FIR濾波器的設計電子版本

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。FIR濾波器的設計1引言1.1FIR濾波器的介紹隨著信息時代、數字世界的到來，數字信號處理已成為一門極其重要的學科和技術領域。數字信號處理是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術，處理的內容包括對數字信號的濾波、變換、頻譜分析、檢測、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。由于大規(guī)模集成電路以及數字計算機的飛速發(fā)展，加之從60年代末以來數字信號處理理論和技術的成熟和完善，用數字方法來處理信號，即數字信號處理，已逐漸取代模擬信號處理。數字信號處理技術的應用領域非常廣泛，而數字濾波器的設計是數字信號處理中最重要

2、的設計環(huán)節(jié)。數字濾波器分為IIR濾波器和FIR濾波器。本次課設使用的是FIR濾波器。FIR濾波器即有限長單位響應濾波器，是數字信號處理系統中最基本的原件?？梢栽诒ＷC任意頻率特性的同時具有嚴格的線性相位特性。同時其單位沖激響應是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統。FIR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領域具有廣泛的應用。FIR濾波器誤反饋回路，是一種穩(wěn)定系統，可以設計成具有線性相位特性。設FIR濾波器的系數為h(0)、h(1)h(N-1)，X(n)表示濾波器在n時刻的輸入，則那時刻的輸出為：y(n)=h(0)*x(n)+h(1)*x(n-1)+h(N-1)*xn-(N-1)FIR數字濾波器的結構

3、圖如圖1所示：圖1FIR濾波器的結構圖1.2MATLAB的介紹MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。主要應用于工程計算、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析、控制系統設計以及計算生物學等眾多應用領域。MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）之意。除具備卓越

4、的數值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來解算問題要比用C,FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。當前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括擁有數百個內部函數的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算,可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包,控制工具包,信號處理工具包,通信工具包等都屬于此類。除內部函數外,所有MA

5、TLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包。1.3CCS的介紹CCS軟件簡介CCS（CodeComposerStudio）代碼調試器是一種合成開發(fā)環(huán)境。它是一種針對標準TMS320調試器接口的交互式方法。CCS目前有CCS1.1，CCS1.2和CCS2.0等三個不同時期的版本，又有CC2000(針對C2XX)，CCS5000(針對C54XX)和CCS6000(針對C6X)三個不同的型號。我們所使用的是CCS50002.2的版本。CCS5000具有以下特性：TI編譯器的完全集成的環(huán)境：CCS5000目標管理系統，內建編輯器，所有的

6、調試和分析能力集成在一個Windows環(huán)境中。對C和DSP匯編文件的目標管理：目標編輯器保持對所有文件及相關內容的跟蹤。它只對最近一次編譯中改變過的文件重新編譯，以節(jié)省編譯時間。高集成的編輯器調整C和DSP匯編代碼：CCS5000的內建編輯器支持C和匯編文件的動態(tài)語法加亮顯示。使用戶能很容易地閱讀代碼和當場發(fā)現語法錯誤。編輯和調試時的后臺編輯：用戶在使用編譯器和匯編器時沒有必要退出系統到DOS環(huán)境中，因為CCS5000會自動將這些工具裝載在它的環(huán)境中。在其窗口中，錯誤會加亮顯示只要雙擊錯誤就可以直接到達出錯處。在含有浮點并行調試管理器(PDM)的原有的MS窗口下支持多處理器CCS5000在Wi

7、ndows95和Windows-me中支持多處理。PDM允許將命令傳播給所有的或所選擇的處理器。在任何算法點觀察信號的圖形窗口探針：圖形顯示窗口使用戶能夠觀察時域或頻域內的信號。對于頻域圖，FFT在主機內執(zhí)行，這樣就可以觀察所感興趣的部分而無須改變它的DSP代碼。圖顯示也可以同探針連接，當前顯示窗口被更新時，探針被指定，這樣當代碼執(zhí)行到達該點時，就可以迅速地觀察到信號。文件探針在算法處通過文件提取或加入信號或數據：CCS5000允許用戶從PC機讀或寫信號流。而不是實時的讀信號，這就可以用已知的例子來仿真算法。圖形分析：CCS5000的圖形分析能力在其環(huán)境中是集成的。在后臺(系統命令)執(zhí)行用戶的

8、DOS程序：用戶可以執(zhí)行CCS5000中的DOS程序，并將其輸出以流水方式送到CCS5000的輸出窗口。且允許用戶將應用程序集成到CCS5000。技術狀態(tài)觀察窗口：CCS5000的可視窗口允許用戶進入C表達式及相關變量。結構、數組、指針都能很簡單地遞歸擴展和減少，以便進入復雜結構。代數分解窗口：允許用戶選擇查看寫成代數表達式的C格式，提高可讀性。目標DSP上的幫助：DSP結構和寄存器上的在線幫助可以使用戶不必查看技術手冊。用戶擴展：擴展語言(GEL)使得用戶可以將自己的菜單項加到CCS5000的菜單欄中2設計過程2.1設計要求要求采用匯編語言針對DSP芯片設計一個15階FIR低通濾波器，截止頻

9、率為0.6（歸一化后）。要求1.在Matlab中首先設計符合要求的濾波器，并得到濾波器的參數，并得到該濾波器的幅頻特性和相頻特性。2.編寫匯編程序，在CCS軟件環(huán)境下編寫DSP程序，分別用方波和正弦波驗證濾波器的設計。3.與Matlab中設計的濾波器進行對比研究。2.2設計流程2.2.1FIR濾波器參數的設計FIR濾波器的參數用Matlab來設計，其程序為：N=15;%濾波器的階數Wn=0.6%濾波器的截止頻率b=fir1(N,Wn)freqz(b,512,1000)%濾波器的幅頻特性和相頻特性其運行結果為：b=0.0034-0.0018-0.01080.0227,0.0165-0.09970

10、.05960.50820.50820.0596-0.09770.01650.0277-0.0108-0.00180.0034濾波器的幅頻特性和相頻特性如圖2和圖3所示。圖2濾波器的幅頻特性圖3濾波器的相頻特性2.2.2輸入方波的Matlab設計方波的Matlab程序為：t=0:0.25:50;x=square(pi*t);plot(x);xout=x/max(x);%歸一化xto_ccs=round(32767*xout)fid=fopen(square.dat,w);%打開文件fprintf(fid,16511000n);%輸出文件頭fprintf(fid,%dn,xto_ccs);%輸出f

11、close(fid);%關閉文件輸出方波如4所示圖4方波信號運行程序后會生成.dat文件，為CCS的輸入做準備。2.2.3正弦疊加信號的Matlab設計正弦疊加信號的Matlab程序為：f11=500;f12=9000;fs=20000;%采樣頻率N=300%數據個數T=1/fs;%采樣周期n=-N/2:N/2;x11=0.5*sin(2*pi*f11*n*T);x12=0.5*sin(2*pi*f12*n*T);x_base=(x11+x12);subplot(1,2,1);plot(x_base);%正弦疊加信號的波形yff=abs(fft(x_base)df=n*(fs/N)subplo

12、t(1,2,2);plot(df,yff);%正弦疊加信號的頻譜xout=x_base/max(x_base);%歸一化xto_ccs=round(32767*xout)fid=fopen(input.dat,w);%打開文件fprintf(fid,16511000n);%輸出文件頭fprintf(fid,%dn,xto_ccs);%輸出fclose(fid);輸出正弦疊加信號的波形如圖5所示：圖5正弦疊加信號運行程序后也會生成.dat文件，為CCS做輸出。2.2.4FIR濾波器的設計FIR結構中的延遲Z-1在程序中實現是數據在存儲器中的滑動，這對一個L階的FIR數字濾波器來說，就是要求在存儲

13、器中開辟一個L個樣本并進行乘累加運算。這在DSP中可以用兩種方法來實現該緩沖區(qū)。對于線性緩沖區(qū)來說，每當DSP讀入一個樣本后都將此樣本向后移動，讀完最后一個樣本后，最前面的樣本（最老的）被推出緩沖區(qū)，并輸入最新的樣本至緩沖區(qū)頂部。線性緩沖區(qū)的存儲器延時可以由具有數據移動的DMOV指令來實現，它需要將緩沖區(qū)置于內部DARAM塊中；對于循環(huán)緩沖區(qū)，每當輸入新樣本時，以新樣本改寫區(qū)中最老的樣本，而緩沖區(qū)中的其他樣本不需要其他樣本移動。循環(huán)緩沖區(qū)可采用循環(huán)尋址技術來實現，它不需要必須定位在DARAM塊中，但需要適當的緩沖區(qū)對準以滿足循環(huán)尋址的要求。本次課設用的是循環(huán)尋址，下面主要介紹一下循環(huán)尋址的方法

14、。循環(huán)緩沖實現延時的特點是：（1）實現N階FIR數字濾波器時，需要在數據存儲器中開辟一個稱為滑窗的N個單元的緩沖區(qū)，滑窗中存放最新的N個樣本。（2）當每次輸入新樣本時以新的樣本改寫滑窗中最老的樣本，而滑窗其他的數據不需要移動。（3）利用片內BK（循環(huán)緩沖區(qū)長度）寄存器對滑窗進行間接尋址，循環(huán)緩沖區(qū)地址首位相鄰。2.3仿真結果2.3.1Matlab的仿真結果Matlab中輸入為方波信號信號時的輸入輸出信號波形如圖6所示：圖6方波信號的輸入輸出波形Matlab中輸入信號為正弦疊加信號時的輸入輸出信號波形如圖7所示：圖7正弦疊加信號的輸入輸出波形2.3.2CCS的仿真結果CCS中方波信號和濾波后波形

15、如圖8所示：圖8方波波形及濾波后波形CCS中方波信號的幅頻、相頻特性如圖9所示：圖9方波信號的幅頻、相頻特性CCS中方波信號濾波后的幅頻、相頻特性如圖10所示：圖10方波信號濾波后的幅頻、相頻特性波形圖10方波信號濾波后的幅頻、相頻特性CCS中正弦疊加信號與濾波后波形如圖11所示：圖11正弦疊加信號波形及濾波后波形CCS中正弦疊加信號的幅頻、相頻特性如圖12所示：圖12正弦疊加信號的幅頻、相頻特性CCS中正弦疊加信號濾波后的幅頻、相頻特性如圖13所示：圖13正弦疊加信號濾波后的幅頻、相頻特性通過上圖可看出當輸入信號為方波時，輸出信號基本為正弦波；當輸入信號為疊加正弦波時，輸出為低頻正弦波。這說

16、明濾波器起到了較好的濾波效果，符合設計要求。通過Matlab仿真和CCS仿真濾波效果比較，DSP程序的濾波效果要好于Matlab的濾波效果。3總結通過這次對FIR濾波器的設計，原來在課堂上學的理論知識變成了實踐操作，我們對濾波器的原理和設計流程以及對Matlab和CCS的操作有了更深入的理解。書上雖然有FIR濾波器的設計，但對程序并不是太理解，導致程序總也調不出來。后來經過深入的研究，得知書上的程序使用I/O口做的，并不適合本次的課程設計。于是我們將I/O口改成了數據存儲在內存中直接操作，終于把程序調出來。接下來一個難題就是輸入數據的生成。通過查資料等方式查出用Matlab生成.dat文件的方

17、法信號的頻率和采樣頻率的選擇也是一個令人頭疼的問題。信號的基波要在截止頻率內，二次以上諧波要在截止頻率外，經過計算我們選擇500Hz和9000Hz的信號疊加，采樣頻率20000Hz。這樣正好能把低頻信號濾出?？傊@次課設收獲挺大！參考文獻1張衛(wèi)寧DSP原理及應用教程北京：科學出版社，2008.72戴明楨TMS320C54XDSP結構原理及應用北京航空航天大學出版社，2007.83程佩青數字信號處理教程北京：清華大學出版社，20014高西全丁玉美等數字信號處理北京：電子工業(yè)出版社，20095范壽康DSP技術與DSP芯片北京：電子工業(yè)出版社附錄DSP匯編程序.titlefir.asm.mmregs

18、.global_mainHn:.usectHn,16BUF:.usectBUF,16Xn:.usectXn,200Yn:.usectYn,215.dataHDATA:.word34*32768/10000,-18*32768/10000,-108*32768/10000,227*32768/10000.word165*32768/10000,-997*32768/10000,596*32768/10000,5082*32768/10000.word5082*32768/10000,596*32768/10000,-977*32768/10000,165*32768/10000.word227*32768/10000,-108*32768/10000,-18*32768/10000,34*32768/10000.text_main:SSBXFRCTSTM#Hn,AR5;AR5指向沖激響應RPT#15MVPDHDATA,*A