基于DSP的數(shù)字濾波器的設(shè)計

1、目錄摘要.I第 1 章 課程設(shè)計的目的和要求.1第 2 章 系統(tǒng)功能介紹及總體設(shè)計方案.2第 3 章 主要內(nèi)容和步驟.33.1 濾波器原理.33.2 操作步驟.3第 4 章 詳細設(shè)計.4第 5 章 實驗過程.55.1 匯編語言實驗步驟與內(nèi)容.55.2 實驗過程中出現(xiàn)的錯誤及解決的辦法.75.3 CCS 程序運行后的各種輸出結(jié)果.7第 6 章 結(jié)論與體會.10參考文獻.11附件：源程序清單.12DSP 實現(xiàn) FIR 濾波的關(guān)鍵技術(shù).12匯編程序清單.14第 1 章 課程設(shè)計的目的和要求通過課程設(shè)計，加深對DSP芯片TMS320C54x的結(jié)構(gòu)、工作原理的理解，獲得DSP應(yīng)用技術(shù)的實際訓(xùn)練，掌握設(shè)計

2、較復(fù)雜DSP系統(tǒng)的基本方法。通過使用匯編語言編寫具有完整功能的圖形處理程序或信息系統(tǒng)，使學(xué)生加深對所學(xué)知識的理解，進一步鞏固匯編語言講法規(guī)則。學(xué)會編制結(jié)構(gòu)清晰、風(fēng)格良好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)膮R編語言程序，從而具備解決綜合性實際問題的能力。第 2 章 系統(tǒng)功能介紹及總體設(shè)計方案2.1 系統(tǒng)功能介紹一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，總存在各種干擾。數(shù)字濾波器在語音信號處理、信號頻譜估計、信號去噪、無線通信中的數(shù)字變頻以及圖像信號等各種信號處理中都有廣泛的應(yīng)用，數(shù)字濾波器也是使用最為廣泛的信號處理算法之一。在本設(shè)計中，使用MATLAB模擬產(chǎn)生合成信號，然后利用CCS進行濾波。設(shè)定模擬信號的采樣頻率為400000Hz，

3、。設(shè)計一個FIR低通濾波器，其參數(shù)為：濾波器名稱： FIR低通濾波器采樣頻率： Fs=40000Hz通帶/阻帶截止頻率： 4000Hz4500Hz通帶最大衰減： 0.5dB阻帶最少衰減： 50dB濾波器級數(shù)： N=154濾波器系數(shù)： 由MATLAB根據(jù)前述參數(shù)求得。2.2 總體設(shè)計方案流程圖 使用MATLAB編寫程序產(chǎn)生待濾波數(shù)據(jù) 使用MATLAB 濾波器的設(shè)計分析工具 FDATOOL設(shè)計 FIR 濾波器 使用 CCS編寫程序?qū)崿F(xiàn)濾波功能 查看程序運行后的輸入輸出波形并比較濾波效果 圖1 總體設(shè)計方案第 3 章 主要內(nèi)容和步驟3.1 濾波器原理對于一個FIR濾波器系統(tǒng)，它的沖擊響應(yīng)總是又限長的

4、，其系統(tǒng)函數(shù)可記為： 10NnnH zh n z其中是FIR的濾波器的階數(shù)，為延時結(jié)，為端口信號函數(shù)。1N nz h n最基本的FIR濾波器可用下式表示： 10Nky nh k x nk其中輸入采樣序列，是濾波器系數(shù)，是濾波器的階數(shù)表x nk h kN Y n示濾波器的輸出序列，也可以用卷積來表示輸出序列與、的關(guān)系， y n x n h n如下： y nx nh n3.2 操作步驟（1）打開FDATOOL,根據(jù)濾波要求設(shè)置濾波器類型、通帶截止頻率、指定階數(shù)、采樣頻率等。指定完設(shè)計參數(shù)后單擊按鈕Design Filter，生成濾波器系數(shù)。（2）把生成的濾波器系數(shù)傳到目標(biāo)DSP。選擇菜單Targe

5、ts-Export to Code Composer Studio(tm)IDE，打開Export to C Header File對話框，選擇C header file，指定變量名(濾波器階數(shù)和系數(shù)向量)，輸出數(shù)據(jù)類型可選浮點型或32 b，16 b整型等，根據(jù)自己安裝選擇目標(biāo)板板號和處理器號，單擊OK，保存該頭文件，需指定文件名(filtercoeffh)和路徑(保存在c：timyprojectsfir工程中)。（3）修改CCS匯編程序，刪掉數(shù)據(jù)前的所有文字，在開頭加上.data，第二行加coeff .word,在每行的前面加上.word，比且把每行的最后的逗號去掉。（4）編譯匯編程序，如果

6、有錯誤，按錯誤進行修改；沒錯誤，則往下執(zhí)行。（5）加載初始化DATA數(shù)據(jù)。運行程序，查看輸入輸出波形，修改相應(yīng)參數(shù)進行調(diào)試第 4 章 詳細設(shè)計在本實驗中使用MATLAB模擬產(chǎn)生信號，觀察濾波前的時域波形和頻域波形。MATLAB仿真后，使用得到的濾波器參數(shù)，進行DSP編程，在DSP中實現(xiàn)帶通濾波，并使用CCS的頻譜分析功能，查看DSP的濾波效果。MATLAB程序流程圖如圖4.1所示 初始化 產(chǎn)生需要慮波信號 畫出原始信號頻譜圖 生成fir 濾波器 進行濾波 初始化 圖4.1 MATLAB程序流程圖CCS匯編程序流程圖如圖4.2所示 畫出濾波后信號頻譜圖 是否有待濾波數(shù)據(jù) 輸入原始信號 定義濾波器

7、系數(shù) 為原始信號和系數(shù)指定寄存器 做濾波算法 本次濾波結(jié)束待濾波系數(shù)減一 濾波結(jié)束 是圖4.2 CCS匯編程序流程圖第 5 章 實驗過程5.1 匯編語言實驗步驟與內(nèi)容MATLAB輔助DSP 實現(xiàn)FIR ,其總體過程為在DSP 中編寫處理程序，在MATLAB中利用濾波器設(shè)計、分析工具( FDATOOL) ,根據(jù)指定的濾波器性能快速設(shè)計一個FIR ,然后把濾波器系數(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,便于采用匯編語言來實現(xiàn)程序。頭文件名不變,當(dāng)MATL

8、AB中設(shè)計的濾波器系數(shù)改變時,相應(yīng)頭文件中系數(shù)也改變,方便了程序調(diào)試、仿真。（1）在MATLAB中先編寫程序，查看待濾波和已濾波的信號的時域和頻域波形，如圖5.1和圖5.2所示。 圖 5.1 待濾波信號的時域圖 圖 5.2 待濾波信號的頻域圖利用FDA TOOL 設(shè)計FIR 濾波器的參數(shù)，操作步驟如圖5.3所示。圖 5.3 FIR 濾波器的參數(shù)打開Export，把Numerator改為B,如圖5.4所示。圖 5.4 Export 設(shè)置已濾波的信號的時域和頻域波形，如圖5.5和圖5.6所示。圖 5.5 已濾波信號時域波形圖 圖 5.6 已濾波信號頻域波形圖MATLAB濾波器設(shè)計工具在完成FIR設(shè)

9、計后,如圖5.7所示，在Export as中選擇16bit符號整數(shù)輸出，然后單擊OK按鈕。生成fir.h C語言頭文件。將系數(shù)稍作修改，調(diào)整后拷貝到程序的系數(shù)初始化空間即可。圖 5.7 MATLAB 輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換圖（2）在CCS中編寫匯編語言程序，進行調(diào)試，實現(xiàn)帶通濾波的功能。在CCS IDE 中建立LHM.pjt工程,用匯編語言編寫處理主程序fir.asm。另外根據(jù)板上的存儲器配置方式,編寫存儲器配置文件fir.cmd文件,將MATLAB生成的LHM.h和input1.dat文件拷貝到LHM.pjt工程文件夾下，進行編譯、鏈接,生成可執(zhí)行文件LHM.out。 （3）加載初始化data數(shù)據(jù)，圖

10、5.8所示。圖 5.8 data 初始化圖運行程序，查看輸入輸出波形，修改相應(yīng)參數(shù)進行調(diào)試。5.2 實驗過程中出現(xiàn)的錯誤及解決的辦法（1）在MATLAB程序設(shè)計中，采樣頻率設(shè)置的過小，截止頻率大于采樣頻率的一半，運行的時候圖形出現(xiàn)錯誤。（2）FIR.m中的采樣頻率要和開始設(shè)置時的采樣頻率一致，否則結(jié)果會出現(xiàn)偏差。（3）在CCS中未定義標(biāo)號，程序運行錯誤。（4）在.h文件中未把coeff頂格寫，編譯時出現(xiàn)錯誤。（5）未將fir.h和input.dat文件考入工程文件中。（6）間接尋址過程中，程序中丟失。 (7) 在View的Graph中單擊Time/frequency出現(xiàn)graph proper

11、ty dialog框，未修改抽樣點數(shù)。顯示的圖形出現(xiàn)差異5.3 CCS 程序運行后的各種輸出結(jié)果在View的Graph中單擊Time/frequency出現(xiàn)graph property dialog框。將顯示類型，圖形名稱，起始地址，抽樣點數(shù)，數(shù)據(jù)類型等分別進行設(shè)置，輸出各種波形。輸出濾波前的信號時域波形。首先，設(shè)置如圖5.9所示，輸出濾波前的信號時域波形。圖 5.9 Graph property dialog 設(shè)置框圖單擊OK后生成如下圖5.10波形。圖 5.10 濾波前信號波形圖圖5.10為濾波前的信號，波形很雜亂，從時域上很難看出信號的周期性。修改相應(yīng)設(shè)置，輸出如圖5.11所示濾波前信號

12、頻譜。圖 5.11 濾波前信號頻譜波形圖經(jīng)過濾波后，時域波形頻譜波形如圖5.12 和 5.13所示。圖 5.12 濾波后信號時域波形圖圖 5.13 濾波后信號頻譜圖由上述的所有截圖可知，輸入?yún)?shù)中，通帶截止頻率和阻帶截止頻率是比較重要的兩個參數(shù)，不宜過小，過小濾掉的高頻成分太多，很難還原出遠波形的形狀，也不宜過大，過大濾波效果欠佳。在本課程設(shè)計中，通帶截止頻率選用4000Hz,阻帶截止頻率選用4500Hz，因此，顯示圖形時的，時域顯示的抽樣點數(shù)為1024，頻域顯示的帶寬為0.5Hz。對比濾波前后信號的時域圖5.10和5.12、頻譜波形圖5.11和5.13可以知道，濾波前的時域信號的波形圖的波形

13、很雜亂，很難看出信號的周期性，濾波后周期性也相對的明顯起來了；濾波前信號分布在整個頻帶上，濾波后阻帶范圍內(nèi)的基本被濾掉，這些都可以從上述截圖看出。第 6 章 結(jié)論與體會通過本次課程設(shè)計，讓我了解了數(shù)字濾波是信號處理技術(shù)中的重要部分，研究了數(shù)字濾波器的基本理論知識以及它實現(xiàn)方法。學(xué)習(xí)了數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計理論，掌握了各種數(shù)字濾波器的原理和特性。并且復(fù)習(xí)了MATLAB的相關(guān)知識，并且利用MATLAB與CCS設(shè)計了低通濾波器以及高通濾波器，還研究了如何在定點DSP中實現(xiàn)數(shù)字濾波器的算法，學(xué)到了16位定點DSP芯片TMS320C5402的硬件、軟件結(jié)構(gòu)和特性，掌握了CCS環(huán)境下的程序開發(fā)方法、調(diào)試工

14、具的使用及優(yōu)化級別的選擇等。研究了MATLAB環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，利用MATLAB軟件編程實現(xiàn)FIR濾波器設(shè)計。利用DSP來快速設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的方法，尋找系數(shù)的快速傳遞，MATLAB中調(diào)試仿真DSP程序。DSP作為一門新興學(xué)科，越來越引起人們的關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是(DSP)利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合們需要的信號形式。數(shù)字信號處理(DSP)是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用等

15、幾個方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號處理在理論上的發(fā)展推動了數(shù)字信號處理應(yīng)用的發(fā)展。反過來，數(shù)字信號處理的應(yīng)用又促進了數(shù)字信號處理理論的提高。而數(shù)字信號處理的實現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁。數(shù)字信號處理DSP是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。所以在今后的工作和學(xué)習(xí)生活中，綜合運用模擬電子、數(shù)字電子和DSP基本原理等課程中所學(xué)的理論知識去獨立完成一個項目的設(shè)計。不僅要完善以上的MATLAB設(shè)計方法，更要學(xué)會利用多種途徑設(shè)計各種DSP最小系統(tǒng)，熟練C語言編程。參考文獻1戴明楨等編著.TMS320C54X DSP 結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用. 北京：航空航天大學(xué)出版社，第 2 版，2007；2彭啟琮編著.

16、DSP 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2002；3胡廣書編著.數(shù)字信號處理理論、算法與實現(xiàn).北京：清華大學(xué)出版社，2005；4北京合眾達電子技術(shù)有限公司編著.SEED-DTK 系列實驗手冊.北京合眾達電子技術(shù)有限公司出版，2007。5 李真芳，蘇濤等.DSP 程序開發(fā)一 MATLAB 調(diào)試及直接目標(biāo)代碼生成M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.87-163.6 樓順天，李博函.基于 MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計一信號處理M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1998.81-88.7王秀芳，關(guān)凌濤.基于 MatLab 與 DSP 的濾波器的快速設(shè)計方法期刊文章.現(xiàn)代計算機，2008

17、，總第二七七期：97-998趙秀玲.基于定點 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器的研究與設(shè)計碩士論文.曲阜師范大學(xué)，2007.15-329羅軍輝，羅勇江等.MATLAB 在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用M.北京:機械工業(yè)出版社，2005.63-128.附件：源程序清單DSP 實現(xiàn) FIR 濾波的關(guān)鍵技術(shù)用線性緩沖區(qū)實現(xiàn) FIR 濾波器程序清單： .title “FIR1.ASM” .mmregs .def start x .usect “x”，8 PA0 .set 0 PA1 .set 1 .data COEF： .word 1*32768/10 .word 2*32768/10 .word -4*3276

18、8/10 .word 3*32768/10 .word -4*32768/10 .word 2*32768/10 .word 1*32768/10 .textstart: SSBX FRCT STM #x+7,AR2 STM #6,AR0 LD #x+1,DP PORTR PA1,x+1FIR1: RPTZ A,#6 MACD *AR2-,COEF,A STH A,*AR2 PORTW *AR2+,PA0 BD FIR1 PORTR PA1,*AR2+0 .end 用循環(huán)緩沖區(qū)實現(xiàn) FIR 濾波器程序清單： .title “FIR2.ASM” .mmregs .def start .bss y

19、,1xn .usect “xn”,7b0 .usect “b0”,7PA0 .set 0PA1 .set 1 .datatable: .word 1*32768/10 .word 2*32768/10 .word 3*32768/10 .word 4*32768/10 .word 5*32768/10 .word 6*32768/10 .word 7*32768/10 .text start: SSBX FRCT STM #b0,AR1 RPT #6 MVPD table,*AR1+ STM #xn+6,AR2 STM #b0+6,AR3 STM #7,BK STM #-1,AR0 LD #x

20、n,DP PORTR PA1,xnFIR2: RPTZ A,#6 MAC *AR2+0%,*AR3+0%,A STH A,y PORTW y,PA0 BD FIR2 PORTR PA1,*AR2+0% .end 匯編程序清單lhm.h 文件內(nèi)容： .datacoeff .word -85, -64, -61, -36, 8, 62, 110, 136, 131 .word 96, 42, -11, -44, -44, -11, 39, 85, 106 .word 88, 37, -29, -83, -101, -73, -7, 70, 124 .word 131, 82, -5, -96, -

21、151, -144, -72, 37, 140 .word 191, 162,61, -76, -191, -231, -174, -35, 132 .word 256, 278, 180, -7, -208, -337, -330, -176, 72 .word 316, 445, 392, 156, -178, -475, -599, -470, -108 .word 361, 745, 857, 594, -6, -748, -1336, -1456, -893 .word 386, 2192, 4154, 5816, 6768, 6768, 5816, 4154, 2192 .word

22、 386, -893, -1456, -1336, -748, -6, 594, 857, 745 .word 361, -108, -470, -599, -475, -178, 156, 392, 445 .word 316, 72, -176, -330, -337, -208, -7, 180, 278 .word 256, 132, -35, -174, -231, -191, -76, 61, 162 .word 191, 140, 37, -72, -144, -151, -96, -5, 82 .word 131, 124, 70, -7, -73, -101, -83, -2

23、9, 37 .word 88, 106, 85, 39, -11, -44, -44, -11, 42 .word 96, 131, 136, 110, 62, 8, -36, -61, -64 .word -85Fir.asm 內(nèi)容：.titlefir.asm.mmregs.global _c_int00ORDER .set154D_LEN.set1024; The Length of Input Dataxn.usect xn,(ORDER-1)a0.usect a0,(ORDER-1)input.usect input,D_LENoutput .usect output,D_LEN.copy HM.h; Get coefs from coef.h.text.asgAR0, FIR_INDEX.asgAR2, FIR_DATA.asgAR3, FIR_COEF.asgAR5, DATA_IN.asgAR6, DATA_OUT_c_int00:SSBX FRCT STM #a0,FIR_COEF; Copy a0(coefs) to FIR_COEF(AR3) RPT #ORDER-1 MVPD #coeff,*FIR_COEF+ STM#1, FIR_INDEX STM#xn, FIR_DATA; Copy xn(data) to FIR_