DSP課程設(shè)計(jì)-濾波器

目錄摘要 I前言 11方案設(shè)計(jì)與論證 21.1設(shè)計(jì)方案概論 21.2設(shè)計(jì)方案詳論 21.3設(shè)計(jì)工具CCS及SEED-DTK2812實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介 32系統(tǒng)設(shè)計(jì) 42.1IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及原理 42.2程序設(shè)計(jì)流程圖 62.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 74總結(jié) 9參考文獻(xiàn) 11致謝 12附錄 13前言本文介紹了濾波器的濾波原理以及模擬濾波器、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹了IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法。即脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。在此根底上，用DSP虛擬實(shí)現(xiàn)任意階IIR濾波器。此設(shè)計(jì)擴(kuò)展性好，便于調(diào)節(jié)濾波器的性能，可以根據(jù)不同的要求在DSP上加以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面開展起來的。數(shù)字信號處理在理論上的開展推動(dòng)了數(shù)字信號處理應(yīng)用的開展。反過來，數(shù)字信號處理的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號處理理論的提高。而數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)那么是理論和應(yīng)用之間的橋梁。數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論根底的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的根本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號處理密不可分。可以說，數(shù)字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論根底，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論根底。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器和有限長沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器。IIR數(shù)字濾波器的特征是，具有無限持續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)，需要用遞歸模型DSP芯片是一種特別適合數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，主要用來實(shí)時(shí)、快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。數(shù)字信號處理由于具有精度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)字通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。數(shù)字濾波技術(shù)在數(shù)字信號處理中占有極其重要的地位，數(shù)字濾波器根據(jù)其單位脈沖響應(yīng)可分為IIR〔無限長沖激響應(yīng)濾波器〕和FIR〔有限長沖激響應(yīng)濾波器〕兩類。IIR濾波器可以用較少的階數(shù)獲得很高的選擇特性，但在有限精度的運(yùn)算中，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，而且相位特性不好控制。數(shù)字濾波器本質(zhì)上是一個(gè)完成特定運(yùn)算的數(shù)字計(jì)算過程，也可以理解為是一臺計(jì)算機(jī)。最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加。此外，DSP芯片的開展，是DSP系統(tǒng)的本錢、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。1方案設(shè)計(jì)與論證1.1設(shè)計(jì)方案概論IIR濾波器的選擇:在APF中，濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：截止頻率低，過渡帶快，通帶內(nèi)增益接近1、阻帶內(nèi)增益接近0，在滿足精度要求的前提下階數(shù)盡量低，以使濾波器的運(yùn)算速度快。濾波器有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。這里選用數(shù)字濾波器，因?yàn)樗鄬τ谀M濾波器更容易進(jìn)行濾波代數(shù)運(yùn)算，而且數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)是沒有模擬濾波器那樣的隨時(shí)間、溫度、電壓漂移，還有數(shù)字濾波器還能實(shí)現(xiàn)近似理想的響應(yīng)和線性相位，所以能更好地到達(dá)諧波檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求,數(shù)字濾波器有無限沖激響應(yīng)〔IIR〕系統(tǒng)和有限沖激響應(yīng)〔FIR〕系統(tǒng)兩種。IIR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)的階數(shù)低，對于實(shí)現(xiàn)相同要求的數(shù)字濾波器，F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)要比IIR濾波器的階數(shù)高5~10倍，IIR濾波器的設(shè)計(jì)相對簡單，可以由對應(yīng)的模擬濾波器轉(zhuǎn)換而來。FIR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用遞歸結(jié)構(gòu)，可以得到嚴(yán)格的線性相位，運(yùn)算的誤差也較小，F(xiàn)IR的設(shè)計(jì)比IIR要靈活。結(jié)合IIR濾波器和FIR濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，由于在APF諧波檢測中的低通數(shù)字濾波器是用于通過直流，濾掉交流，對相位的要求不高，而且希望運(yùn)算盡量小，因此選用IIR濾波器。1.2設(shè)計(jì)方案詳論濾波器可廣義的理解為一個(gè)信號選擇系統(tǒng)，它讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分。在更多的情況下，濾波器可理解為選頻系統(tǒng)，如低通、高通、帶通、帶阻。濾波器可分為三種：模擬濾波器、采樣濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器可以是由RLC構(gòu)成的無源濾波器，也可以是加上運(yùn)放的有源濾波器，是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)；采樣濾波器由電阻、電容、電荷轉(zhuǎn)移器件、運(yùn)放等組成，屬于離散時(shí)間系統(tǒng)，幅度連續(xù)；數(shù)字濾波器由加法器、乘法器、存儲延遲單元、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器和邏輯單元等數(shù)字電路構(gòu)成，精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題，可以時(shí)分復(fù)用。設(shè)計(jì)濾波器，就是要確定其傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)H(z)后，那么可以確定系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為，其中分別是幅頻特性和相位特性。對于無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)，有，即(1.1)幅頻特性為常數(shù)，信號通過系統(tǒng)后各頻率分量的相對大小保持不變，沒有幅度失真。相位特性為線性，使對應(yīng)的時(shí)域方程的時(shí)延量為常數(shù)：，即系統(tǒng)對各頻率分量的延遲時(shí)間相同，保證了各頻率分量的相對位置不變，沒有相位失真。數(shù)字通信對相位的要求比模擬通信高許多，線性相位很重要。數(shù)字系統(tǒng)描述時(shí)延的函數(shù)有兩個(gè)：群時(shí)延：：反映相頻曲線的線性程度相時(shí)延：：反映各頻率分量在時(shí)域的相對延時(shí)。所以無相位失真的傳輸條件是要具有恒群時(shí)延和恒相時(shí)延，即＝＝常數(shù)。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是確定其系統(tǒng)函數(shù)并實(shí)現(xiàn)的過程，一般要經(jīng)如下步驟：1、根據(jù)任務(wù)，確定性能指標(biāo)。2、用因果穩(wěn)定的線性移不變離散系統(tǒng)函數(shù)去逼近。3、用有限精度算法實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)函數(shù)。4、利用適當(dāng)?shù)能洝⒂布夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。我們在這里主要討論數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的逼近過程，包括無限長沖激響應(yīng)〔IIR〕數(shù)字濾波器和有限長沖激響應(yīng)〔FIR〕數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的逼近。1.3設(shè)計(jì)工具CCS及SEED-DTK2812實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介CCS的全稱是CodeComposerStudio，它是美國德州儀器公司〔TexasInstrument,TI〕出品的代碼開發(fā)和調(diào)試套件。TI公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器〔DSP〕和微處理器〔MCU〕，CCS便是供用戶開發(fā)和調(diào)試DSP和MCU程序的集成開發(fā)軟件。TICodeComposerStudio(CCStudio)是TI

eXpressDSPTM實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的重要組成局部,它可以使開發(fā)人員充分應(yīng)用DSP的強(qiáng)大功能。隨著TI的TMS320C5000〔C5K〕和TMS320C6000〔C6K〕DSP平臺的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,已經(jīng)由其應(yīng)用于下載視頻流的手持因特網(wǎng)接入產(chǎn)品擴(kuò)展到蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)的通信根底設(shè)施,eXpressDSPTM也便獲得了越來越多軟件工程師的青睞。

嵌入式編程人員現(xiàn)可利用TI的CodeComposerStudio加快優(yōu)化DSP軟件的速度，前瞻性的綜合建議及易于使用的調(diào)整工具能夠幫助開發(fā)人員簡化并加速代碼優(yōu)化進(jìn)程。這些強(qiáng)大但易于使用的功能不僅能夠縮短開發(fā)時(shí)間，而且能夠幫助編程人員充分發(fā)揮TITMS320C6000DSP平臺器件的全部潛能。CodeComposerStudio實(shí)現(xiàn)了多場所的連通性,極大地改良了基于TI業(yè)界領(lǐng)先的TMS320C5000TM和TMS320C6000TMDSP平臺單處理器或多處理器代碼的開發(fā)、優(yōu)化及其調(diào)試工具的性能。先進(jìn)的應(yīng)用,如圖像與視頻、寬帶接入、3G無線通信及其它一些融合高性能的技術(shù)將得益于CodeComposerStudiov3.1的可靠性及其快捷的開發(fā)時(shí)間。對于那些希望把業(yè)界領(lǐng)先的C6000TMDSP平臺的高性能與C5000TMDSP平臺的低功耗相結(jié)合的系統(tǒng)開發(fā)者來說,CodeComposerStudiov3.1為使其同時(shí)調(diào)試混合多處理器成為了可能。CodeComposerStudiov3.1還增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換(RTDXTM)仿真功能,可支持來自任何地方的2至50個(gè)C5000和C6000DSP器件同時(shí)運(yùn)行。此外,支持RTDX的仿真器還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)DSP/BIOSTM仿真調(diào)試,該高級調(diào)試功能可以使開發(fā)人員更深入地了解DSP代碼在硬件或仿真狀態(tài)中的運(yùn)行情況。CodeComposerStudio?IDE提供強(qiáng)健、成熟的核心功能與簡便易用的配置和圖形可視化工具，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更快。SEED-DTK〔DSPTeachingKit〕是一套可以滿足大學(xué)本科、研究生和教師科研工作的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備。SEED-DTK是我公司在總結(jié)以往產(chǎn)品的根底上，以獨(dú)特的多DSP結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的DSP主板功能、豐富的外圍實(shí)驗(yàn)電路、精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)程序、精湛的產(chǎn)品工藝形成的高性能產(chǎn)品。本文檔主要介紹的是SEED-DTK2812實(shí)驗(yàn)箱，它由SEED-DEC2812板卡以及SEED-DTK_MBoard構(gòu)成；其中主控板是我公司生產(chǎn)的SEED-DEC2812，母板是我公司生產(chǎn)的SEED-DTK_MBoard板卡。此外，該款實(shí)驗(yàn)箱還可配置DSK板卡、圖像處理卡等多種子卡。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法及原理(1)IIR濾波器直接型結(jié)構(gòu)數(shù)字濾波器的輸入x[k]和輸出y[k]之間的關(guān)系可以用如下常系數(shù)線性差分方程及其z變換描述。(2.1)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)為(2.2)設(shè)N=M，那么傳輸函數(shù)變?yōu)?2.3)它具有N個(gè)零點(diǎn)和N個(gè)極點(diǎn)，如果任何一個(gè)極點(diǎn)在Z平面單位圓外，那么系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果系數(shù)bj全部為0，濾波器成為非遞歸的FIR濾波器，這時(shí)系統(tǒng)沒有極點(diǎn)，因此FIR濾波器總是穩(wěn)定的。對于IIR濾波器，有系數(shù)量化敏感的缺點(diǎn)。由于系統(tǒng)對序列施加的算法，是由加法、延時(shí)和常系數(shù)乘三種根本運(yùn)算的組合，所以可以用不同結(jié)構(gòu)的數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)而不影響系統(tǒng)總的傳輸函數(shù)。(2)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是從熟悉的模擬濾波器的頻率響應(yīng)出發(fā)，IIR濾波器的設(shè)計(jì)有兩種方法：第一種方法先設(shè)計(jì)模擬低通濾波器，然后通過頻帶變換而成為其他頻帶選擇濾波器〔帶通、高通等〕，最后通過濾波器變換得到數(shù)字域的IIR濾波器。第二種方法先設(shè)計(jì)模擬低通濾波器，然后通過濾波器變換而得到數(shù)字域的低通濾波器，最后通過頻帶變換而得到期望的IIR濾波器。模擬濾波器原理〔巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器〕為了用物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)逼近理想濾波器的特性，通常對理想特性作如下修改：1)允許濾波器的幅頻特性在通帶和阻帶有一定的衰減范圍，幅頻特性在這一范圍內(nèi)允許有起伏。2)在通帶與阻帶之間允許有一定的過渡帶。工程中常用的逼近方式有巴特沃斯〔Butterworth〕逼近、切比雪夫〔Chebyshev〕逼近和橢圓函數(shù)逼近。相應(yīng)設(shè)計(jì)的濾波器分別為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和橢圓函數(shù)濾波器。巴特沃斯濾波器的模平方函數(shù)由下式描述：(2.4)n為階數(shù)；Ωc為濾波器截止頻率切比雪夫?yàn)V波器比同階的巴特沃斯濾波器具有更陡峭的過渡帶特性和更優(yōu)的阻帶衰減特性。切比雪夫低通濾波器的模平方函數(shù)定義為(2.5)其中，ε為決定|Hc(Ω)|等波動(dòng)起伏幅度的常數(shù)；n為濾波器的階數(shù)；Tn(Ω)是n階切比雪夫多項(xiàng)式。3.本實(shí)驗(yàn)中IIR的算法公式：(2.6)(2.7)2.2程序設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)理論分析，我們得到了總體設(shè)計(jì)的思路和方法，根據(jù)得到的設(shè)計(jì)思路和方法，可以畫出設(shè)計(jì)的流程圖，流程圖如圖2.1所示。圖2.1程序設(shè)計(jì)流程圖2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟根據(jù)程序設(shè)計(jì)流程圖的根本思想以及CCS及SEED-DTK2812試驗(yàn)箱的使用方法，可以按一下步驟進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。首先做好準(zhǔn)備工作：〔１〕將DSP仿真器與計(jì)算機(jī)連接好；〔２〕將DSP仿真器的JTAG插頭與SEED-DEC2812單元的J1相連接；〔3〕翻開SEED-DTK2812的電源。觀察SEED-DTK_MBoard單元的＋5V，＋3.3V，＋15V，－15V的電源指示燈以及SEED_DEC2812的電源指示燈D2是否均亮；假設(shè)有不亮的，請斷開電源，檢查電源。設(shè)計(jì)步驟〔1〕翻開CCS，進(jìn)入CCS的操作環(huán)境；〔2〕裝入IIR.pjt工程文件，添加2812.gel文件，開始進(jìn)行調(diào)試；〔3〕裝載程序Filter.out；〔4〕數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)都需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)箱信號源。通過液晶屏和鍵盤，設(shè)置信號源：當(dāng)液晶屏上出現(xiàn)“通訊自檢不成功，請復(fù)位系統(tǒng)〞時(shí)，按下“Enter〞鍵，進(jìn)入“信號發(fā)生器設(shè)置〞。在“信號發(fā)生器設(shè)置〞這一菜單下：“通道〞設(shè)為“0”；“信號類型〞可根據(jù)需要任意選擇；“信號頻率〞和“信號振幅〞可在屏幕下方“有效輸入〞限定的范圍內(nèi)任意輸入，建議振幅設(shè)為1000左右，頻率〞設(shè)為300左右；“電壓偏移〞設(shè)為1；〔注：TMS320F2812的AD輸入范圍在0—3v，而SEED-DTK_MBoard板CSL初始化AD采樣初始化AD采樣無限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波的信號源默認(rèn)輸出為-1V—1V，應(yīng)選擇1V的電壓偏移〕“信號發(fā)生器開關(guān)〞設(shè)為“開啟〞。此時(shí)便有信號輸入音頻芯片AIC23的輸入端〔利用此芯片同樣可以進(jìn)行AD采集〕?！?〕翻開Filter.C在第90行“for(i=0;i<DataLong;i++)〞，95行“adconvover=0;〞，行“adconvover=1”〔6〕運(yùn)行程序到斷點(diǎn)，觀察Ad_data[]數(shù)組與filter_result[]數(shù)組的值。其中圖像顯示設(shè)置對話框中Startadderss:起始地址；AcquisitionBufferSize:輸入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；DisplayDataSize:顯示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)〔注意：顯示個(gè)數(shù)要與程序中宏定義的采樣個(gè)數(shù)一致〕；DSPDataType:數(shù)據(jù)類型。3仿真結(jié)果與分析經(jīng)過程序的反復(fù)修改和調(diào)試及系統(tǒng)的調(diào)試，根本實(shí)現(xiàn)了IIR濾波器的設(shè)計(jì)，測試用的波形是帶噪聲的方波信號，通過IIR濾波器。分析與觀察濾波前后的波形圖以及濾波前后的頻譜圖，可以確定該IIR濾波器根本到達(dá)濾波的效果和要求。仿真截圖如下。觀察輸入信號的波形圖，如圖3.1所示。圖3.1輸入信號的波形該波形是帶有噪聲的方波，不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，波形有很多毛刺。可以通過用FFT算法得到圖3.1的頻譜圖，觀察到輸入信號的頻譜圖，如圖3.2所示。圖3.2輸入信號的頻譜帶噪聲的方波經(jīng)過IIR濾波器后可以得到去噪聲的方波，如圖3.3所示。圖3.3輸出信號波形帶噪聲的方波經(jīng)過IIR濾波器后，波形變得平滑了，取出了毛刺，根本到達(dá)濾波的要求。帶噪聲的方波經(jīng)過IIR濾波器濾波后得到去噪聲的頻譜圖，如圖3.4所示。圖3.4輸出信號的頻譜圖分析帶噪聲的頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)把后面的少的高頻局部濾除掉了，剩下的頻率成分較多低頻局部留下，已到達(dá)波形的平滑。根本符合理論要求，到達(dá)了濾波的效果。4總結(jié)在課程設(shè)計(jì)的過程中，我們經(jīng)歷了感動(dòng)，經(jīng)歷了一起奮斗的酸甜苦辣。也一起分享了成功的喜悅。這次的課程設(shè)計(jì)對我們每個(gè)人來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這兩周的學(xué)習(xí)中，我學(xué)到了很多，也找到了自己身上的缺乏。感受良多，獲益匪淺。我們小組分工合作、齊心協(xié)力，一起完成了課程設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作〔閱讀課程設(shè)計(jì)相關(guān)文檔〕、小組討論分工、完成系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)文檔、課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告、在課程設(shè)計(jì)的第一天我們便對這次任務(wù)進(jìn)行了規(guī)劃和分工。在以后的幾天中，我們組的成員一起努力，查閱資料、小組討論、對資料進(jìn)行分析，課程設(shè)計(jì)這樣集體的任務(wù)光靠團(tuán)隊(duì)里的一個(gè)人或幾個(gè)人是不可能完成好的，合作的原那么就是要利益均沾，責(zé)任公擔(dān)。如果讓任務(wù)交給一個(gè)人，那樣既增加了他的壓力，也增大了完成任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了工作的效率。所以在集體工作中，團(tuán)結(jié)是必備因素，一開始我們對CCS不熟悉，后來在同學(xué)的幫助下讓我順利的完成課程設(shè)計(jì)，最后感謝老師的耐心輔導(dǎo)，在老師的輔導(dǎo)下我學(xué)會了簡單的編程。

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