濾波器的實現(xiàn)方法32.3 FIR濾波器的MATLAB實現(xiàn)42.4 設計流程圖6三MATLAB和 CCS操作步驟及仿真結果73.1 matlab中的.M文件的編寫73.2 工程文件的建立123.3 仿真結果及分析

2、12四心得與總結12 1 摘要 當前,數(shù)字信號處理技術受到了人們的廣泛關注,其理論及算法隨著計算機技術和微電子技術的發(fā)展得到了飛速地發(fā)展,并被廣泛應用于語音和圖象處理、數(shù)字通信、譜分析、模式識別和自動控制等領域。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中最重要的組成部分之一,幾乎出現(xiàn)在所有的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。設計中通過MATLAB環(huán)境中圖形化的方式建立數(shù)字信號處理的模型進行DSP的設計和仿真驗證，將設計的圖形文件.mdl直接轉換成C語言程序在CCS中運行。利用MATLAB軟件開發(fā)產品加速了開發(fā)周期，比直接在CCs中編程方便快捷了很多，對于任何復雜功能的DSP系統(tǒng)，只需要進行少量的添加和修改就能完成功能正確的

3、C語言程序設計。 一. 緒論1.1設計背景一個實際的應用系統(tǒng)中，由于設備或者是外界環(huán)境的原因，總存在各種干擾，使信號中混入噪聲，譬如音頻信號中高頻成分的噪聲使得音樂聽起來刺耳，失去了原有悅耳的音質。為了提高信號質量，可以對信號進行濾波，從噪聲中提取信號，即對一個具有噪聲和信號的混合源進行采樣，然后經過一個數(shù)字濾波器，濾除噪聲，提取有用信號。DSP（數(shù)字信號處理器）與一般的微處理器相比有很大的區(qū)別，它所特有的系統(tǒng)結構、指令集合、數(shù)據(jù)流程方式為解決復雜的數(shù)字信號處理問題提供了便利，本文選用TMS320C54X作為DSP處理芯片，通過對其編程來實現(xiàn)FIR濾波器。對數(shù)字濾波器而言,從實現(xiàn)方法上,有FI

4、R濾波器和無限沖激響應(IIR)濾波器之分。由于FIR濾波器只有零點,因此這一類系統(tǒng)不像IIR系統(tǒng)那樣易取得比較好的通帶與阻帶衰減特性。但是FIR系統(tǒng)有自己突出的優(yōu)點:系統(tǒng)總是穩(wěn)定的;易實現(xiàn)線性相位;允許設計多通帶(阻帶)濾波器。其中后兩項是IIR系統(tǒng)不易實現(xiàn)的。1.2設計方法分析 FIR濾波器的設計方法分析數(shù)字濾波器依據(jù)沖激響應的寬度劃分為有限沖激響應(FIR)濾波器和無限沖激響應濾波(IIR)。FIR 濾波器是有限長單位沖激響應濾波器，在結構上是非遞歸型的，有限沖激響應濾波器(FIR)，具有以下的優(yōu)點：（1）可以在幅度特性隨意設計的同時，保證精確、嚴格的線性相位；（2）由于FIR濾波器的單

5、位脈沖響應h（n）是有限長序列，因此F I R 濾波器沒有不穩(wěn)定的問題；（3）由于FIR 濾波器一般為非遞歸結構，因此在有限精度運算下，不會出現(xiàn)遞歸結構中極性震蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，誤差較小。FIR 濾波器的設計方法有窗函數(shù)設計法和頻率采樣設計法,下面扼要介紹窗函數(shù)設計法。窗函數(shù)法設計FIR 濾波器的基本思想是：根據(jù)給定的濾波器技術指標，選擇濾波器長度N 和窗函數(shù)(n)，使其具有最窄寬度的主瓣和最小的旁瓣。其核心是從給定的頻率特性,通過加窗確定有限長單位脈沖響應序列h(n)。給定濾波器的頻率響應為Hd(ejw)，要求設計一個頻率響應為H(ejw)的濾波器來逼近Hd(ejw),其中: 對Hd(ejw)

6、進行傅立葉反變換推導出其時域響應hd(n),即 由于hd(n)是無限長序列,且是非因果的。要得到有限長的h(n)，需要用一個有限長的窗口函數(shù)序列(n)來截取h(n),即 二FIR濾波器設計過程2.1 FIR濾波器原理數(shù)字濾波是將輸入的信號序列，按規(guī)定的算法進行處理，從而得到所期望的輸出序列，F(xiàn)IR濾波器的差分方程為： 對上式進行Z變換得到FIR濾波器的傳遞函數(shù)為： 由上式可以看出，H(z)是的N-1次多項式，它在z平面內有N-1個零點，同時在原點處有N-1個重極點。N階濾波器通常采用N個延遲單元、N個加法器與N+1個乘法器，取圖中(a)、(b)兩種結構。 FIR濾波器的一般結構因為FIR濾波器

7、的單位抽樣響應是有限長的，所以它永遠是穩(wěn)定的。另外，若對 h(n)提出一些約束條件，那么可以很容易地使 H(z)具有線性相位，這在信號處理的很多領域是非常重要的。FIR濾波器的設計任務，是要決定一個轉移函數(shù)H(z)，使它的頻率響應滿足給定的要求。這里所說的要求，除了通帶頻率、阻帶頻率及兩個帶上的最大和最小衰減和外，很重要的一條是保證H(z)具有線性相位。2.2 FIR濾波器的實現(xiàn)方法 (1)采用DSP(Digital Signal Processing)處理器來實現(xiàn) DSP處理器是專為數(shù)字信號處理而設計的，它的主要數(shù)字運算單元是一個乘累加器，能夠在一個機器周期內完成一次乘累加運算，配有適合于信

8、號處理的指令，具備獨特的循環(huán)尋址和倒序尋址能力。這些特點都非常適合數(shù)字信號處理中的濾波器設計的有效實現(xiàn)，并且它速度快，成本低。用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影響外，還具有靈活性好的特點。（2）用計算機軟件實現(xiàn) 軟件實現(xiàn)方法即是在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)。利用計算機的存儲器、運算器和控制器把濾波所要完成的運算編成程序通過計算機來執(zhí)行，軟件可由使用者自己編寫，也可以使用現(xiàn)成的。但是這種方法速度慢，難以對信號進行實時處理，雖然可以用快速傅立葉變換算法來加快計算速度，但要達到實時處理要付出很高的代價。 (3)用FPGA等可編程器件實現(xiàn) 使用相關開發(fā)工具和VHDL等硬件

9、開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。這一方法由于具有通用性的特點并可以實現(xiàn)算法的并行運算，無論是作為獨立的數(shù)字信號處理，還是作為DSP芯片的協(xié)作處理器都是比較活躍的研究領域?？梢圆捎肈SP或FPGA來實現(xiàn)硬件電路。采用固定功能的專用信號處理器實現(xiàn) (4) 專用信號處理器采用專用集成電路ASIC來實現(xiàn)，適用于過程固定而又追求高速的信號處理任務，是以指定的算法來確定它的結構，使用各種隨機邏輯器件組成的信號處理器。它們體積小、保密性好，具有極高的性能，然而靈活性差。2.3 FIR濾波器的MATLAB實現(xiàn)MATLAB輔助DSP 實現(xiàn)FIR ,其總體過程為在DSP中編寫處理程序，在MAT

10、LAB中利用濾波器設計、分析工具( FDATOOL) ,根據(jù)指定的濾波器性能快速設計一個FIR ,再把濾波器系數(shù)以頭文件形式導入CCS 中,頭文件中MATLAB 輔助DSP 實現(xiàn)FIR 數(shù)字濾波器含濾波器階數(shù)和系數(shù)數(shù)組,在MATLAB中調試、運行DSP 程序并顯示、分析處理后的數(shù)據(jù)。使用該方法,便于采用匯編語言來實現(xiàn)程序。頭文件名不變,當MATLAB中設計的濾波器系數(shù)改變時,相應頭文件中系數(shù)也改變,方便程序調試、仿真。MATLAB集成了一套功能強大的濾波器設計工具FDATool（Filter Design & Analysis Tool），可以完成多種濾波器的設計、分析和性能評估。(1

11、).打開Filter Design & Analysis Tool單擊MATLAB主窗口下方的“Start”按鈕，選擇菜單“ToolBox” “Filter Design” “Filter Design & Analysis Tool（FDATool）”命令，打開FDATool，如圖1所示。 圖1(2)產生濾波器階數(shù)為81階，這里應填80，比階數(shù)少1。窗函數(shù)選擇切比雪夫型（chebyshev），濾波器類型為Lowpass，采樣頻率為20000Hz，通帶截止頻率分別為1000HZ。得圖2 圖2(3).產生濾波器系數(shù),如圖3 圖3 （4）頭文件的產生 （5）選擇所需的型號：（6）生

12、成頭文件 最后將產生的頭文件中的濾波器系數(shù)數(shù)組放入編寫好的濾波器函數(shù)中，并在進行CCS中進行調試與測試。 2.4 設計流程圖 程序流程圖 （1） 對DSP進行初始化，定義DSP的一些向量和工作模式；（2） 為數(shù)字濾波作準備，將預先設計好的有N個抽頭的FIR數(shù)字濾波器的沖激響應序列h（n）中的N個數(shù)值放入存儲單元B1BN；（3） 作好濾波準備工作后，開始進行抽樣，并讀入抽樣值，放入存儲單元A1中；（4） 之后便對抽樣值進行運算處理：（a） 將累加器清零，并設置兩個準備相乘的存儲單元A與B的初始值K和L;（b） 將第K個抽樣值AK與沖激響應序列的第L個數(shù)值BL相乘（K+L=N+1），并將乘積送入累

13、加器進行累加；（c） 將第K-1個抽樣值AK-1放入AK，此時AK中原數(shù)值被覆蓋；（d） 重復（b）（c），直至共完成N次乘加運算。（5） 輸出處理結果；（6） 重復（3）（5）。三MATLAB和 CCS操作步驟及仿真結果3.1 matlab中的.M文件的編寫 sl=300; %有效信號 ns1=2000; %高頻噪聲ns2=8000; %高頻噪聲 fs=20000; %采樣頻率 N=1000; T=1/fs; n=0:N; signal=sin(2*pi*sl*n*T); noise1=0.7*sin(2*pi*ns1*n*T);noise2=0.4*sin(2*pi*ns2*n*T); x

14、=(signal+noise1+noise2);%待濾波信號 figure(1) plot(x) figure(2) y=abs(fft(x);%待濾波頻譜 df=n*(fs/N); plot(df,y) figure(3) plot(n,signal) figure(4) ysignal=abs(fft(signal);%濾波后頻譜df=n*(fs/N); plot(df,ysignal) %濾波數(shù)據(jù)導出 xout=x/max(x); %歸一化 xto_css=round(32767*xout);%數(shù)據(jù)取整 xoutcss=xto_css; fid=fopen('G:2012156d

15、inputld.dat','w'); %打開文件 fprintf(fid,'1651 1 0 1 0n');%輸出文件頭 fprintf(fid,'%dn',xoutcss); %輸出 fclose(fid); %fid=fopen('sine.dat','w');%將文件頭寫入文件，將生成的y信號寫入到文件，格式四位小數(shù)%fprintf(fid,'1651 1 0 1 0n');%fprintf(fid,'%.4fn',y);%將文件頭寫入文件，將生成的y信號寫入到文件，格

16、式十六進制，負數(shù)用補碼%fprintf(fid,'1651 1 0 1 0n');%fprintf(fid,'0x%xn', round(y*100) + (y<0)*216); 運行此程序產生以下四個圖：3.2 工程文件的建立在CCSV3.3中建立新工程，把c源代碼和.cmd文件導入后，外加rts. lib文件，它是TI提供的運行時支持庫, 如果是C代碼寫的源程序, 必須要包含該庫,該庫由TI公司做好放在CCS cgtools lib中。添加完成后，編譯通過后，下載.out文件，導入.dat文件。然后運行程序，待程序準確無誤后，點擊File Loadpr

17、ogyam mert 打開.out文件3.3 仿真結果及分析采用CCS 的圖形顯示功能, 分別觀察輸入信號x ( n)、輸出信號y ( n)的時域波形和頻域波形, 輸入信號波形如下圖所示： 輸入數(shù)據(jù)時域圖(Start Address : input) 輸入數(shù)據(jù)頻譜（DisplayType:FFT Magnitude）輸出數(shù)據(jù)時域圖(Start Address : output) 輸出數(shù)據(jù)頻譜（DisplayType : FFT Magnitude）四心得與總結 通過本次課程設計的學習，完善了自己對于MATLAB和CCS軟件的了解，即進一步掌握了MATLAB對濾波器設計的方法，同時也學會了利用c

18、cs實現(xiàn)數(shù)字的濾波，而且也是對數(shù)字信號處理課程的一次復習，里面的大部分知識都是其內容。MATLAB是一個強大的軟件，在專業(yè)課的學習中應用十分廣泛，今后將會更加深入了解它的功能。CCS為信號搭建了一個平臺，是我們運行后能更加直觀的感受波形的變化。雖說是第一次接觸這個軟件，但是還是很努力的去學習它，了解它。 雖然這次課設驗過了，但是還是有很多的問題沒有解決，認識到自己學習的知識都是相通的，要學會融會貫通，本設計中通過濾波，濾除了音頻信號中的高頻噪聲，改善了聲音質量。將MATLAB 強大的工具箱功能與DSP 完美結合，利用MATLAB 輔助設計，使得在設計過程中達到事半功倍的效果。運用數(shù)字信號處理芯片強大的運算功能，配合外圍電路，可方便地對音頻信號進行實時濾波處理當然本次設計中也遇到了許多問題