基于DSP的IIR數(shù)字濾波器的設計

1、Shaanxi University of Technology畢業(yè)論文（設計）題 目基于DSP的IIR數(shù)字濾波器的設計學生姓名 學號 1210064068所在學院物電學院專業(yè)班級電信1203班指導教師黃朝軍老師完成地點實驗室A-10122016年6月7日陜西理工學院本科畢業(yè)設計任務書院（系）物理與電信工程學院專業(yè)班級 電子信息科學與技術 （電信1203）學生姓名 王喜娟一、畢業(yè)設計題目 基于DSP的IIR數(shù)字濾波器設計二、 畢業(yè)設計工作自 2015 年11 月9_ 日 起至2016年_5_ 月18 日止三、畢業(yè)設計進行地點 ：博遠樓 A1012室四、畢業(yè)設計應完成內(nèi)容及相關要求：數(shù)字濾波器是

2、指完成信號濾波處理的功能，用有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性非時變系統(tǒng)。相對于模擬濾波器，數(shù)字濾波器沒有漂移，能夠處理低頻信號，頻率響應特性可做成非常接近于理 想的特性，且精度可以達到很高，容易集成等，這些優(yōu)勢決定了數(shù)字濾波器的應用越來越廣泛。主 要研究內(nèi)容如下：1 、課題的研究背景、目的及意義；2 、數(shù)字濾波器的基本理論；3 、數(shù)字濾波器設計方法的對比分析；4 、IIR數(shù)字濾波器的性能分析及 Matlab仿真；5 、DSP上IIR數(shù)字濾波器的實現(xiàn)。五、畢業(yè)設計應收集資料及參考文獻：1 、應收集與課題相關文獻至少12篇（其中包括一篇英文文獻），文獻的發(fā)表年限應為2010年至2016年；2 、除了

3、文獻之外，所參考的書目不能超過3篇；3 、所有的參考資料要留存電子版，在交論文時一并打包交予指導教師。 六、畢業(yè)設計的進度安排：1 、接受任務書，結合任務書查閱文獻資料（包括一定數(shù)量的外文資料），給出課題設計總體方案，完成開題報告；并完成一篇外文文獻的全文翻譯工作；（1月15日3月20日）2 、結合研究內(nèi)容和設計方案，完成內(nèi)容1和2的工作；（3月20日一4月10日）3 、完成課題內(nèi)容3的工作，并提交中期報告；（4月10日一4月20日）4 、完成課題內(nèi)容 4和5的工作，并完成設計報告第一稿；（4月215月10日）5 、結合修改意見，完成設計報告，并在系統(tǒng)中提交終稿，報告字數(shù)必須在5000 字以上

4、，并按照系上統(tǒng)一要求的格式排版打印；（4月11日一5月20日）6 、制作答辯 PPT,準備答辯材料，準備答辯，并完成后續(xù)工作（5月21日6月10日）7 、必須定期與指導老師見面，匯報進展情況，按時完成論文的撰寫工作。指導教師簽名黃朝軍專業(yè)負責人簽名學院領導簽名熊曉軍 批 準日期 2016-01-11陜西理工學院畢業(yè)設計基于DSP的IIR數(shù)字濾波器的設計王喜娟（陜西理工學院物電學院電子信息科學與技術專業(yè)2012級3班，陜西 漢中723000 ）指導教師：黃朝軍摘要介紹了數(shù)字濾波器的基本原理， 對比分析了 IIR數(shù)字濾波器的常用設計方法， 借助DSP芯片的強大信號 處理能力，結合 Matlab程序

5、設計，實現(xiàn)了 IIR數(shù)字濾波器的設計。以帶通濾波器為例用matlab與DSP兩種方法分別實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，設計完成后將 Matlab與ccs上的結果進行比對，得出的結論二者的仿真基本一致，并且濾 波效果良好。結果證明，利用matlab輔助設計DSP應用程序，可大大縮短開發(fā)時間，對濾波器的設計具有一定的指導意義。關鍵詞數(shù)字濾波器；IIR；DSPThe design of IIR digital filter based on DSPWang Xijua n(Grade12,Class03,Major Electro nic In formati on Science and Tech no

6、logy,School of Physics andTelecom muni cati on Engin eeri ng,Shaa nxi Uni versity of Tech no logy, Han zho ng 723000,Shaa nxi )Tutor: Huang Chaoj unAbstract: This paper introduced the basic principle of digital filter, compares and analyzes the common design method of IIR digital filter, with the po

7、werful signal processing ability of DSP chip, combined with Matlab programming, the design of IIR digital filter is realized.The IIR digital filter is realized by using MA TLAB and DSP in two ways, with the band pass filter as an example,After the design is completed, the results of Matlab and CCS a

8、re compared, the results of the two are basically consistent, and the filtering effect is good.The results show that the use of DSP aided design matlab application, can greatly shorten the development time, the design of the filter has a certain guiding significance.Key word: digital Filter , IIR, D

9、SP目錄1引言 11.1課題研究目的及意義 11.2數(shù)字濾波器發(fā)展趨勢 11.3主要研究內(nèi)容 12數(shù)字濾波器的基本原理 22.1數(shù)字濾波器概念 22.2數(shù)字濾波器分類 22.3數(shù)字濾波器設計基本算法 32.3.1脈沖響應不變法 32.3.2雙線性變換法 42.3.3 IIR 網(wǎng)絡結構 52.4數(shù)字濾波器實現(xiàn)方法 83 IIR 濾波器設計 MATLA實現(xiàn) 83.1 MATLAB性性能介紹 83.2利用MATLA實現(xiàn)濾波器的設計方法 93.3仿真結果 113.3.1 切比雪夫I型濾波器 113.3.2切比雪夫II型濾波器 113.3.3橢圓濾波器 123.3.4三種濾波器比較 124 IIR濾波器

10、DSP實現(xiàn) 124.1 DSP芯片定義 124.2 DSP芯片特點 124.3 DSP芯片分類 134.4 TMS320C54 芯片功能 134.4.1 內(nèi)部結構 134.4.2 總線結構 144.4.3 CPU 部分 144.4.4存儲器系統(tǒng) 144.4.5片內(nèi)外設 144.5 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP中移植 154.5.1 編程思想 154.5.2流程圖 154.5.3移植結果 154.5.4 MATLAB中的仿真結果與 DSP中的結果對比 165結語 16致謝 17參考文獻 18附錄A 19附錄B 20陜西理工學院畢業(yè)設計1引言濾波是信號處理的基礎，濾波運算是信號處理中的基本運算，濾

11、波器的設計也就相應成為數(shù)字 信號處理的最基本問題之一。濾波器通常被理解為一個信號選擇系統(tǒng)，它可以通過某些成分又能衰 減或阻止其他成分1。濾波器一般可理解為選頻系統(tǒng)，如高通、低通、帶阻、帶通。濾波器分為模 擬濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器是連續(xù)時間系統(tǒng)，可分為無源濾波器和有源濾波器；數(shù)字濾波 器主要由乘法器、加法器、邏輯單元、時鐘脈沖發(fā)生器和存儲延遲單元五部分構成，具有穩(wěn)定性好， 精度高，可以時分復用，不存在阻抗匹配問題的特性。數(shù)字濾波器和模擬濾波器的濾波概念基本相同，根據(jù)其單位脈沖響應的性質(zhì)數(shù)字濾波器分為有 限長單位脈沖響應濾波器和無限長單位脈沖響應濾波器，根據(jù)頻率響應特性分為高通、低通、帶阻

12、、 帶通等類型，數(shù)字濾波器不僅具有模擬濾波器固有的優(yōu)點，比模擬濾波器的靈活性更強，濾波精度 更高，穩(wěn)定性更好。1.1課題研究目的及意義隨著信息時代、數(shù)字時代的到來，數(shù)字信號處理技術已成為一門非常重要的學科和技術領域。 數(shù)字信號處理在圖像、語音、自動控制、通信、軍事、航空航天、雷達、和醫(yī)療等多領域獲得普遍 的應用。而數(shù)字濾波在數(shù)字信號處理過程中占據(jù)著舉足輕重的地位，數(shù)字濾波性能的優(yōu)劣直接決定數(shù)字信號處理能力的強弱。數(shù)字濾波器是實現(xiàn)數(shù)字信號濾波的線性時不變系統(tǒng)，實質(zhì)上是一種運算 過程，實現(xiàn)對信號運算的處理。無限長單位脈沖響應數(shù)字濾波器和有限長單位脈沖數(shù)字濾波器是兩 種最常用的數(shù)字濾波器，其中IIR

13、數(shù)字濾波器具有運算速度快，占有存儲空間少，運算速度快，很高的計算精度，結構簡單和比較好的選頻特性，比較低的階數(shù)實現(xiàn)等優(yōu)點2-3。數(shù)字濾波器便于集成、穩(wěn)定性好、精度較高、不存在阻抗匹配問題，可以時分復用，而且數(shù)字濾波器對比模擬濾波器在信噪比、靈活性、穩(wěn)定性、濾波精度方面效果更好。 數(shù)字濾波器(DFQigitalFilter )現(xiàn)在起著非常重要的作用且得到了普遍的應用。1.2數(shù)字濾波器發(fā)展趨勢美國與德國的科學家在 1917年分別發(fā)明出LC濾波器，次年在美國獲得首個多路復用系統(tǒng)，無 源濾波器技術自50年代起逐漸的走向成熟。60年代起，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，集成的流程 和材料工業(yè)相應得到迅速發(fā)展，

14、濾波器技術向著高精度、小尺寸、多功能、低能耗的方向發(fā)展，達 到了一個新的高度。70年代后數(shù)字濾波以多功能、高精度、穩(wěn)定可靠為主攻方向，數(shù)字濾波技術也 稱為一門非常重要的學科及技術領域。以往的濾波器大多采用模擬電路技術，模擬濾波器一般由電 容、電感這些模擬器件搭建來實現(xiàn)，會有電壓飄移、溫度飄移和噪聲等問題，而數(shù)字濾波器可以通 過軟件或數(shù)字芯片來實現(xiàn)，因而不存在這些問題可以達到很高的穩(wěn)定度和精度。隨著信息時代和數(shù) 字時代的到來，單獨的軟件、硬件已不能滿足需求，所以就將軟件與硬件相結合發(fā)揮各自的優(yōu)點， 而現(xiàn)在應用最成熟的就是數(shù)字濾波器，簡稱DSP數(shù)字濾波器具有許多模擬濾波器沒有的優(yōu)點，如使用靈活、精

15、度高、可靠性強，被廣泛的應用 在語音、通信、數(shù)字電視、圖像、許多工程領域及生物醫(yī)學等哥哥科學技術領域。1.3主要研究內(nèi)容首先探討了數(shù)字濾波器的目的及意義，分析了數(shù)字濾波的基本原理，簡單介紹了數(shù)字濾波的幾 種設計方法。其次基于Matlab程序語言和DSP芯片的強大功能，以帶通濾波器為例用兩種方法實現(xiàn) 了 IIR數(shù)字濾波器的設計及仿真，并對比分析其幅頻、相頻特性。具體介紹MATLABD的性能及濾波器的實現(xiàn)方法，最后給出濾波器的仿真結果；描述了 DSP芯片定義、特點和分類，重點介紹TMS320C54芯片。最后給出IIR數(shù)字濾波器在DSP芯片中的移植結果，并對比分析matlab仿真結果與DSP中的 仿

16、真結果。2數(shù)字濾波器的基本原理2.1數(shù)字濾波器概念數(shù)字濾波器的輸入、輸出信號都是數(shù)字信號，可以濾除數(shù)字器件或程序的一些頻率成分，也可 以以數(shù)值運算的方法改變輸入信號含有頻率成分的比例，其本質(zhì)是一個線性時不變的離散系統(tǒng)由有 限精度算法來實現(xiàn)。數(shù)字濾波器是一種信號處理裝置，具有一定的傳輸特性4-5。其工作原理是利用離散系統(tǒng)性質(zhì)對系統(tǒng)輸入的信號進行有效的加工和變換以改版輸入序列的信號波形或頻譜，使有用 的信號成分通過，濾除無用的信號成分輸出。數(shù)字濾波器與模擬濾波器根據(jù)頻率響應特性都可以分 為帶通、帶阻、高通與低通四大類；數(shù)字濾波器相比模擬濾波器除了其固有的優(yōu)點外，還具有體積 小、無阻抗匹配問題、精度

17、高、重量輕、穩(wěn)定性高使用靈活等優(yōu)點，更重要的是它換可以實現(xiàn)模擬 濾波器不能實現(xiàn)的特殊功能。數(shù)字濾波器是一種電子濾波器，通過對數(shù)字信號做濾波處理而獲得預期的響應特性的離散時間 系統(tǒng)。數(shù)字濾波器在數(shù)字信號領域工作，其處理對象是模擬信號經(jīng)過采樣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號，它與工作在模擬信號域的模擬濾波器的處理對象不同。數(shù)字濾波器可以用系統(tǒng)函數(shù)、單位采樣系統(tǒng) 和微分方程等形式來表示，當研發(fā)數(shù)字濾波器時，可以直接用一個框圖來表示。2.2數(shù)字濾波器分類數(shù)字濾波器按照不同的分類方法可以分為許多種類，主要可分為現(xiàn)代濾波器和經(jīng)典濾波器兩大 類。經(jīng)典濾波器是將輸入信號中占有不同頻帶的有用信號的頻率成分與希望被濾除的頻

18、率成分通過 一個滿足要求的可選頻濾波器來濾除干擾，從而達到濾波的目的只獲得有用的信號。如果遇到有用 的信號與干擾信號的頻譜互相重疊，那么經(jīng)典濾波器就不能有效的濾除干擾信號來最大限度地恢復 信號，從而出現(xiàn)了自適應濾波器、維納濾波器和卡爾曼等現(xiàn)代濾波器?，F(xiàn)代濾波器可以最大限度地 的恢復信號，其根據(jù)隨機信號的統(tǒng)計特性在某些最佳的準則下以最大限度來抑制干擾信號，從而得到最好的濾波目的。根據(jù)濾波特性經(jīng)典濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四類【6?！?丿|"|丹3)|帶適7*.帯陰1- 一 A圖1.1各種濾波器幅頻特性根據(jù)沖激響應函數(shù)的時域性質(zhì)數(shù)字濾波器可以分為有限長沖激響

19、應數(shù)字濾波器和無限長沖激響應數(shù)字濾波器。無限長數(shù)字濾波器的特性是無限持續(xù)時間沖激響應。最常用的實現(xiàn)方法是遞歸型。其差分方程為:(2-1)NNy(n) v aiX(n -i) ' by(ni)i =0i =1系統(tǒng)函數(shù)為:H二rbZN1 '、k4_k ai z(2-2)第41頁共32頁設計IIR數(shù)字濾波器實質(zhì)上就是找到一個使其頻率響應H(Z)滿足給定的通帶截止頻率、通帶衰減系數(shù)、阻帶截止頻率及阻帶衰減系數(shù)的可以在物理上實現(xiàn)的系統(tǒng)函數(shù)H(Z).2.3數(shù)字濾波器設計基本算法2.3.1脈沖響應不變法脈沖響應不變法就是使數(shù)字濾波器的脈沖響應序列h(n)等于模擬濾波器脈沖響應ha(t)的采樣

20、值，即h(n ) 7叫夕7( nt )(2-3)式中，T為采樣周期。所以數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)H(z)由下式得出:(2-4)H(z)=Zh( n) =Z ha( nT)Z-表示對-的內(nèi)容進行Z變換。H(z)的若是得到了符合要求的模擬濾波器傳遞函數(shù)ha(s)，則相應的數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)計算方法是：1(2-5)模擬濾波器單位脈沖響應ha(t):h(t)= L H a(s)上式中,L H a(s)是對 H a (S) Laplace 逆變換。模擬濾波器單位沖激響應ha(t)采樣值也稱之為數(shù)字濾波器沖激響應序列h(n)。對數(shù)字濾波器沖激響應h(n)進行Z變換，可得到傳遞函數(shù)H(z).由以上方法得出數(shù)字濾

21、波器系統(tǒng)函數(shù)H(Z)且利用模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)ha(S)計算的步驟:將模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)用部分分式的方法展開成:N(s)k總RkS Pk(2-6)在MATLAB可通過residue函數(shù)實現(xiàn)。若調(diào)用residue函數(shù)形式為R,P,K=residue(a,b) 形式，則將下式:Ha(S)=b(s)a(s)nbnb 1b(1)sb(2)s一 b(nb)sb(nb1)nbnb_1a(1) sa(2) s a(nb)sa(nb1)(2-7 )N變換為:Ha(S)RkK( 1 K(2) s"' . K(M 1)(2-8 )y s - Pk上式稱為極點留數(shù)商向量形式。若b,a=re

22、sdue(R,P,K)則為上面調(diào)用形式的反過程。用數(shù)字極點epkT表示模擬極點戸丘得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)為NH(z)二、-k 2 1Rk(2-9)pj.-ePk Z其中T為采樣間隔。將式(2-9 )轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式，可采用R,P,K=residue(a,b) 。MATLAB的窗函數(shù)庫中包括利用沖激響應不變法來設計數(shù)字濾波器的函數(shù)，其格式為：bz,az=impinvar(b,a,Fs)，式中a,b分別是模擬濾波器的分子與分母多項式系數(shù)向量；FS為采樣頻率，單位HZ缺省時為1HZ.bz,az分別為數(shù)字濾波器分子和分母多項式系數(shù)向量。我們用例子說 明上面的函數(shù)。脈沖響應不變法的原理是將模擬濾波器h (s

23、) = 轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器H(Z),其頻率a 2s 3s 1采樣周期為T=0.1S。b=3 2;a=2 3 1;T=0.1;bz1,az1=impi nvar(b,a,1/T)程序輸出為：bz1=0.3000-0.2807az1=2.0000-3.71211.7214亠sT設計數(shù)字濾波器時要注意脈沖響應不變法的特點。脈沖響應不變法由z=e得到數(shù)字角頻率與模擬角頻率呈線性關系，其中t表示采樣間隔6。若濾波器頻率響應是有限帶寬，可以通過變換得到數(shù)字濾波器頻率響應及其接近模擬濾波器頻率響應。模擬濾波器頻率響應通過周期延拓可以得到 數(shù)字濾波器頻率響應，該方法對帶阻和高通濾波器會出現(xiàn)混疊效應并造成頻率失真

24、，所以只適用有 限帶寬濾波器，這方面的問題可以由雙線性變換法解決。2.3.2雙線性變換法雙線性變換法將s平面整個頻率軸映射到 z域一個頻率周期內(nèi)，所以s平面與z平面的映射呈非線性關系，單值雙線性映射關系為:4(2-10)2 1-7s1,z 二T1 z式中，T為采樣周期。若已知模擬濾波器傳遞函數(shù)H a（S），將（2-4 ）式帶入 H a（S）可得到數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù):H(z)(2-11)在雙線性變換中模擬角頻率與數(shù)字角頻率關系如下:tan,- 2arctan(2-12 )因此，模擬角頻率 Q和數(shù)字角頻率3為非線性關系。MATLAB的函數(shù)bilinear 是用雙線性變換法實現(xiàn)模擬s域到數(shù)字z域的

25、映射，可以直接將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。調(diào)試方法為：zd,pd,kd=bili near(z,p,k,FS)nu md,de nd=bili near( nu m,de n,FS)上式的z,p分別是零、極點列向量；k為模擬濾波器增益;FS為采樣頻率，單位 HZ; zd,pd,kd分別為零極點與增益；Mun,Den是傳遞函數(shù)分子、分母多項式的系數(shù)向量。模擬濾波器的傳遞函數(shù)形式如下式：nu m(s) nu m(1)snum(nm)s num(nn 1)(2-13 )den(s)den(1) den(nd)s den(nd 1)Numd De nd是傳遞函數(shù)分子、分母的多項式系數(shù)向量。2s 3s

26、 1將模擬濾波器 Ha（S）= 3s*2用雙線性變換法轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器，采樣間隔為T=0.1Sb=3 2;a=2 3 1;T=0.1;bz1,az=bili near(b,a,1/T)程序輸出:bz仁 0.07200.0046-0.0674az仁 1.0000-1.85600.8606雙線性變換法優(yōu)點是適于高通、帶阻等濾波器的設計，其幅值逼近效果好且能解決脈沖響應不 變法的頻譜混疊現(xiàn)象。它的缺點為頻率變換性質(zhì)會使模擬濾波器與數(shù)字濾波器的幅度、頻率對應關 系發(fā)生變化。2.3.3 IIR 網(wǎng)絡結構IIR網(wǎng)絡結構主要分為直接型、級聯(lián)型與并聯(lián)型三種。直接型系統(tǒng)傳輸函數(shù)：H(z)二M' bZ 工

27、r =S(2-14 )其N階差分方程:MN(2-15 )y(n)=無 bx(n-i)+E ai y(n-i)i _0i A網(wǎng)絡結構如圖2-1所示：級聯(lián)型IIR的系統(tǒng)函數(shù)可由直接性轉(zhuǎn)換得出。若直接型結構的傳輸函數(shù)階數(shù)變化，則系數(shù)量化 導致的誤差會影響濾波器性能，所以要選擇其他結構。將上式傳輸函數(shù)的分子、分母行因式分解可表示為：M-2 MH(z)r【一b2LZ2Hk(Z)( 2-16)k=1 1 a-kz a2k zk=i上式N2N2二N，m2二N分子、分母的實系數(shù)二階因子分別為共軛零點、極點。若把M個實系數(shù)二階。(2-16 )中的單根一階因子當做二階因子的一種特例，那么可以表示上式為X(n)Ab

28、obbm-1b2b mz-1Y(n)z-1z-1m-1z-1圖2.1直接型網(wǎng)絡結構基本級聯(lián)形式：12M12MH(z)-iu b0k b1kzb2kz2 訶 H k(Z)k 二 1 +a1kz +a2k zz(2-17)網(wǎng)絡結構如圖2-2所示:圖2.2級聯(lián)型網(wǎng)絡結構并聯(lián)型用部分分式的形式表示傳輸函數(shù)H(z)，相當于用若干個一階、二階基本網(wǎng)絡與常數(shù)的B0和表示:M 1H(z)=B0;為bok bk z1 21aikZ a2kz(2-18)上式Mi2 = n可以用二階基本節(jié)的形式表示：M1MH(z)二 Bo "bok Pkz，= Bo、Hk(z)(2-19)B "aikZ a2k

29、z B J網(wǎng)絡結構如圖2-3所示：y1( n)bo1圖2.3并聯(lián)型網(wǎng)絡結構2.4數(shù)字濾波器實現(xiàn)方法數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法主要有以下3種：(1 )用硬件來實現(xiàn)。單片機當前發(fā)展的速度快并且功能很強大，因此依靠單片機硬件環(huán)境與信號處理軟件用于數(shù)字 控制、醫(yī)療儀器等工程實際。硬件實現(xiàn)的優(yōu)點是單片性能好，成本低，容易實現(xiàn)；缺點是功能單一； 穩(wěn)定性不好；精確度不高，在要求精確的頻率濾除的情況下很可能將有用的信號也給濾掉。(2) 在通用的微型機上來實現(xiàn)。一般在計算機軟件或數(shù)字電路上實現(xiàn)，使用者不僅可以自己編寫所需的軟件，也可以使用現(xiàn)成 的。它的優(yōu)點是精度高；靈活性好，濾波器性能的改變只需要改變其程序的參數(shù)；運

30、行效率高，計 算機可以在同一時間處理多路系統(tǒng)；處理功能強；可靠性強，計算機的運行不隨周圍環(huán)境的變化而 變化。其缺點是實現(xiàn)結果的速度慢，一般用在教學和科研方面；實現(xiàn)過程復雜，成本高；可嵌入性 接口和集成不方便。(3) 用專用的信號處理 DSP片軟硬件結合來實現(xiàn)8。DSP芯片的優(yōu)點是多總線、運行速度快、有大量滿足信號處理的指令并且采用流水線的工作方 式與并行結構，等；具有方便構成大的控制系統(tǒng)的外部通信接口(SCI,SPI,CAN)；大規(guī)模集成性、較低功耗及處理能力強等。缺點是成本較高、功率消耗較大等。比較上述方法：可以用 MATLAB?軟件學習數(shù)字濾波器基本知識、計算數(shù)字濾波器系數(shù)和階數(shù)、 研究算

31、法可行性和對數(shù)字濾波器進行前期仿真。其次，可以用DSP或 FPGA來實現(xiàn)硬件電路。一般通用可編程DSP芯片具有更好的實時性與靈活性，所以本次實現(xiàn)數(shù)字濾波是采用通用可編程DSP芯片來完成。3 IIR濾波器設計MATLA實現(xiàn)基于MATLAB設計濾波器可以按照設計的要求來調(diào)整設計的參數(shù)，從而降低設計的復雜度并且是濾波器的設計最優(yōu)化。MatlabB普遍的被應用在工程計算領域，其信號處理工具箱提供了幾個直接 計算IIR數(shù)字濾波器的函數(shù)， 可以直接調(diào)用所需的函數(shù)來設計期望的濾波器。利用Matlab信號處理工具箱能夠方便的設計各種數(shù)字濾波器，設計簡單方便。3.1 MATLAB性能介紹(1) MATLAB有豐

32、富的工具箱(toolbox)。各個領域的專家學者將眾多科學領域中常用的算法編寫為一個個子程序，即M文件，這些 M文件包含在一個個工具箱中。其工具箱可以分為功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充 MATLAB符號計算、圖形可視化、建模仿真等 功能，學科性工具箱是按學科領域來分類的，如信號處理、控制、通信。系統(tǒng)辨識等工具箱。(2) 有強大的圖形繪制和可視化功能，可以進行視覺數(shù)據(jù)處理和分析，進行圖形、圖像的顯示 及編輯，能夠繪制二維、三維圖形，使用戶可以制作高質(zhì)量的圖形。(3 )程序限制不嚴格，設計自由度大，可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計 算機和操作系統(tǒng)上運行。(4)

33、 有和用其他高級語言 (如C,C+,FORTRAN,JAVA編寫的外部程序相接口的能力，也可把 MATLAB序轉(zhuǎn)換成上述高級預壓的子程序。有把外部文件及外部硬件設備讀入數(shù)據(jù)的能力。(5) 可以在多種操作系統(tǒng)下運行，如DOS Windows95/98/2000/NT、Compaq Alpha、LinuxSun Solaris 等。同時有超過 500種的數(shù)學、統(tǒng)計、科學及工程方面的函數(shù)，使用簡單快捷，并且有很 強的用戶自定義函數(shù)的能力。(6 )源程序的開放性。開放性也是MATLAB最受人們歡迎的特點之一。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB勺核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件

34、的修改以及加入自己 的文件構成新的工具箱。3.2利用MATLA取現(xiàn)濾波器的設計方法方法一：根據(jù)給定的濾波器指標及類型，直接調(diào)用對應的濾波器函數(shù)編寫M文件實現(xiàn)。借助于模擬濾波器的設計方法設計出模擬濾波器，利用脈沖響應不變法或雙線性變換法轉(zhuǎn)換成 指定的數(shù)字濾波器類型，然后用硬件或軟件實現(xiàn)10。(1 )根據(jù)給定的數(shù)字濾波器的性能指標，首先對設計性能指標中的頻率指標進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的頻率指標作為模擬帶通濾波器原型設計指標；(2) 調(diào)用相應的 MATLAE函數(shù)設計模擬帶通濾波器，估計模擬濾波無最小階數(shù)和邊界頻率；(3 )由模擬帶通原型經(jīng)頻率變換獲得相應的過渡模擬濾波器；(4)采用雙線性變換法或脈沖響應不

35、變法將相應類型的模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。方法二：利用 Matlab中的信號處理工具箱，直接調(diào)用FDAtools函數(shù)，在彈出的窗口中結合濾波器指標和類型進行設計11-12。MATLAB是 一個非常強大的軟件，它的運算能力非常強大，MATLABT具箱中有各種各樣的函數(shù)和 一些工具。FDAtool工具箱可以通過給定的濾波器參數(shù)(通帶截止頻率、通帶最大衰減、阻帶截止 頻率、阻帶最小衰減及采樣頻率)來設計數(shù)字濾波器，fdatool工具箱如圖3.1示：圖3.1 fdatool 工具箱圖3-1中右下角的 FS為采樣頻率，F(xiàn)pass和Fstop分別是通道上司截止頻率和阻帶截止頻率,Apass和Astop分

36、別是通帶最大衰減和阻帶最小衰減，令FS=1000hz, Fpass=200Hz,Fstop=400Hz,Apass=1dB,Atop=30dB.左下角選擇 lowpass 和 IIR 。下面依次生成巴特沃斯濾波器、切比雪夫I型濾波器、切比雪夫II型濾波器以及橢圓濾波器的股頻特性曲線，分別如圖3.2、3.3、3.4、3.5 :5010015020025030035D400450Frequency (Hz)o o O-2-6(msguo* 工圖3.2巴特沃斯濾波器幅頻特性曲線£p)別 100150200250300350400450Frequency (Hz)OOO05010015020

37、0250300350400450Frequency (Hs)圖3.3切比雪夫I型濾波器幅頻特性曲線S邑oDnuucE 巨圖3.4切比雪夫II型濾波器幅頻特性曲線o Hu Omp)OJpn-FmE 左501001502002503 35D4Q&450Frequency (Hz)O圖3.5橢圓濾波器幅頻特性曲線對比上圖可得，圖 3.2中信號的幅度在輸入信號是220Hz時開始衰減，在500Hz時達到最大；圖3.3中信號的幅度在輸入信號是200Hz時開始衰減，在 500Hz時達到最大；圖3.4中信號的幅度在輸入信號是260Hz時開始衰減，在410Hz時達到最大；圖3.5中信號的幅度在輸入信號2

38、00Hz時開始衰減，在420Hz時達到最大。根據(jù)要求：通帶截止頻率200Hz和阻帶截止頻率 400Hz。綜合以上分析，橢圓濾波器最符合要求。3.3仿真結果3.3.1切比雪夫I型濾波器巴特沃斯低通濾波器幅頻特性隨Q的增加而單調(diào)下降，當N較小時，阻帶幅頻特性下降較慢，要想使其幅頻特性接近理想低通濾波器，必須增加濾波器的階數(shù)，這將導致模擬濾波器使用的原件 增多，線路更復雜13。切比雪夫濾波器阻帶衰減特性則有所改善。切比雪夫I濾波器的幅頻特性和相頻特性圖如圖3.5 。圖3.4切比雪夫I型濾波器的幅頻特性niHMrIrw-MPVTI j > 詁兀 毎蟲-口 口葩 :I1 ii J -: t. H

39、+ 1 C ；3M*t 丑 I3.3.2切比雪夫II型濾波器特點：誤差值在規(guī)定的頻段上等幅變化。切比雪夫II型濾波器的幅頻特性和相頻特性如圖3.5。加 1 1O s X - 0 ; 圖3.5切比雪夫II型濾波器的幅頻、相頻特性333橢圓濾波器特點：幅值響應在通帶和阻帶內(nèi)都是等波紋的，對于給定的階數(shù)和波紋要求，橢圓濾波器能獲 得較其他濾波器為窄的過渡帶寬，就此而言，橢圓濾波器是最優(yōu)的。橢圓濾波器的幅頻特性和相頻 特性圖及如圖3.6。凸墓 礙丘植MIITIJ$444圖3.6橢圓濾波器幅頻特性和相頻特性3.3.4三種濾波器比較調(diào)用MATLAB濾波器設計函數(shù)得：當階數(shù)相同時，對相同的通帶最大衰減和阻帶

40、最小衰減，巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性且過渡帶最寬；兩種類型的切比雪夫濾波器過渡帶寬相等，比 巴特沃斯濾波器過渡帶窄，但比橢圓濾波器過渡帶寬；切比雪夫濾波器與巴特沃斯濾波器比較，切 比雪夫濾波器的通帶有波紋，過渡帶輕陡直，因此，再不允許通帶內(nèi)有波紋的情況下，巴特沃斯型 更適合；從相頻響應看，巴特沃斯型優(yōu)于切比雪夫型，前者相頻響應更接近于直線14。四種濾波器各具特點，實際應用根據(jù)濾波器階數(shù)和相位特性具體選擇。4 IIR濾波器DSP實現(xiàn)DSF數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing）是一門涉及許多學科又被許多領域廣泛應用的新興學科14。1960年以來，隨著計算機與信

41、息技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術出現(xiàn)并迅速的發(fā)展起 來。傳感器數(shù)字信號處理原理為利用傳感器對數(shù)字信號或模擬信號采集并將它轉(zhuǎn)換為計算機可識別 的電信號，然后用計算機對信號進行處理達到計算機自動控制或計算機輔助控制的目的。DSP芯片是一種適合數(shù)字信號處理運算的微處理器，用來快速、實時地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。用DSP芯片實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，既具有精確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點，又因DSP芯片的可編程性，可更方便修改濾波器參數(shù)來改變?yōu)V波器特性，設計十分靈活。4.1 DSP芯片定義DSP芯片（數(shù)字信號處理器），是一種具有特殊結構的微處理器。DSP芯片內(nèi)部采用哈弗結構，具有專門的硬件乘法器，提供特殊的D

42、SP指令，用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。4.2 DSP芯片特點根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片主要特點為：（1）在一個指令周期內(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，可同時訪問指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速 RAM通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；（4 ）快速的中斷處理及硬件 I/O支持；（5 ）有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；（6 ）支持流水線操作，使譯碼、執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行；DSP芯片的其他通用功能與通用微處理器相比較弱些。4.3 DSP芯片分類（一）按基礎特性分根據(jù)DSP芯片工作時鐘和指令類型分類。若在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何時鐘頻率上，DSP芯片可

43、以正常工作，除計算機速度有變化外，沒有性能的下降，稱為靜態(tài)DSP芯片。如TI公司的TMS320C2XX 系列芯片、日本 OKI電氣公司的DSP芯片等。若有兩種或兩種以上的DSP芯片，其指令集和相應機器代碼機管腳結構相互兼容，稱為一致性DSP芯片，如美國TI公司的TMS320C5X等。（二）按數(shù)據(jù)格式分根據(jù)DSP芯片工作數(shù)據(jù)格式分類。 數(shù)據(jù)以定點格式工作的 DSP芯片稱為定點DSP芯片，如TI公 司的TMS320C2XX/C5X TMS320C1X/2X系列等；以浮點格式工作的稱為浮點DSP芯片，如 AD公司ADSP21XX系列、TI 公司 TMS320C3X/C4X/C8X。不同浮點DSP芯片

44、采用的浮點格式不完全一樣，一些DSP芯片采用自定義浮點格式，一些DSP芯片采用IEEE標準浮點格式。（三）按用途分按DSP用途可分為通用型 DSP芯片和專用型 DSP芯片。通用型 DSP芯片適合普通的 DSP應用， 專用型DSP芯片用于待定的 DSP運算，更適合特殊的運算。4.4 TMS320C54芯片功能TMS320C54是繼TMS320C1X和TMS320C2X后的第三代定點 DSP處理器。其核心中央處理器以 TMS320C25的核心 CPU為基礎提高了整體性能。TMS320C5XT作速度為 TMS320C25的 2倍以上，對TMS320C1X和 TMS320C2X具有源代碼向上兼容特性。

45、TMS320C5XK列有 TMS320C50/C52/C53/C54等多 種產(chǎn)品，它們主要區(qū)別是片內(nèi)RAM ROM資源的多少。下面以 TMS320C54為主介紹DSP芯片。4.4.1 內(nèi)部結構TMS320C54x DSP采用先進的修正哈弗結構與 8總線結構使處理器性能大大提高。其獨立的程序 和數(shù)據(jù)總線允許同時訪問程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器，即可以在一條指令中同時執(zhí)行3次寫操作和1次讀操作。還可在數(shù)據(jù)總線與程序總線之間相互傳送數(shù)據(jù)，使其具有在單個周期內(nèi)同時執(zhí)行邏輯運 算、算術運算、乘法累加器運算、移位操作及訪問程序的強大功能。雖然TMS320C54X系列DSP芯片產(chǎn)品很多，但其體系結構基本相同，各個

46、型號主要是片內(nèi)存儲器和片外設的配置不同。C54x硬件結構分為3大塊：CPU包括乘法器、累加器、移位寄存器、算術邏輯運算單元、地址生成器、各種專門用途的寄 存器及內(nèi)部總線。存儲器系統(tǒng)包括片內(nèi)訪問數(shù)據(jù)RAM片內(nèi)程序ROM和外接存儲器接口、雙訪問數(shù)據(jù)RAM片內(nèi)外專用硬件電路包括各種類型的串口、片內(nèi)的定時器、主機接口、片內(nèi)鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器 及各種控制電路。此外，芯片中包含仿真功能和其IEEE標準接口可用于芯片開發(fā)應用時的仿真。442總線結構C54x DSP片內(nèi)包含8條16位的總線，即4條地址總線和 4條數(shù)據(jù)/程序總線。這些總線功能如 下：（1）程序總線（PB）。傳送程序存儲器的指令代碼和立即操作數(shù)。（

47、2） 數(shù)據(jù)總線（CB DB和EB）。將內(nèi)部各單元（如數(shù)據(jù)地址生成電路、CPU片外圍電路及數(shù)據(jù)存儲器、程序地址生成電路）連接在一起。CB和DB傳送數(shù)據(jù)存儲器操作數(shù)， EB傳送寫到存儲器的數(shù)據(jù)。（3） 4個地址總線（PAB CAB DAB和EAB傳送執(zhí)行指令所需地址。C54x DSP利用兩個輔助 寄存器算術運算單元（ARAU0和 ARAU1在每個周期內(nèi)產(chǎn)生兩個數(shù)據(jù)存儲器地址。PB將存放在程序空間的操作數(shù)傳送到加法器和乘法器以便執(zhí)行累加/乘法操作或通過數(shù)據(jù)傳送指令傳送到數(shù)據(jù)空間的地址。這種功能與雙操作數(shù)特性支持在一個周期內(nèi)執(zhí)行3操作數(shù)指令。C54x DSP有一條雙向總線用于尋址片內(nèi)外設。其通過CPU

48、接口的總線交換器連接 DB和EB利用這個總線寫/讀需要2個或2個以上周期，具體時間取決外圍電路結構。4.4.3 CPU 部分先進的多總線結構（1條程序總線、3條程序總線和4條程序總線）。40位算術邏輯運算單元包括 1個40位桶形移位寄存器與 2個獨立的40位累加器。17*17位并行乘法器和40位專用加法器連接用于非流水線式單周期累加/乘法運算。選擇、比較、存儲單元用于加法比較選擇。指數(shù)編碼器：可在單個周期內(nèi)計算40位累加器數(shù)值的指數(shù)。雙地址生成器：包含 8個輔助寄存器和2個輔助寄存器算術運算單元。4.4.4存儲器系統(tǒng)具有64K字程序存儲空間、192K字可尋址存儲空間、 64K字數(shù)據(jù)存儲空間及

49、64K字I/O空間， 可將C5402、C5410 C5416 C548和C549等程序空間擴展至 8M片內(nèi)雙尋址 RAM將C54x的DARAM分成若干塊，每個周期 CPU可對同一個 DARA映尋址2次， 即CPU在一個機器周期內(nèi)可對同一個 DARAM塊寫入1次和讀寫1次。DARAM可以映射到程序空間和 數(shù)據(jù)空間。一般情況 DARAM、是映射到數(shù)據(jù)存儲器空間，用于存放數(shù)據(jù)。片內(nèi)單尋址 RAM 女口 C548、C5402、C5410和 C5416等。 4.4.5片內(nèi)外設（1 ）軟件可編程等帶狀態(tài)發(fā)生器。（2）可編程分區(qū)轉(zhuǎn)換邏輯電路。（3） 數(shù)據(jù)總線具有總線保持特性（PLL）時鐘發(fā)生器。（4）可編程

50、的定時器。（5）外部總線關斷控制以斷開外部的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制信號。（6） 串口：一般 TI公司的DSP都有串行口， C54x系列DSP集成在芯片內(nèi)部的串口分為4中： 標準同步串口（ SP）、帶緩沖的串行接口（ BSF）、時分復用（TDM串行口和多通道帶緩沖串行接口（McBSP。芯片不同串口配置也不盡相同。（7）帶有內(nèi)部振蕩器或用外部時鐘源的片內(nèi)鎖相。4.5 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP中移植4.5.1 編程思想在MATLAB仿真后，需要將其向 DSP上移植，即在CCS軟件上編程匯編語言，把實現(xiàn)濾波的差 分方程用匯編語言表示出來。差分方程如下：MN(5-1)y(n)ai x(n -i)-

51、二 b(門)i =0izl將MATLAB函數(shù)產(chǎn)生的系數(shù) A B與產(chǎn)生正弦分量的定點化數(shù)據(jù)都在程序里輸入。4.5.2流程圖圖5.1實現(xiàn)濾波器的流程圖4.5.3移植結果在CCS中運行，進行仿真，仿真結果如下圖所示，明顯可以看出，在我們的通頻帶 信號通過；而通頻帶之外的信號，在經(jīng)過濾波后被濾掉。2K-6K之內(nèi),圖5.2（ a）濾波器前的疊加信號4.5.4 MATLAB中的仿真結果與圖5.2 ( b)濾波后的信號DSP中的結果對比*000 打&D qzlln貝懸>|玄旻E二蘭5F-隹 H5慮君也的g70004£KH3&MCBCMpCF-ran(>j«fl

52、£y<H2-|圖5.3 MATLAB與CCS的結果對比通過對在MATLAB DSP上的CCS實現(xiàn)相同的數(shù)字濾波結果對比，我們可以看出，其實現(xiàn)的濾波效果基本相同且較為標準，故說明設計的濾波器符合設計的要求。5結語DSP是現(xiàn)代的熱門技術，我們也是在這個大背景下選擇完成此次課題。相較于復雜的系統(tǒng)，本文只介紹一些最基本的DSP結構與使用基本的思想和方法實現(xiàn)簡單的目的。IIR濾波器是一種較為教導的電子設備，并且在數(shù)字電路中有廣泛的應用，通過這次，深入了解了數(shù)字電路中兩個使用極 其廣泛的器件。在未來，DSP將朝著更快，更小，更節(jié)能的方向發(fā)展，但是萬變不離其宗，一切發(fā)展都基于基本的原理與結構

53、，我們則是掌握了最基礎的理論知識與實際操作。本文以TMS320C54)的 DSP為例介紹了數(shù)字信號處理器原理與結構以及領略DSP的優(yōu)點。又基于DSP實現(xiàn)了 IIR數(shù)字濾波器的設計。使我們對DSP的理解更為深入，也進一步掌握DSP設計的基本思想和操作步驟流程，為今后的研究和應用打下基礎。致謝這次的基于DSP實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器中，主要涉及數(shù)字濾波器的算法，在設計過程中我真是受 益非淺。通過對所學知識回顧，充分發(fā)揮對其的理解和書面表達能力，最終完成這次課題，為今后 的學習積累經(jīng)驗。撰寫論文過程中運用專業(yè)基礎知識，對其進行分析和設計，把知識轉(zhuǎn)化為能力的 實際訓練。培養(yǎng)了自己運用知識解決實際問題的能力

54、。通過實訓我發(fā)現(xiàn)，只有理論水平提高才可以將課本知識與實踐結合，理論知識服務于實際設計，從而完成課題的設計。要做好此次設計：首先，在設計程序之前對DSP IIR數(shù)字濾波器與 MATLAB有一個系統(tǒng)的了解，知道它們是什么，有哪些性質(zhì)、功能，工作原理等；其次，要有清晰的思路和完整的流程圖。設計過程中遇到問題是正常的，我們應該把每次遇到的問題記錄，并分析清楚以免再 次遇到同樣的問題。雖然畢業(yè)設計結束了，但從中學到的知識使我受益終身。此次設計使我懂得了 學習的重要性，理解理論知識與實踐相結合的意義，學會耐心、堅持和努力，為今后的學習和工作 做出好的榜樣，另外非常感謝我的指導老師，是他讓我學會面對困難無所畏懼及一些對問題重要的 思考方法。參考文獻1 杜曉群.