利用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器

1、目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 一.緒論1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 設(shè)計(jì)背景1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 設(shè)計(jì)要求1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 設(shè)計(jì)思路簡介1二.系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與環(huán)境1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document CCS開發(fā)環(huán)境1 HYPERLINK l bookmark14 o Curre

2、nt Document 三.FIR濾波器設(shè)計(jì)過程2FIR濾波器基本理論.23.2FIR濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 四FIR濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)10CCS仿真圖及結(jié)果12總結(jié)14 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 參考文獻(xiàn)15 一.緒論1.1設(shè)計(jì)背景在信號(hào)處理中，濾波占有十分重要的地位。數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理的基本方法。數(shù)字濾波與模擬濾波相比有很多優(yōu)點(diǎn)，它除了可避免模擬濾波器固有的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題外，還能滿足濾波器對幅度和相位的嚴(yán)格要求。低通有限沖激響

3、應(yīng)濾波器（低通FIR濾波器）有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镕IR系統(tǒng)只有零點(diǎn)，因此，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，而且容易實(shí)現(xiàn)線性相位和允許實(shí)現(xiàn)多通道濾波器。DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）與一般的微處理器相比有很大的區(qū)別，它所特有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令集合、數(shù)據(jù)流程方式為解決復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理問題提供了便利，本文選用TMS320C54X作為DSP處理芯片，通過對其編程來實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。對數(shù)字濾波器而言,從實(shí)現(xiàn)方法上，有FIR濾波器和無限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器之分。由于FIR濾波器只有零點(diǎn),因此這一類系統(tǒng)不像IIR系統(tǒng)那樣易取得比較好的通帶與阻帶衰減特性。但是FIR系統(tǒng)有自己突出的優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)總是穩(wěn)定的;易實(shí)現(xiàn)線性相位;允許設(shè)計(jì)

4、多通帶（阻帶）濾波器。其中后兩項(xiàng)是IIR系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)的。1.2設(shè)計(jì)要求利用c語言在CCS環(huán)境中編寫一個(gè)FIR濾波器程序，并能利用已設(shè)計(jì)好的濾波器對常用信號(hào)進(jìn)行濾波處理。1.3設(shè)計(jì)思路簡介在TMS320C54x系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境CCS（CodeComposerStudio）下對FIR濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行討論。利用C語言設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器，通過實(shí)驗(yàn)仿真，從輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的時(shí)域和頻域曲線可看出在DSP上實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器能完成預(yù)定的濾波任務(wù)。二.系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與環(huán)境CCS開發(fā)環(huán)境CCS提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，它便于實(shí)時(shí)、嵌入式信號(hào)處理程序的編制和測試，它能夠加速開發(fā)進(jìn)程，提高工

5、作效率。CCS提供了基本的代碼生成工具，它們具有一系列的調(diào)試、分析能力。CCS支持如下圖1.1所示的開發(fā)周期的所有階段。V設(shè)計(jì)概念性規(guī)劃編程和編譯創(chuàng)建工程文件、編寫源代碼和配置文件調(diào)試語法檢查、探測點(diǎn)設(shè)置和日志保存等分析實(shí)時(shí)調(diào)試、統(tǒng)計(jì)和跟蹤IF圖1.1三.FIR濾波器設(shè)計(jì)過程31FIR濾波器基本理論FIR濾波器的特點(diǎn)數(shù)字濾波器的功能，就是把輸入序列通過一定的運(yùn)算變換成輸出序列。它的實(shí)現(xiàn)方法有很多，其中比較常用到的是無限長脈沖響應(yīng)濾波器IIR和有限長脈沖響應(yīng)濾波器FIR兩種。在計(jì)算量相等的情況下，IIR數(shù)字濾波器比FIR濾波器的幅頻特性優(yōu)越，頻率選擇性也好。但是，它有著致命的缺點(diǎn)，其相位特性不好

6、控制。它的相位特性f()=argH(e加)是使頻率產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性的原因。但是在圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中都越來越多的要求信道具有線性的相位特性。在這方面FIR濾波器具有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)h(n)長度為N，其系統(tǒng)函數(shù)H(z)為H(z)=亍h(n)z-nn=0H(z)是z-1的(N-1)次多項(xiàng)式，它在z平面上有(N-1)個(gè)零點(diǎn)，原點(diǎn)z=0是(N-1)階重極點(diǎn)。因此，H(z)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確、嚴(yán)格的線性相位。FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字濾波是將輸入的信號(hào)序列，按規(guī)定的算法進(jìn)行處理，從而得到所期望的輸出序列，F(xiàn)IR濾波器的差分方程為：y(

7、n)=工ax(n一k)kk=0對上式進(jìn)行Z變換得到FIR濾波器的傳遞函數(shù)為:(z)=驚-1bki=0由上式可以看出，H(z)是z-1的N-1次多項(xiàng)式，它在z平面內(nèi)有N-1個(gè)零點(diǎn)，同時(shí)在原點(diǎn)處有N-1個(gè)重極點(diǎn)。N階濾波器通常采用N個(gè)延遲單元、N個(gè)加法器與N+1個(gè)乘法器，取圖中(a)、(b)兩種結(jié)構(gòu)。如z暑(0ihMhh小印(bi圖fir濾波器的一般結(jié)構(gòu)因?yàn)镕IR濾波器的單位抽樣響應(yīng)是有限長的，所以它永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的。另外，若對h(n)提出一些約束條件，那么可以很容易地使H(z)具有線性相位，這在信號(hào)處理的很多領(lǐng)域是非常重要的。FIR濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)，是要決定一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)H(z)，使它的頻率響應(yīng)滿足給

8、定的要求。這里所說的要求，除了通帶頻率p、阻帶頻率及兩個(gè)帶上的最大和最小衰減6p和6s外，很重要的一條是保證H(z)具有線性相位。(3)Chebyshev逼近法窗函數(shù)法和頻率采樣法設(shè)計(jì)出的濾波器的頻率特性都是在不同意義上對所給理想頻率特性Hd，jW丿的逼近。由數(shù)值逼近理論可知，對某個(gè)函數(shù)f(x啲逼近一般有以下三種方法:插值法(InterpolatingWay)最小平方逼近法(LeastSquareApproachingWay)一致逼近法(ConsistentApproachingWay)切比雪夫最佳一致逼近的基本思想是，對于給定區(qū)間a,b上的連續(xù)函數(shù)f),在所有n次多項(xiàng)式的集合Pn中，尋找一個(gè)

9、多項(xiàng)式p(x)，使它在a,b上對f)的偏差和其它一切屬于Pn的多項(xiàng)式p(x)對f(x啲偏差相比是最小的，即maxp=min切比雪夫逼近理論，這樣的多項(xiàng)式是存在的，且是唯一的，并指出了構(gòu)造這種最佳一致逼近多項(xiàng)式的方法，就是有名的“交錯(cuò)點(diǎn)組定理”。切比雪夫逼近理論解決了p(x)的存在性、唯一性和如何構(gòu)造等問題。J.H.McClellan、T.W.Parks、L.R.Rabiner等人應(yīng)用切比雪夫逼近理論提出了一種設(shè)計(jì)FIR濾波器的計(jì)算機(jī)輔助算法。這種算法由于是在一致意義上對Hd，jw丿作最佳逼近，因而獲得了較好的通帶和阻帶性能，并能準(zhǔn)確地指定通帶和阻帶的邊緣。但它的效率依賴于初始極值頻率點(diǎn)的估計(jì)，

10、且通帶和阻帶內(nèi)波紋數(shù)較多，這是Chebyshev方法的兩個(gè)主要缺點(diǎn)。3.2FIR濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)MATLAB輔助DSP實(shí)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(jì)、分析工具(FDATOOL),根據(jù)指定的濾波器性能快速設(shè)計(jì)一個(gè)FIR，再把濾波器系數(shù)以頭文件形式導(dǎo)入CCS中，頭文件中MATLAB輔助DSP實(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)程序。頭文件名不變，當(dāng)MATLAB中設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)改變時(shí)，相應(yīng)頭文件中系數(shù)也改變，方便程序調(diào)試、仿真。(1)輸入信

11、號(hào)的產(chǎn)生首先利用Matlab產(chǎn)生導(dǎo)入CCS的dat文件，具體實(shí)現(xiàn)如下代碼所示sl=1000;%有效信號(hào)ns1=3000;%高頻噪聲fs=20000;%采樣頻率N=500;T=1/fs;n=O:N;signal二sin(2*pi*sl*n*T);noise1=0.7*sin(2*pi*ns1*n*T);x=(signal+noise1);%待濾波信號(hào)figureplot(x)figure(2)y二abs(fft(x);%待濾波頻譜df二n*(fs/N);plot(df,y)figure(3)plot(signal)figure(4)ysignal=abs(fft(signal);%濾波后頻譜df

12、=n*(fs/N);plot(df,ysignal)%濾波數(shù)據(jù)導(dǎo)出xout二x/max(x);%歸一化xto_css二round(32767*xout);%數(shù)據(jù)取整xoutcss二xto_css;fid二fopen(C:UserszhaoyongweiDesktopmyprojectsinput.dat,w);%打開文件fprintf(fid,16511000n);%輸出文件頭fprintf(fid,%dn,xoutcss);%輸出fclose(fid);產(chǎn)生的時(shí)域波形如圖所示：1.510.50-0.5-1-1-50100200300400500600圖輸入信號(hào)波形00250200150100

13、500.20.40.60.811.21.41.61.82x104圖輸入頻譜經(jīng)過濾波器后的預(yù)期時(shí)域波形如圖：-1010.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8100200300400500600圖輸出時(shí)域波形頻譜如圖所示圖輸出頻譜(2)濾波器的設(shè)計(jì)MATLAB集成了一套功能強(qiáng)大的濾波器設(shè)計(jì)工具FDATool(FilterDesign&AnalysisTool),可以完成多種濾波器的設(shè)計(jì)、分析和性能評估。a.打開FilterDesign&AnalysisTool單擊MATLAB主窗口下方的“Start”按鈕,選擇菜單“ToolBox”一“FilterDesignf“FilterDe

14、sign&AnalysisTool(FDATool)”命令，打開FDAToo,如圖所示。MATLABifyoudanotvanttoseethian7oolboxesAerospace:lere*GimulinkGioinformaticskBlockeetsComrriunicstiDn&bLinksandTargetskControlSystemkCuir/eFitting一*ShcurtcutEDataArauiiticinDesktopTools.Database4WebDataftedkaGetProductTrialsEconometricskCheckfciirUpdatB-sF

15、ilterDesign卜nFilterBuilder(filterbuilder)Preferences.FilterDesignURLCoderftiJFilterDesign&AnalysisToolCFdstool)FindFilers.More,.,P奇Help&HttlpDemosDemosA&ProductPagFWmb圖fadatool的啟動(dòng)b.產(chǎn)生濾波器階數(shù)為81階，這里應(yīng)填80,比階數(shù)少1。窗函數(shù)選擇切比雪夫型(Chebyshev),采樣頻率為20000Hz，通帶截止頻率為750Hz。BBFilterDesignfitAnalysisTool-untitledfdaK|fil

16、eEditAnalysisTargetsViewwindowJdsdp4口亙妄/曲XICurcntFHrrhfarmdicn亡和Q0田蕊疇HJi囲闌嚴(yán)囤l-jik?尸WiBntudeAfespanse(dQjStojctureBred-FormFIROxter:00Stnbi曰.YesSource:DsslffiFd1&1mFtar.1FiferMnnaflr”1hBWftwMmidmiYn1Z34557S9Frequencyi.kHELow口Bss;VeHi妁2洛IRsspcnseTypBenUpnMBendskpDiTTerenliatur)FiferOrderjFrequencySpcc

17、riicatpors屢SpecifyordsrBOUhls:HZtMinimumordsrfs|zDQoalOplionsFeI|訓(xùn)ScalePa-sskBrdMcgitudeSpecjiic?iiaiyTheBitenudcn社oulDffftcHBrcesIsTisdEE陽hririh2paband國in)WIBB-oaaylMetncidIIR&.rltenCfth嵋，F(xiàn)iRwnd&wWrrim:&陽燉日Alien:Cheby亍1flC|VfcwFilterDesign&AnaisTod-JuHititied.Fd.a*圖濾波器的幅頻特性jCirr-ertfiterriomsitonMo

18、riludA專pa凸f込mii：riGTtealienugllonstcUoTTCoinuti仃qResiponsed:si出eSour-reSinrsFtler1FitsrMandgerTypaLvwpass-Hcinpas-fiEandpAssBSOMDpDrtte-rEntHlnrIR一Cptitns|71Scale-rxsbandJ圖濾波器的相位特性c.產(chǎn)生濾波器系數(shù)和頭文件iPifli!frieuassbsndqelnj圖濾波器系數(shù)SUFilterD*ii-gni魚Arial-iiiTai=l-|unlisld.fdaSlrudun:O*：!：IbL4上I*Udltfiniilyii

19、xVI：代Windewti-aipia：；$;；;：BJbJLltd-;iIIIE甌OLJLJIT|narviH_|Clov|”H匕LOWES專EkWobi?iHeriinn并在圖頭文件的產(chǎn)生最后將產(chǎn)生的頭文件中的濾波器系數(shù)數(shù)組放入編寫好的濾波器函數(shù)中進(jìn)行CCS中進(jìn)行調(diào)試與測試。四FIR濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)(1)DSP中濾波器的z-1算法實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的輸出表達(dá)式為y(n)=Sh(i)x(n-i)=h(i)s(n-i)n=0n=0式中，為濾波器系數(shù)；x(n)表示濾波器在n時(shí)刻的輸入；y(n)為n時(shí)刻的輸出。它的基本算法是一種乘法-累加運(yùn)算，即不斷地輸入樣本x(n),經(jīng)過延時(shí)后,再進(jìn)行乘法-累加

20、，最后輸出濾波結(jié)果y(n)。線性緩沖區(qū)法：線性緩沖區(qū)法又稱延遲線法，其特點(diǎn)：對于N級的FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)N單元的緩沖區(qū)(滑窗)，用來存放最新的N個(gè)輸入樣本；從最老樣本開始取數(shù)，每取一個(gè)樣本后，將此樣本向下移位；讀完最后一個(gè)樣本后，輸入最新樣本存入緩沖區(qū)的頂部。循環(huán)緩沖區(qū)法：循環(huán)緩沖區(qū)法的特點(diǎn)如下：對于N級FIR濾波器，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)N單元的緩沖區(qū)(滑窗)，用來存放最新的N個(gè)輸入樣本；從最新樣本開始取數(shù)；讀完最后一個(gè)樣本(最老樣本)后，輸入最新樣本來代替最老樣本，而其他數(shù)據(jù)位置不變；用片內(nèi)BK(循環(huán)緩沖區(qū)長度)寄存器對緩沖區(qū)進(jìn)行間接尋址，使循環(huán)緩沖區(qū)地址首尾相鄰。本次設(shè)

21、計(jì)的FIR濾波器所采用的就是循環(huán)緩沖區(qū)法。C語言實(shí)現(xiàn)FIR采用C語言算法在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了FIR低通數(shù)字濾波器，C語言算法相比于匯編算法可移植性很強(qiáng)。這里是在TMS320VC5510DSP為平臺(tái)編寫的C語言算法,此算法可以稍加改動(dòng)用在其他DSP芯片上,而匯編算法則不然。這種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：程序的入口和出口由C語言自動(dòng)管理，不必手工編寫匯編程序?qū)崿F(xiàn)。程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)。程序調(diào)試方便。由于C程序中的變量全部由C語言來定義，因此采用C源碼調(diào)試器可以方便地觀察C語言變量?？梢浦残暂^強(qiáng)，通用性較好。具體代碼如下：#includestdio.h#includefdacoefs.h/頭文件包含濾波器

22、的系數(shù)#defineN81/定義濾波器的階數(shù)為81階#defineLength200/定義緩沖區(qū)數(shù)組大小為200longyn;intinputLength;/存放輸入數(shù)據(jù)intoutputLength;/存放輸出數(shù)據(jù)voidmain()intm,n;int*x;for(n=0;nLength-1;n+)/循環(huán)導(dǎo)入數(shù)據(jù)x=&inputn;/指針指向每次導(dǎo)入的數(shù)據(jù)yn=0;/每做完一次乘累加后，把值賦給output數(shù)組后，從新歸0for(m=0;mN-1;m+)yn+=Bm*(*(x+);/做N次的乘累加outputn=yn;把值賦給output數(shù)組while(1);/做完濾波后使程序保持在本循環(huán)

23、中五.CCS仿真圖及結(jié)果CCS是TI推出的用于開發(fā)其DSP芯片的繼承開發(fā)調(diào)試工具，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體,極大地方便了DSP程序的設(shè)計(jì)與開發(fā),此外還提供圖形顯示功能,方便用戶觀察特定地址的波形。此外,還需向工程中添加Link.cmd文件(源碼見附錄)。在CCSV3.3中建立工程，把c源代碼和.cmd文件導(dǎo)入后，外加rts.lib文件,它是TI提供的運(yùn)行時(shí)支持庫，如果是C代碼寫的源程序，必須要包含該庫,該庫由TI公司做好放在CCScgtoolslib中，源代碼TI網(wǎng)站可以下載。添加完成后，編譯通過后，下載.out文件，導(dǎo)入.dat文件后運(yùn)行程序。采用CCS的

24、圖形顯示功能，分別觀察輸入信號(hào)x(n)、輸出信號(hào)y(n)的時(shí)域波形和頻域波形,輸入信號(hào)波形如圖所示。0TimmIZipuT3.3e+410.020.030.040.01.1e+4-.1e+4-3.3e+4.50.060.070.060.090.099.0o.o166733335000冋岡inputKie+6.0e+5-4.0e+5-2.0e+5-9922(1015.63;S062S1)input83336667LinAutoScale珀毗：辺職11：遼圖濾波前時(shí)域波形圖濾波前頻譜圖經(jīng)過濾波后，觀察輸出波形如下output9179.6119-3060-308U-6119-9179.80.090.

25、099.010.020.030.040.050.060.070.0(49,2812)TimeLin.AiitoScale圖濾波后時(shí)域波形1BB73333500083339922(1015.63,450920)tni切utFFTMag8687Lin.AntoSealeRectangular圖濾波后頻譜圖為了更加直觀的觀察濾波器的性能和濾波效果，把濾波前后的時(shí)域波形和頻譜圖進(jìn)行對比和分析，具體如下：血d-STSstnekoptiontoulmi腫thudefault,sd辭.幣浮內(nèi)帀一應(yīng)LIL卑凰i:-MlFirlci叫.pHOtejttiljfilhrijifesant;JEU/EKECkl,ICuuLt-U.JjLi:/fflI1111lt11JL111*11f1J1rin11/!.i1i/1I1,sJ/LfTVV,-rx空nrtsrrt.FTT二述iiluild.Ccuplete,.0Em環(huán)4如luu阿CiJjkxks./CIDDerlc*5insrtr(Tt