IIR濾波器的DSP設(shè)計(jì)

1、南京林業(yè)大學(xué)南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題題 目：目： IIR 濾波器的 DSP 設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院：院： 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)： 電子信息工程 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 職職 稱(chēng)：稱(chēng)： 二二 O 年年 月月 日日學(xué)位論文 摘要I摘摘摘 要要要數(shù)字濾波是一個(gè)基本處理算法,在數(shù)字信號(hào)處理中占有極其重要的地位。 以 IIR 濾波器為例,闡述了 Matlab 與 CCS 及 DSP 的連接方法,說(shuō)明了利用Matlab 結(jié)合 DSP 設(shè)計(jì)濾波器的過(guò)程,以及如何在 Matlab 環(huán)境中調(diào)試 DSP 程序。主要介紹 IIR 濾波器的原理及使用方法，在 TMS3

2、20C54XDSP 上的設(shè)計(jì)及編程方法，用 MATLAB 計(jì)算出 IIR 數(shù)字濾波器的系數(shù)，最后在 C5402 Device Simulator DSP 上得以實(shí)現(xiàn)，并通過(guò) CCS(come composer studio)的輸入輸出功能保證實(shí)現(xiàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的一致性。關(guān)鍵詞：IIR；TMS320C54X；DSP；CCS； MATLAB；FDAtool學(xué)位論文 AbstractIIAbstractAbstractAbstractDigital filter is a basic algorithm and a very important role in digital signal proc

3、essing.Takes the IIR filter as an example to illustrate the connection method of MatLab with CCS and DSP, illuminates the process of designing filter by using MatLab with DSP and how to debug the DSP procedure in MatLab environment.The design abstract mainly introduced the principle and application

4、method of the IIR filter, on the TMS320C54XDSP design and the programming method, calculate the IIR numeral filter with MATLAB the coefficient, finally can realize on C5402 Device Simulator DSP, and through CCS (come composer studio) input output function guarantee realization result and simulation

5、result uniformity. KeyKey wordswords：IIR；TMS320C54X；DSP；CCS；MATLAB；FDATool目錄目錄目錄摘摘摘 要要要 .IABSTRACTABSTRACTABSTRACT .II第一章 緒論 .11.1 DSP 芯片的發(fā)展概況.11.1.1 DSP 芯片的特點(diǎn) .21.2 模擬濾波器 .21.3 數(shù)字濾波器的定義 .31.3.1 數(shù)字濾波器的作用及特點(diǎn).41.4 數(shù)字濾波器及設(shè)計(jì)方法 .4第二章 軟件工具 .62.1 MATLAB 的介紹.62.1.1 MATLAB FDATool 的介紹 .62.1.2 二維曲線繪制的基本指令 plo

6、t .72.2 CCS 的介紹.82.2.1 CCS 的組成 .92.2.2 CCS 的主要功能 .92.2.3 CCS 文件名介紹 .102.2.4 CCS 的基本操作 .10第三章 TMS320C54X 的硬件結(jié)構(gòu).113.1 TMS320C54X的基本結(jié)構(gòu).113.1.1 TMS320C54x 的主要優(yōu)點(diǎn) .113.1.2 TMS320C54x 的組成 .113.2 存儲(chǔ)器空間 .113.3 乘法器 .133.4 小數(shù)運(yùn)算 .14第四章 IIR 數(shù)字濾波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn).164.1.1 基于 DSP 的 IIR 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)步驟和條件.194.2 IIR 濾波器的 MATLAB語(yǔ)言

7、設(shè)計(jì).194.3 匯編語(yǔ)言程序在 CCS 中的調(diào)試 .22結(jié)束語(yǔ) .28致 謝 .29參考文獻(xiàn) .30附錄 .321. 使用 MATLAB語(yǔ)言轉(zhuǎn)換通用語(yǔ)言 .322直接形式三階 IIR 濾波器.333直接形式二階 IIR 濾波器的匯編語(yǔ)言程序.38學(xué)位論文 第一章緒論 1第一章第一章第一章 緒論緒論緒論進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，數(shù)字化浪潮正在席卷全球，數(shù)字信號(hào)處理器 DSP（Digital Signal Processor）正是這場(chǎng)數(shù)字化革命的核心，無(wú)論在其應(yīng)用的廣度還是深度方面，都在以前所未有的速度向前發(fā)展。TMS320C54X（以下簡(jiǎn)稱(chēng)C54X）是 TI 公司于 1996 年推出的新一代高性能

8、定點(diǎn) DSP。該系列芯片具有很高的性能價(jià)格比、體積孝功耗低、功能強(qiáng)，已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的重要器件。1.11.1 DSPDSP芯片的發(fā)展概況芯片的發(fā)展概況 DSP 芯片誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，至今已經(jīng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并經(jīng)歷了以下三個(gè)階段。第一階段，DSP 的雛形階段（1980 年前后）：1978 年 AMI 公司生產(chǎn)出第一片 DSP 芯片 S2811。1979 年美國(guó) Intel 公司發(fā)布了商用可編程 DSP 器件 Intel2920,由于內(nèi)部沒(méi)有單周期的硬件乘法器，使芯片的運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算精度受到了很大的限制。運(yùn)算速度大約為單指令周期 2002

9、50ns，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事或航空航天部門(mén)。 第二階段，DSP 的成熟階段（1990 年前后）：這個(gè)時(shí)期的 DSP 器件在硬件結(jié)構(gòu)上更適合數(shù)字信號(hào)處理的要求，能進(jìn)行硬件乘法、硬件 FFT 變換和單指令濾波處理，其單指令周期為 80100ns。20 世紀(jì) 80 年代后期，以TI 公司的 TMS320C30 為代表的第三代 DSP 芯片問(wèn)世，伴隨著運(yùn)算速度的進(jìn)一步提高，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。 第三階段，DSP 的完善階段（2000 年以后）：這一時(shí)期各 DSP 制造商不僅使信號(hào)處理能力更加完善,而且使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更加方便、程序編輯調(diào)試更加靈活、功耗進(jìn)一步降低、成本不斷下降。此時(shí) DS

10、P 運(yùn)算速度可達(dá)到單指令周期 10ns 左右，使 DSP 芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域。硬件方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的串行總線傳輸、大容量片上 RAM 和 ROM、程序加密、增加 I/O 驅(qū)動(dòng)能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。 DSP 芯片的問(wèn)世是個(gè)里程碑，它標(biāo)志著 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。學(xué)位論文 第一章緒論 21.1.11.1.1 DSPDSP 芯片的特點(diǎn)芯片的特點(diǎn) 1采用哈佛結(jié)構(gòu) DSP 芯片采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu) 。2采用多總線結(jié)構(gòu) DSP 芯片都采用多

11、總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 CPU 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問(wèn)，大大地提高了 DSP 的運(yùn)行速度。 3采用流水線技術(shù) 利用這種流水線結(jié)構(gòu)，加上執(zhí)行重復(fù)操作，就能保證在單指令周期內(nèi)完成數(shù)字信號(hào)處理中用得最多的乘法 - 累加運(yùn)算。4. 配有專(zhuān)用的硬件乘法-累加器 為了適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的需要，當(dāng)前 DSP 芯片配有專(zhuān)用的硬件乘法-累加器，在一個(gè)周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的乘法-累加操作。5. 具有特殊的 DSP 指令 6快速的指令周期 由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成

12、電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使指令周期可在 20ns 以下。7硬件配置強(qiáng) 新一代的 DSP 芯片具有較強(qiáng)的接口功能，除了具有定時(shí)器、主機(jī)接口（HPI） 、DMA控制器等待狀態(tài)發(fā)生器等片內(nèi)外設(shè)外，還配有中斷處理器、PLL、片內(nèi)存儲(chǔ)器、測(cè)試接口等單元電路，可以方便地構(gòu)成一個(gè)嵌入式自封閉控制的處理系統(tǒng)。 8支持多處理器結(jié)構(gòu) 9省電管理和低功耗 1.21.2 模擬濾波器模擬濾波器 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有的模擬濾波器設(shè)計(jì)的成熟技術(shù)而完成的。兩種常用的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法：巴特沃思(Butterworth)濾波器和切比雪夫(Chebyshev)濾波器。巴特沃思巴特沃思 Butterworth 低通濾波器低

13、通濾波器巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種。這種濾波器最先由英國(guó)工程師斯替芬巴特學(xué)位論文 第一章緒論 3沃斯（Stephen Butterworth）在 1930 年發(fā)表在英國(guó)無(wú)線電工程期刊的一篇論文中提出的。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波得圖上,從某一邊界角頻率開(kāi)始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負(fù)無(wú)窮大。BW 濾波器以巴特沃思函數(shù)來(lái)近似濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，BW 的低通模平方函數(shù)為：221()1 (/)NcH jjj N=1，2 （階數(shù)） 指定p、PA后，帶=p到公式得：0.1101PA當(dāng)PA=2dB

14、時(shí)，=1，指定ssA后，帶=s到上式，得：20.122211()101 (/)1SAsSNscH j 0.1101SA 切比雪夫（切比雪夫（Chebyshev）低通濾波器）低通濾波器 切比雪夫低通濾波器采用切比雪夫函數(shù)來(lái)逼近給定的指標(biāo)，該函數(shù)具有等波紋特性。它可將指標(biāo)要求均勻發(fā)布在通帶（或阻帶）內(nèi)，故如此設(shè)計(jì)出的濾波器階數(shù)較低。 切比雪夫型：通帶等波紋、阻帶單調(diào) 切比雪夫型：通帶單調(diào)、阻帶等波紋切比雪夫型的幅度平方函數(shù)為：2221()1(/)aNCHjC 其中：為表示通帶紋波大小的參數(shù)（ PARAM PAGE 0 stack : DARAM PAGE 1 filter_vars: DARAM

15、PAGE 1 .bss : DARAM PAGE 1 .data : DARAM PAGE 1 3直接形式二階直接形式二階 IIR 濾波器的匯編語(yǔ)言程序?yàn)V波器的匯編語(yǔ)言程序 .mmregs .ref filter_start .def _main ;定義主函數(shù)入口K_DATA_SIZE .set 256 ; 輸入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)K_BUFFER_SIZE.set 8 ; processing buffer size,must be greater than the number of a and b, and must be power of 2K_STACK_SIZE .set 256 ; 堆棧大小

16、X .usect X,3Y .usect Y,3B .usect B,3A .usect A,3PA0 .set 0PA1 .set 1K_CIR .set K_BUFFER_SIZESTACK .usectstack,K_STACK_SIZESYSTEM_STACK .set K_STACK_SIZE+STACKDATA_DP .usect filter_vars,0filterdata .usect filter_vars,K_DATA_SIZEbufferdatay .usect filter_vars,K_BUFFER_SIZE*2bufferdatax .usect filter_v

17、ars,K_BUFFER_SIZE*2 .data .global inputdata學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 38inputdata.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,150

18、66,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,113

19、68,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-24

20、44,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,45

21、95,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16305.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16304.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16304.WORD 21

22、315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 39.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16304.WORD 21315,4595,-2444,11368,15066,-2014,-8408,6957.WORD 12879,-1643,-5536,11893,19128,4966,428, 16304 .text .asg AR2,ORIGIN .asg AR3,INPUT .asg AR4,FILTER .asg AR5,OUTPUT;START: _main: SSBX FRC

23、T SSBX INTM LD #DATA_DP,DP STM #STACK,SP CALL filter_start NOP NOP NOPLOOP B LOOP .def b1,b2,b3,a1,a2 .def filter_startb1 .set 00EDH ;b1=0.00725 b2 .set -02C9H ;b2=-0.027625 b3 .set 02C9H ;b3=0.02762a1 .set 12DFH ;a1=0.1474375a2 .set 0ED0H ;a2=0.11475 .textfilter_start: STM #inputdata,ORIGIN學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 40 STM #bufferdatax,INPUT STM #bufferdatay,FILTER STM #filterdata,OUTPUT;*濾波* STM #X,AR1 ;傳送初始數(shù)據(jù) x(n-2),x(n-1) RPT #1 MVPD #ORIGIN,*AR1+ STM #Y,AR1 ;傳送初始數(shù)據(jù) y(n-2),y(n-1) RPT #1 MVPD #ORIGIN,*AR1+ STM