dsp-fir濾波器

1、基于DSP的FIR低通濾波器的設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： 電子與控制工程學(xué)院一、 設(shè)計(jì)要求通過(guò)ICETEKVC5509-A 評(píng)估板實(shí)現(xiàn)FIR濾波功能，將輸入的方波信號(hào)通過(guò)評(píng)估板上的AD模塊，濾波模塊，以及DA模塊后輸出正弦波信號(hào)并在示波器上觀察方波濾除后所產(chǎn)生的正弦波。在CCS下編寫(xiě)C語(yǔ)音和匯編語(yǔ)言程序分別實(shí)現(xiàn)濾波器功能，并且比較c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的執(zhí)行速度進(jìn)行比較。二、 設(shè)計(jì)原理數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，而數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。數(shù)字濾波器分為IIR濾波器和FIR濾波器。本次課設(shè)使用的是FIR濾波器。FIR濾波器即有限長(zhǎng)單位響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的原件。

2、可以在保證任意頻率特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相位特性。同時(shí)其單位沖激響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。FIR濾波器在通信、圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)入FIR濾波器前，首先要將信號(hào)通過(guò)A/D器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；為了使信號(hào)處理能夠不發(fā)生失真，信號(hào)的采樣速度必須滿足奈奎斯特定理，一般取信號(hào)頻率上限的4-5倍做為采樣頻率；一般可用速度較高的逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器，不論采用乘累加方法還是分布式算法設(shè)計(jì)FIR濾波器，濾波器輸出的數(shù)據(jù)都是一串序列，要使它能直觀地反應(yīng)出來(lái)，還需經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換。FIR濾波器誤反饋回路，是一種穩(wěn)定系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成具有線性相位特性。設(shè)FI

3、R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(shí)刻的輸入，則那時(shí)刻的輸出為：y(n)=h(0)*x(n)+h(1)*x(n-1)+h(N-1)*xn-(N-1)FIR濾波器的差分方程為：                    對(duì)上式進(jìn)行Z變換得到FIR濾波器的傳遞函數(shù)為：        

4、0;      FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：MATLAB輔助DSP 實(shí)現(xiàn)FIR ,其總體過(guò)程為在DSP中編寫(xiě)處理程序，在MATLAB中利用濾波器設(shè)計(jì)、分析工具( FDATOOL) ,根據(jù)指定的濾波器性能快速設(shè)計(jì)一個(gè)FIR ,把濾波器系數(shù)以頭文件形式導(dǎo)入CCS 中,頭文件中MATLAB 輔助DSP 實(shí)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(diào)試、運(yùn)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(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)程序。由于不同的窗函數(shù)對(duì)信號(hào)頻譜的影響是不一樣的，這主要是因?yàn)椴煌拇昂瘮?shù)，產(chǎn)生泄漏的大小

5、不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號(hào)的截?cái)喈a(chǎn)生了能量泄漏，而用FFT算法計(jì)算頻譜又產(chǎn)生了柵欄效應(yīng)，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是我們可以通過(guò)選擇不同的窗函數(shù)對(duì)它們的影響進(jìn)行抑制。在MATLAB設(shè)計(jì)中采用海明窗。三、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果1、 FIR濾波器的系數(shù)在matlab中可以通過(guò)分析工具FDATOOL來(lái)快速設(shè)計(jì)一個(gè)FIR，并得到相關(guān)的系數(shù)，其設(shè)計(jì)界面如圖所示：得到其相關(guān)系數(shù)：2、 fir的C程序的實(shí)現(xiàn)首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)數(shù)組，數(shù)組的大小等于濾波器的階數(shù)，用來(lái)存放用MATLAB生成的濾波器的系數(shù)，另外再定義一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，來(lái)存放采集來(lái)的數(shù)據(jù)，該緩沖區(qū)的大小要和濾波器的系數(shù)數(shù)組的大小相同。然后進(jìn)行

6、數(shù)據(jù)移位，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)向下一個(gè)單元移1位，然后將剛采進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)的首位。最后用for循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算，得到這一時(shí)刻的卷積值。float fir( float x_in,float *x,float *b,int L) /float y_out;int i;for(i=L-1;i>0;i-)xi=xi-1; x0=x_in;y_out=0.0;for(i=0;i<L;i+)y_out=y_out+bi*xi; return(y_out);直接型FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)涉及到兩個(gè)基本操作，一個(gè)是輸入信號(hào)向量與濾波器系數(shù)向量的內(nèi)積計(jì)算，另一個(gè)是輸入信號(hào)向量的更新處理。 在每個(gè)

7、采樣周期信號(hào)緩沖器都要更新一次，最老的采樣被拋棄，而其他的信號(hào)則向緩沖器的右方移動(dòng)一個(gè)單元，一個(gè)新的采樣被插入存儲(chǔ)單元，并被標(biāo)記。如果這個(gè)操作過(guò)程不用DSP硬件完成，那么它需要很多的時(shí)間。3、 Fir的匯編語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)處理信號(hào)緩沖器的最有效方法，是把信號(hào)采樣加載到循環(huán)緩沖器中。在循環(huán)緩沖器中，采取數(shù)據(jù)保持固定、反時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)地址的方式，代替保持緩沖器地址固定且正方向移動(dòng)數(shù)據(jù)。信號(hào)采樣的起點(diǎn)由指針x(n) 指定，其它諸采樣則沿著順時(shí)針?lè)较?，從起點(diǎn)開(kāi)始依次順序加載。當(dāng)接收到一個(gè)新的采樣時(shí)，它會(huì)被配置在位置x(n)上，并且完成濾波算法。計(jì)算完輸出量y（n）以后，指針?lè)磿r(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)一個(gè)單元到x(n-L+

8、1)位置，并且當(dāng)作下一次迭代運(yùn)算的x(n)。FIR濾波器系數(shù)的循環(huán)緩沖器如圖所示，它總是從第一個(gè)系數(shù)開(kāi)始運(yùn)行。基于以上方法的FIR濾波器，其匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下。匯編語(yǔ)言整數(shù)fir濾波器函數(shù)：fir.asm; fir.asm 該程序用于實(shí)現(xiàn)FIR濾波器,可被C語(yǔ)言程序調(diào)用; int fir(int *,int *, unsigned int，int); 參數(shù)0: AR0 輸入信號(hào)緩沖區(qū)指針; 參數(shù)1: AR1 - FIR濾波器系數(shù)向量指針; 參數(shù)2: T0 - FIR 濾波器的階數(shù)L； 參數(shù)3: T1 - 輸入信號(hào)當(dāng)前值在循環(huán)緩沖區(qū)的序數(shù); 返回值: T0 - 輸出信號(hào)當(dāng)前值 .def _fir

9、_fir pshm ST1_55 ;現(xiàn)場(chǎng)ST1,ST2和ST3入棧 pshm ST2_55 pshm ST3_55or #0x340, mmap(ST1_55) ;設(shè)置FRCT,SXMD,SATDbset SMUL ;置位SMUL(P50)mov mmap(AR0),BSA01 ; AR0=輸入信號(hào)循環(huán)緩沖區(qū)的起始地址mov mmap(AR1),BSA23 ; AR1=濾波器系數(shù)循環(huán)緩沖區(qū)的起始地址mov mmap(T0),BK03 ;設(shè)置循環(huán)緩沖區(qū)大小or #0x5,mmap(ST2_55) ; AR0和AR2為循環(huán)緩沖區(qū)指針mov T1,AR0 ; AR0從index偏移量開(kāi)始mov #0,AR2 ; AR2從0偏移量開(kāi)始sub #2,T0 ;T0=L-2 mov T0,CSR ;設(shè)置外部循環(huán)次數(shù)為L(zhǎng)-1 mpym *AR0+,*AR2+,AC0 ;執(zhí)行第一次運(yùn)算| rpt CSR ;啟動(dòng)循環(huán)macm *AR0+,*AR2+,AC0mov hi(AC0),T0 ; 用Q15格式存放結(jié)果 popm ST3_55 ; 恢復(fù)ST1, ST2和 ST3popm ST2_55 popm ST1_55 ret.end4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的FIR濾波器的采樣頻率Fs為25KHz,截止頻率Fc為1KHz，當(dāng)輸入700Hz的方波時(shí)候，其處理波形顯示如下：輸入為2KHz的時(shí)候，顯示如下：四、