基于DSP的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

-.zDSP結(jié)課大作業(yè)設(shè)計(jì)課題：基于DSP的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)院名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：自動(dòng)化F1203學(xué)生**：*云**：62015年06月17日基于DSP的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：分析了FIR數(shù)字濾波器的根本原理，在MATLAB環(huán)境下利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR低通濾波器，實(shí)現(xiàn)了FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真。將設(shè)計(jì)的符合要求的濾波器在TI公司DSPTMS320LF2407A上實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明FIR濾波器準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，可以有效的濾除干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足性能指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：FIR數(shù)字濾波器；MATLAB；仿真；DSP在數(shù)字信號(hào)處理過程中，經(jīng)常需對信號(hào)進(jìn)展過濾、檢測、預(yù)測等處理，這些任務(wù)的完**要用到濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的根本方法。根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可分為兩類:無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。FIR濾波器是有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，在構(gòu)造上是非遞歸型的。它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證準(zhǔn)確嚴(yán)格的線性相位。所以FIR數(shù)字濾波器廣泛地應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。1FIR數(shù)字濾波器的根本原理設(shè)h(n)(n=0,1,2?N-1)為濾波器的沖激響應(yīng)，輸入信號(hào)為*(n)，則FIR濾波器就是要實(shí)現(xiàn)以下差分方程:式(1)就是FIR濾波器的差分方程。FIR濾波器的最主要的特點(diǎn)是沒有反應(yīng)回路，因此它是無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。它的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長序列。由上面的方程可見，F(xiàn)IR濾波算法實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，它不斷地輸入樣本*〔n)，經(jīng)延時(shí)(Z3/1)做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果y(n)[1,2,3]。對式(1)進(jìn)展Z變換，整理后可得FIR濾波器的傳遞函數(shù)為:由式(2)可以看出,FIR濾波器的一般構(gòu)造如圖1所示。圖1FIR濾波器的構(gòu)造圖2窗函數(shù)設(shè)計(jì)法及MATLAB仿真窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的根本思想，就是根據(jù)給定的濾波器技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器的階數(shù)N和適宜的窗函數(shù)ω(n)。即用一個(gè)有限長度的窗口函數(shù)序列ω(n)來截取一個(gè)無限長的序列hd(n)獲得一個(gè)有限長序列h(n)，即h(n)=w(n)*hd(n)，并且要滿足以下兩個(gè)條件：(1)窗譜主瓣盡可能地窄，以獲得較陡的過渡帶；(2)盡量減少窗譜的最大旁瓣的相對幅度，也就是能量盡量集中于主瓣，使峰肩和紋波減小，就可增多阻帶的衰減。這就給窗函數(shù)序列的形狀和長度選擇。Matlab為用戶提供了一種綜合、簡便的圖形用戶工具—FDATool濾波器設(shè)計(jì)分析工具箱和SPTool信號(hào)處理工具箱。利用這兩個(gè)工具可以使復(fù)雜的濾波器最正確設(shè)計(jì)方法變得簡單,用戶只需在FDATool或SPTool圖形工具里選擇相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)方法,并填入濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo),即可為用戶生成所需的濾波器頻率響應(yīng)特性。因?yàn)樵赟PTool工具里可以看到根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)得到的實(shí)際濾波特性的數(shù)字顯示,所以可以更準(zhǔn)確地通過拖動(dòng)特性曲線或改變指標(biāo)使實(shí)際濾波器更滿足要求,所以設(shè)計(jì)時(shí),可先在SPTool里預(yù)設(shè)計(jì),然后再將實(shí)際特性指標(biāo)移到FDATool中,利用其提供的定點(diǎn)分析工具將濾波系數(shù)變?yōu)槎c(diǎn)系數(shù),并觀察系數(shù)截?cái)嗪蟮念l率響應(yīng)。最后通過FDATool工具提供的可將數(shù)據(jù)以C頭文件方式導(dǎo)出功能,將濾波系數(shù)以Q15格式輸出,供DSP處理用。針對設(shè)計(jì)要求，采用Kaiser窗函數(shù)法進(jìn)展設(shè)計(jì)，代入相應(yīng)的參數(shù)，求得FIR濾波器系數(shù)。仿真結(jié)果如圖2所示。圖2MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)圖3利用DSP實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器算法程序3.1DSP芯片介紹及C程序TMS320LF2407A是TI公司最新推出的高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器，是24*家族中的新成員，是定點(diǎn)DSPC2000平臺(tái)系列專門為電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化優(yōu)化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制。它集C2**內(nèi)核增強(qiáng)型TMS320設(shè)計(jì)構(gòu)造及適用于電機(jī)控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體，CPU內(nèi)部采用增強(qiáng)型哈佛構(gòu)造，四級流水線作業(yè)，幾乎每條指令可25ns完成，構(gòu)成控制系統(tǒng)的體積大大減小。程序中FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)主要是以下程序:*definePI3.1415926*defineNUM100constintlength=NUM;*defineCOUNT50staticlongh[COUNT]={8198，1514682，-60393，-2029236，-3538944，-3147075，64013，5242001，9437183，8323675，-64824，-12844636，-22216704，-19005731，65197，27590460，46727167，39518335-65393，-57606065，-99811328，-88211505，65482，156041185，337117183，481951767};staticlong*1[NUM+COUNT];voidfilter(int*in[]，float*out[]，intn，longh[]){inti，j;longsum;for(i=0;i<length;i++)*1[n+i-1]=*in[i];for(i=0;i<length;i++){sum=0;，for(j=0;j<n;j++)sum+=(long)h[j]**1[i-j+n-1];*out[i]=sum>>15;*out[i]=(float)*out[i]/32768;}for(i=0;i<(n-1);i++)*1[n-i-2]=*in[length-i-1];}3.2CCS簡介及實(shí)驗(yàn)結(jié)果CCS(CodeposerStudio)是TI推出的用于開發(fā)其DSP芯片的繼承開發(fā)調(diào)試工具，它采用Windows風(fēng)格的界面，集編輯、編譯、、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)。以上程序在TMS320LF2407A的開發(fā)板上調(diào)試通過，實(shí)驗(yàn)波形由DSP編譯軟件CCS提供顯示時(shí)頻圖顯示。CCS提供的圖形顯示包括時(shí)頻分析、星座圖、眼圖和圖像顯示。用戶準(zhǔn)備好需要顯示的數(shù)據(jù)后，選擇命令View→Graph，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即可按所選圖形類型顯示數(shù)據(jù)。從圖3輸入波形圖和圖4輸出波形圖中可以看出通過FIR數(shù)字濾波可以有效的濾掉信號(hào)雜波，提高信號(hào)質(zhì)量。4結(jié)論FIR濾波器以它優(yōu)越的性能，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中占有很重要的地位。采用DSP芯片實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波，不僅具有準(zhǔn)確度高、執(zhí)行速度快等特點(diǎn)，而且程序可移植性好，實(shí)用性強(qiáng)，可以十分方便地改變?yōu)V波器特性。圖3FIR數(shù)字濾波器輸入波形圖4經(jīng)過FIR數(shù)字濾波器的輸出波形創(chuàng)新點(diǎn)：依據(jù)FIR數(shù)字濾波器的根本原理，在MATLAB環(huán)境下利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)了FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了FIR濾波器準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，可以有效的濾除干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足性能指標(biāo)要求。參考文獻(xiàn)[1]*虹；黃濤，*成?；贔PGA的音頻處理芯片的設(shè)計(jì)[J]。微計(jì)算機(jī)信息，2005年第一期[2]何蘇勤，王忠勇。TMS320C2000系列DSP原理及實(shí)用技術(shù)。電子工業(yè)，2003。[3]*和平，王維俊，江渝，鄧力。TMS320LF240*DSPC語言開發(fā)應(yīng)用。：航空航天大學(xué)，2003。[4]王潞剛