數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)--基于dsp 的 fir 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：基于DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)　　　 </p><p>　　學(xué) 號(hào)　　 </p><p>　　學(xué)生姓名　　　　　 </p><p>　　

2、指導(dǎo)教師　 　　　　 </p><p>　　教師評(píng)分　　　　　　　　 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、摘要1</b></p><p><b>　　二、概 述2</b></p><p><b

3、>　　三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　3.1 DSP 系統(tǒng)原理框圖3</p><p>　　3.2 DSP 系統(tǒng)各部分分析4</p><p><b>　　四、硬件設(shè)計(jì)5</b></p><p>　　4.1 硬件整體電路及框圖5</p><p>　　4.2 硬件

4、各部分組成簡(jiǎn)介6</p><p><b>　　五、軟件設(shè)計(jì)10</b></p><p>　　5.1 FIR 數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)10</p><p>　　5.2 FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)10</p><p>　　5.2.1 FIR 濾波器的主要特點(diǎn)10</p><p>　　5.2.2

5、 FIR 濾波器設(shè)計(jì)方法10</p><p>　　5.2.3 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想11</p><p>　　5.2.4 用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟12</p><p>　　5.3 FIR數(shù)字濾波器的MATLAB的實(shí)現(xiàn)13</p><p>　　5.3.1 Matlab軟件介紹13</p><p>　　5.

6、3.2 用Matlab實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的幾種方法13</p><p>　　5.4 FFT參數(shù)的計(jì)算17</p><p>　　5.5 DSP程序流程圖17</p><p><b>　　六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果19</b></p><p><b>　　七、個(gè)人總結(jié)21</b></p>&

7、lt;p><b>　　八、參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　附件：23</b></p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最重要的組成部分之一，數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘

8、法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的前期處理。DSP芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)及不受外界影響等特性。因此基于DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音圖像處理、數(shù)字通信、頻譜分析、模式識(shí)別、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。</p><p>　　本文首先介紹了數(shù)字濾波器的概念及分類(lèi)，以及數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。在理解FIR濾波器的工作原理及其設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，在M

9、ATLAB環(huán)境下利用矩形窗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。然后通過(guò)DSP結(jié)合CCS2.0軟件進(jìn)行編程，最終實(shí)現(xiàn)了基于DSP的FIR數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，基于DSP實(shí)現(xiàn)的濾波器具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)濾波。</p><p>　　關(guān)鍵詞：FIR數(shù)字濾波器 DSP 窗函數(shù)法 MATLAB TMS320VC5402 </p><p><b>　　

10、概 述</b></p><p>　　隨著信息時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已成為當(dāng)今一門(mén)極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理中數(shù)字濾波占有極其重要的地位，與模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有很多突出優(yōu)點(diǎn)，比如精確度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹配、容易實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性相位、還可以避免模擬濾波器無(wú)法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲

11、偏移等問(wèn)題。</p><p>　　FIRFinite Impulse Response濾波器是有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，它是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線(xiàn)性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法通常有三種：</p><p>　?。?）用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)

12、現(xiàn)方法就是在通用的微型計(jì)算機(jī) 上用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?。?）采用 DSP（Digital Signal Processing）處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?。?）用 FPGA 可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　DSP 處理器是專(zhuān)為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，它的主要數(shù)字運(yùn)算單元是一個(gè)乘累加器MAC，能夠在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一次成累加運(yùn)算，配有適

13、合于信號(hào)處理的指令，具備獨(dú)特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰Α?lt;/p><p>　　通過(guò)比較以上三種方法可見(jiàn)：可以采用 MATLAB 軟件來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的基本知識(shí)，計(jì)算數(shù)字濾波器是系數(shù)，研究算法的可行性，對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行前期的仿真。然后利用 DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要編寫(xiě)程序，在 CCS 上進(jìn)行調(diào)試仿真。</p><p><b>　　三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b&

14、gt;</p><p>　　3.1 DSP 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　圖 2.1 典型的 DSP 系統(tǒng)</p><p>　　圖 2.1 是一個(gè)用 DSP 做信號(hào)處理的典型框圖。由于 DSP 是用來(lái)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的，所以首先必須將輸入的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。于是先對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 變換后變成 DSP 可以處理的數(shù)字信號(hào)，

15、DSP 根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，如 FFT、卷積等；處理得到的結(jié)果仍然是數(shù)字信號(hào)，可以直接通過(guò)相應(yīng)通信接口將它傳輸出去，或者對(duì)它進(jìn)行 D/A變換將其轉(zhuǎn)換為模擬采樣值，最后再經(jīng)過(guò)內(nèi)插和平滑濾波就得到了連續(xù)的模擬波形模擬信號(hào)。 </p><p>　　一般來(lái)說(shuō) DSP 的設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)流程，如圖 2.2 示 </p><p>　　圖 2.2DSP 系統(tǒng)流圖</p>

16、<p>　　系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)如圖所示，由給出所設(shè)計(jì)的 FFT 的技術(shù)指標(biāo)，用 MATLAB求解參數(shù)并仿真。選出合適的 DSP 芯片，連接好硬件電路。給出程序流程圖，編寫(xiě)程序，在 CCS 中完成仿真。</p><p>　　3.2 DSP 系統(tǒng)各部分分析 </p><p>　　通過(guò)初期在 MATLAB 中仿真，確定濾波器參數(shù)。在 MATLAB 中可以通過(guò)編程用相應(yīng)的窗函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì) FI

17、R 濾波器。再選擇合適 DSP，通過(guò)設(shè)計(jì) DSP 硬件電路來(lái)產(chǎn)生合適的信號(hào)。這期間會(huì)用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等，都需要提前設(shè)計(jì)好，之后調(diào)試硬件電路。最后，編寫(xiě)代碼，進(jìn)行仿真調(diào)試。</p><p><b>　　四、硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 硬件整體電路及框圖 </p><p>　　根據(jù)使用DSP芯片的相關(guān)原則，以及芯

18、片手冊(cè)具體決定未用端子是接上拉電阻還是懸空。可以得出DSP數(shù)字濾波器的整體硬件電路連線(xiàn)圖，如圖3.1所示。</p><p>　　圖 3.1 硬件電路</p><p>　　圖 3.2 硬件電路框圖</p><p>　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了 TI 的 TMS320VC5402 作為其核心處理單元。TMS320VC5402 為低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其運(yùn)算速度最快可達(dá)

19、532MIPS。它采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有 8 條總線(xiàn)（1 條程序存儲(chǔ)器總線(xiàn)、3 條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線(xiàn)和 4 條地址總線(xiàn)）。其 CPU 采用并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能在一條指令周期內(nèi)，高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。TMS320VC5402 的豐富的片上外圍電路（通用 I/O 引腳，定時(shí)器，時(shí)鐘發(fā)生器，HPI 接口，多通道緩沖串行口 Mcbsp）使其與外部接口方便。</p><p>　　4.2 硬件各部分組成簡(jiǎn)介 </

20、p><p>　　信號(hào)源單元：頻率，幅值可調(diào)雙路三角波，方波和正弦波產(chǎn)生電路采用兩片 8038 信號(hào)發(fā)生器，輸出頻率范圍 20～100kHZ，幅值范圍-10V～＋10V，頻率，幅值可獨(dú)立調(diào)節(jié)。兩路輸出信號(hào)可以通過(guò)加法器進(jìn)行信號(hào)模擬處理和混疊，作為信號(hào)濾波處理的混疊信號(hào)源，混疊后的信號(hào)從信號(hào)源 1 輸出，信號(hào)源單元原理如圖 4 所示。</p><p>　　圖 3.3 信號(hào)源單元原理框圖</p

21、><p>　　數(shù)模轉(zhuǎn)換單元：數(shù)模轉(zhuǎn)換采用 DAC08 芯片，分辨率 8 位，精度 1LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá) 85ns。DAC08 可以應(yīng)用在 8-bit，1usA/D 變換，波形發(fā)生，語(yǔ)音編碼，衰減器，在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，DAC08 采用對(duì)稱(chēng)偏移二進(jìn)制輸出方式，輸出電壓范圍-5V～＋5V，數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理圖如圖 3.4 所示。</p><p>　　由于模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇了 10 位器件，為了簡(jiǎn)化程序代碼，減

22、少 DSP 的運(yùn)算工作量，在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了 TI 公司的 TLV5608 芯片，它是一款 8 通道 10位 2.7 到 5.5 V 低電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　?。?）模數(shù)轉(zhuǎn)換單元：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯選用 AD7822，單極性輸入，采樣分辨率 8BIT，并行輸出；內(nèi)含取樣保持電路，以及可選擇使用內(nèi)部參考電壓源，具有轉(zhuǎn)換后自動(dòng) Power-Down 的模式，可應(yīng)用在數(shù)據(jù)采樣，DSP 系統(tǒng)及移動(dòng)通信等場(chǎng)

23、合。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，參考電壓源＋2.5V，偏置電壓輸入引腳 Vmid2.5V。模擬輸入信號(hào)以過(guò)運(yùn)放處理后輸入 AD7822 輸入電壓范圍-12V～＋12V9，模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理圖如圖 3.5 所示。</p><p>　　圖 3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元原理圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用了 SPI 接口器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換。在本數(shù)字濾波器系統(tǒng)中選擇了 TI 公司的 TLV 1570 芯

24、片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，8 通道 10 位 2.7到 5.5 V 低電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。TLVl570 在 3V 電壓下的采樣頻率為 625KSPS，輸入信號(hào)最高頻率不能超過(guò) 300K。</p><p>　　從功能時(shí)序圖可以看出該器件包含 8 通道輸入多路復(fù)用器、高速的 10 位ADC、內(nèi)部的電壓參考源和高速的串行接口。其高速串行接口包含五根信號(hào)線(xiàn):SCLK 串行時(shí)鐘輸入、SDIN 串行數(shù)據(jù)輸入、SDOUT 串行數(shù)據(jù)輸

25、出、FS 幀同步信號(hào)、CS片選信號(hào)。其中每個(gè)取樣和轉(zhuǎn)換過(guò)程需要 16 個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)鐘。 </p><p>　　(3)電源電源：TPS73HD318 為雙路輸出低壓降 LDO 穩(wěn)壓器，線(xiàn)性穩(wěn)壓器使用在其線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。本次設(shè)計(jì)中，用于

26、提供穩(wěn)定的 DSP 的電源。 </p><p>　?。?）JTAG 接口設(shè)計(jì)Joint Test Action Group；聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是4線(xiàn)：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)。JTAG 測(cè)試允許多個(gè)器件通過(guò) JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè) JTAG 鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試。JTAG 編程方式是在線(xiàn)編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程

27、中先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程然后再裝到板上，簡(jiǎn)化的流程為先固定器件到電路板上，再用 JTAG 編程，從而大大加快工程進(jìn)度。JTAG接口可對(duì) DSP 芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行編程。如圖3.6。 </p><p>　　圖3.6JTAG 管腳圖</p><p>　　復(fù)位電路 MAX706S：對(duì)于實(shí)際的 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)特別是產(chǎn)品化的 DSP 系統(tǒng)而言，可靠性是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。由于 DSP 系統(tǒng)的時(shí)鐘頻

28、率比較高，因此在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象。MAX706系列監(jiān)控器性能價(jià)格比極高。除了看門(mén)狗功能外，另外還具有上電自動(dòng)復(fù)位、人工復(fù)位以及低電壓報(bào)警等功能，使用起來(lái)非常方便可靠。 </p><p>　　MAX706是多功能微處理器監(jiān)控電路，其中包括 MAX706、MAX706p、MAX706R、MAX706S 和 MAX706T 等5個(gè)型號(hào)，具有上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗以及電壓檢測(cè)功能。可以滿(mǎn)足3

29、V 電源系統(tǒng)和5 V 電源系統(tǒng)的需要。MAX706具有8引腳 DIP、SO 和MAX 三種封裝形式可供選用。具體連接方式如圖3.7。</p><p>　　圖3.7復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)：利用 DSP 芯片內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘電路，連接方式如圖3.8所示。在芯片的 X1X2/CLK 引腳之間接入一個(gè)晶體，CLKMD 引腳必須設(shè)置以啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。C54X 的時(shí)鐘產(chǎn)生包

30、括一個(gè)內(nèi)部的振蕩器和一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）電路。</p><p>　　圖3.8時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</p><p>　　存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)：程序存儲(chǔ)器選用 AT29LV1024，它是一種 3V 系統(tǒng)供電的閃速可編程可電擦除的 16 位存儲(chǔ)器（PEROM），具有 1M 位的存儲(chǔ)空間，1M 位的存儲(chǔ)空間分成 512 個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有 128 個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用 KSI64LV64。</p>&l

31、t;p><b>　　五、軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1FIR 數(shù)字濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) </p><p>　　設(shè)單位脈沖響應(yīng) h（n）長(zhǎng)度為 N，輸入信號(hào)為 x（n）則 FIR 數(shù)字濾波器就是要實(shí)現(xiàn)下列差分方程：</p><p>　　式（1）就是 FIR 數(shù)字濾波器的差分方程，F(xiàn)IR 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是沒(méi)有反饋支路，即沒(méi)有環(huán)路

32、，因此它是無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，其單位脈沖響應(yīng) h（n）是一個(gè)有限長(zhǎng)序列。由上面的方程可知，F(xiàn)IR 濾波器實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，不斷地輸入樣本 x（n）經(jīng)延時(shí)，做乘法累加，再輸出濾波結(jié)果 y（n） 。 </p><p>　　對(duì)式（1）進(jìn)行 Z 變換，經(jīng)整理后可得 FIR 濾波器的傳遞函數(shù) H（z）為：</p><p><b>　　（2）</b></p>

33、<p>　　由式（2）可以看出，F(xiàn)IR 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖 4。1 所示。</p><p>　　圖 4.1 FIR 數(shù)字濾波器一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.2FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) </p><p>　　5.2.1FIR 濾波器的主要特點(diǎn) </p><p>　　單位沖擊響應(yīng)只有有限項(xiàng)；</p>&

34、lt;p>　　2）FIR 濾波器無(wú)反饋回路，是一種無(wú)條件穩(wěn)定系統(tǒng)；</p><p>　　3）FIR 濾波器可以設(shè)計(jì)成具有線(xiàn)性相位特性。 </p><p>　　5.2.2FIR 濾波器設(shè)計(jì)方法</p><p>　　FIR濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)就是給定要求的頻率特性，按一定的最佳逼近準(zhǔn)則，選取濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)H（z）中的各個(gè)參數(shù)h（n），即濾波器的單位抽樣響應(yīng)及階數(shù)N，使

35、得頻率特性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通常FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有三種：窗函數(shù)法、頻率抽樣法和切比雪夫等波紋逼近法。其中窗函數(shù)法可以應(yīng)用比較現(xiàn)成的窗函數(shù)，因而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合使用方便靈活。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下這三種設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　(1)窗函數(shù)法 </b></p><p>　　窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法的基本步驟是：</p><p&

36、gt;　　1） 把 展成 FS，得 ；</p><p>　　2） 對(duì) 自然截短到所需的長(zhǎng)度，如 2M+1；</p><p>　　3）將截短后的 右移 M 個(gè)采樣間隔，得； </p><p>　　4)將 乘以合適的窗口，即得所要濾波器的沖擊響應(yīng)，窗函數(shù)以 n=M 對(duì)稱(chēng)。利用所求得的單位抽樣響應(yīng)，即可用硬件構(gòu)成濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù) H(z)，也可利用在計(jì)算機(jī)上用軟件來(lái)

37、實(shí)現(xiàn)濾波。</p><p><b>　　頻率抽樣法 </b></p><p>　　窗函數(shù)法是從時(shí)域出發(fā)，用窗函數(shù)截取理想的 得到，以此有限長(zhǎng)的近似 ，這樣得到的頻率響應(yīng) 逼近于理想的頻響 。頻率抽樣法是從頻率出發(fā)， 將給定的理想頻響 加以等間隔抽樣。</p><p>　?。?）Chebyshev 逼近法</p><p&

38、gt;　　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(duì)所給理想頻率特性的逼近。由數(shù)值逼近理論可知，對(duì)某個(gè)函數(shù)f(x)的逼近一般有以下三種方法：插值法(Interpolating Way)、最小平方逼近法(Least Square Approaching Way)、一致逼近法Consistent Approaching Way。 </p><p>　　5.2.3 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的基本思想 </

39、p><p>　　窗函數(shù)的設(shè)計(jì)思想是選擇一種合適的理想頻率特性的濾波器，然后截?cái)嗨拿}沖得到一個(gè)線(xiàn)性相位和因果的濾波器。因此這種方法關(guān)鍵在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器的技術(shù)指標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個(gè)窗函數(shù)?，F(xiàn)介紹如下:</p><p>　　首先設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為 ，其單位脈沖響應(yīng)是 </p><p

40、><b>　?。?）</b></p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　如果能夠由已知的 求出，經(jīng)過(guò) Z 變換可得到濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。但通常以理想的濾波器作為 ，其幅度特性逐段恒定，在邊界頻率處有不連續(xù)點(diǎn)，因而 是無(wú)限時(shí)寬的，且是非因果序列。 然而我們實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器的單位脈沖響應(yīng)為 h(n)，長(zhǎng)度為 N，其系數(shù)

41、函數(shù)H(z)為 （11）</p><p>　　這樣用一個(gè)有限長(zhǎng)的序列 h(n)去代替 ，肯定會(huì)引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是通常所說(shuō)的吉布斯效應(yīng)。這種吉布斯效應(yīng)是由于將 直接截?cái)嘁鸬模虼?，也稱(chēng)為截?cái)嘈?yīng)。</p><p>　　5.2.4 用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟</p><p>　　如果所希望的濾波器的理想的頻率響應(yīng)函數(shù)為，則其對(duì)應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)為</p&

42、gt;<p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本原理是用有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)序列逼近。由于往往是無(wú)限長(zhǎng)序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)將截?cái)啵⑦M(jìn)行加權(quán)處理，得到：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　就作為實(shí)際設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器的單位脈

43、沖響應(yīng)序列，其頻率響應(yīng)函數(shù)為</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中，N為所選窗函數(shù)的長(zhǎng)度。</p><p>　　我們知道，用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的濾波器性能取決于窗函數(shù)的類(lèi)型及窗口長(zhǎng)度N的取值。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)對(duì)阻帶最小衰減和過(guò)渡帶寬度的要求選擇合適的窗函數(shù)類(lèi)型和窗口長(zhǎng)度N 。各種類(lèi)型的窗函數(shù)可達(dá)到的阻帶最小衰減和

44、過(guò)渡帶寬度見(jiàn)表4.1。</p><p>　　表1 各種窗函數(shù)的基本參數(shù)</p><p>　　這樣選定窗函數(shù)類(lèi)型和長(zhǎng)度N之后，求出單位脈沖響應(yīng)，并按照式（4.3）求出。是否滿(mǎn)足要求，要進(jìn)行演算。一般在尾部加零使長(zhǎng)度滿(mǎn)足2的整數(shù)次冪，以便用FFT計(jì)算。如果要觀察細(xì)節(jié)，補(bǔ)零點(diǎn)數(shù)增多即可。如果不滿(mǎn)足要求，則要重新選擇窗函數(shù)類(lèi)型和長(zhǎng)度N ，再次驗(yàn)算，直至滿(mǎn)足要求。</p><p

45、>　　5.3 FIR數(shù)字濾波器的MATLAB的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　5.3.1 Matlab軟件介紹</p><p>　　MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多

46、強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。  </p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連  matlab開(kāi)發(fā)工作界面接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通

47、訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　5.3.2用Matlab實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的幾種方法</p><p><b>　　語(yǔ)法格式：</b></p><p>　　B=firl（n，Wn）；B=firl（n，Wn，‘ftype’）；B=firl（n，Window）</p><p>　　B=

48、firl(n,Wn,’ftype’window).</p><p>　　低通濾波器的MATLAB實(shí)現(xiàn)</p><p>　　使用矩形窗，Hanning窗，hamming窗，布萊克曼窗對(duì)帶通原形進(jìn)行截取，低通濾波器</p><p><b>　　指標(biāo)特性給出如下：</b></p><p>　　fs=250KHZ,fp=20KH

49、Z,Fs=30KHZ,通帶最大衰減Ap=3dB,阻帶最小衰減As=50dB</p><p><b>　　其設(shè)計(jì)結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　幅度響應(yīng)</b></p><p><b>　　相位響應(yīng)</b></p><p>　?。?）帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p&

50、gt;<p>　　使用矩形窗、hanning窗、hamming窗、布萊克曼窗四種窗對(duì)帶通原形進(jìn)行截取。帶通濾波器的指標(biāo)性能給出如下：</p><p>　　下阻帶邊緣：W1s=0.2 </p><p>　　下通帶邊緣：W1p=0.35，Rp=1dB;</p><p>　　上通帶邊緣：W2p=0.65，Rp=1dB;</p><p&

51、gt;　　上阻帶邊緣：W2s=0.8，As=60dB;</p><p><b>　　其設(shè)計(jì)結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　矩形窗設(shè)計(jì)</b></p><p>　　Hanning窗設(shè)計(jì)</p><p>　　Hamming窗設(shè)計(jì)</p><p><b>

52、　　布萊克曼窗設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.4 FFT參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　通過(guò)使用MATLAB工具箱實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，雖然可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，但是MATLAB實(shí)現(xiàn)的濾波器不能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，當(dāng)輸入信號(hào)改變時(shí)需要再次改變?yōu)V波器參數(shù)，比較繁瑣。而基于DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器能夠克服修改參數(shù)，這個(gè)繁瑣的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)濾波實(shí)時(shí)處理的特性。用TMS32054

53、20的匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法主要分為四步：</p><p>　　實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)</p><p>　　輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)實(shí)際上就是將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行位碼倒置，以便于在整個(gè)運(yùn)算后的輸出序列是一個(gè)自然序列。在用匯編指令進(jìn)行位碼倒置時(shí)，使用位碼倒置尋址可以大大提高程序執(zhí)行速度和使用存儲(chǔ)器的效率。在這種尋址方式下，AR0存放的整數(shù)N是FFT點(diǎn)的一半，一個(gè)輔助存儲(chǔ)器指向一個(gè)數(shù)據(jù)存放的單元，當(dāng)使

54、用位碼倒置尋址將AR0加到輔助存儲(chǔ)器時(shí)，地址將以位碼倒置的方式產(chǎn)生。</p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT</b></p><p>　　N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT算法的實(shí)現(xiàn)可以分為一個(gè)功能模塊，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算，第二級(jí)蝶形元算，第三級(jí)至級(jí)蝶形運(yùn)算。</p><p><b>　　（3）功率譜的計(jì)算</b></p>

55、<p>　　用FFT計(jì)算x（n）的頻譜，即計(jì)算：</p><p>　　X（k）一般是由實(shí)部和虛部組成的復(fù)數(shù)，即：</p><p>　　因此，計(jì)算功率譜時(shí)只需將FFT變換好的數(shù)據(jù)，按照實(shí)部和虛部求他們的平方和。然后對(duì)平方和進(jìn)行開(kāi)平方運(yùn)算，但是考慮到編程的難度，對(duì)于求FFT變換后的數(shù)據(jù)的最大值，不開(kāi)平方也可以找到最大值，并對(duì)功率譜的結(jié)果沒(méi)有影響，所以在實(shí)際的DSP編程中省去了開(kāi)平方

56、的運(yùn)算。</p><p><b>　　輸出FFT結(jié)果</b></p><p>　　5.5 DSP程序流程圖</p><p>　　圖4.4.1DSP流程圖</p><p><b>　　六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)的低通濾波器的主要性能指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器階

57、數(shù)為51，采樣頻率fs為181KHZ，濾波器截止頻率fc為10KHZ的濾波器，具體設(shè)計(jì)如下：</p><p>　　啟動(dòng)CCS2.0，用project/open打開(kāi)“ExpFIR.pjt”工程文件，雙擊“ExpFIR.pjt”及“Source”可查看各源程序。</p><p>　　加載“ExpFIR.pjt”到主程序，K++處，設(shè)置斷點(diǎn)，單機(jī)“Run”運(yùn)行程序，程序?qū)⑦\(yùn)行至斷點(diǎn)處停止。<

58、;/p><p>　　用View/Graph/Time/Frequency打開(kāi)一個(gè)圖形觀察窗口：設(shè)置觀察圖形窗口變量及參數(shù)為：采用雙追蹤觀察在啟動(dòng)地址分別為0x3000H和0x3100H，長(zhǎng)度為256的單元中數(shù)值的變化，是值類(lèi)型為16位有符號(hào)整型變量，這兩段存儲(chǔ)單元中分別存放的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入混跌信號(hào)和對(duì)該信號(hào)進(jìn)行FIR濾波的結(jié)果。</p><p>　　單機(jī)“Animate”運(yùn)行程序，調(diào)整

59、窗口并觀察濾波結(jié)果，仿真結(jié)果如下： </p><p>　　調(diào)節(jié)DSP實(shí)驗(yàn)箱上輸入的正弦波的幅值或頻率旋鈕，再次觀察輸入波形，如下圖：</p><p>　　由上圖可知，上面窗口為從信號(hào)源單元產(chǎn)生的兩個(gè)不同頻率的混跌信號(hào)，下面的窗口為其經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的低通濾波器，濾波以后輸出的波形，有上下兩個(gè)波形圖對(duì)比可知，本次設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字低通濾波器起到了很好的低通濾波效果。</p><

60、p>　　當(dāng)對(duì)信號(hào)源輸入信號(hào)做出改變時(shí)，如上圖所示，說(shuō)明經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的低通濾波器輸出此號(hào)也隨之改變，仿真結(jié)果表明，基于DSP實(shí)現(xiàn)的濾波器具有穩(wěn)定性好，精確度高，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)濾波。</p><p><b>　　個(gè)人總結(jié)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)花的時(shí)間還是挺長(zhǎng)的，主要是實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有好好認(rèn)真的分析題目。直接看了題目后就開(kāi)始敲程序，由

61、于之前實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做過(guò)關(guān)于IIR和FIR濾波器的設(shè)計(jì)，所以認(rèn)為這次課程設(shè)計(jì)應(yīng)該很簡(jiǎn)單。但是由于之前實(shí)驗(yàn)都是已經(jīng)給了技術(shù)指標(biāo)，只要知道設(shè)計(jì)濾波器的方法就可以了，而這次的技術(shù)指標(biāo)需要自己確定。大概確定了技術(shù)指標(biāo)后，完成代碼后運(yùn)行，但是得到的波形并不理想。直接修改技術(shù)指標(biāo)，然后再看輸出波形，感覺(jué)好像在試運(yùn)氣一樣。后來(lái)把程序擱在一邊，又重新翻閱了《信號(hào)與系統(tǒng)》下冊(cè)和《信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程》關(guān)于設(shè)計(jì)濾波器的部分，在理解了原理和過(guò)程之后，并沒(méi)有再去直接看

62、結(jié)果，而是編寫(xiě)程序分析濾波器的幅頻響應(yīng)。通過(guò)對(duì)模擬濾波器幅頻響應(yīng)的直觀觀察，慢慢調(diào)整參數(shù)，得到了比較理想的幅頻特性，最終得到比較好的輸出波形。</p><p>　　還有一點(diǎn)，這次課程設(shè)計(jì)用到了很多上一學(xué)期學(xué)到的知識(shí)，對(duì)信號(hào)采樣時(shí)需要注意的地方很多，如何確定采樣頻率，采樣長(zhǎng)度等等，都需要經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，而不能隨便亂取值。剛開(kāi)始也是因?yàn)闆](méi)有搞清楚這些，所以繞了很多彎兒，還以為是濾波器的問(wèn)題。所以由此可知，要將所學(xué)的知識(shí)

63、系統(tǒng)的聯(lián)系起來(lái)，課程設(shè)計(jì)和平時(shí)學(xué)習(xí)一樣，也是一環(huán)扣一環(huán)，哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果出差錯(cuò)。</p><p>　　通過(guò)這一次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)設(shè)計(jì)濾波器的原理和方法有了更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，而且也順便復(fù)習(xí)了以前學(xué)的的一些知識(shí)，把所學(xué)的都串聯(lián)在一起，自己弄懂了之后，還幫其他同學(xué)解決了一些編程過(guò)程中產(chǎn)生的小問(wèn)題，還是很有成就感的，同時(shí)也更加加深了對(duì)知識(shí)的理解。雖然這次課程設(shè)計(jì)花了很長(zhǎng)時(shí)間，但是收獲還是挺大的，不管是學(xué)習(xí)還是

64、做事方面都領(lǐng)悟到了一些道理，以后學(xué)習(xí)也一定要注重實(shí)踐。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]樓順天，余衛(wèi).《基于MATLAB的系統(tǒng)與設(shè)計(jì)——控制系統(tǒng)》[M].西安.西安電子科技大學(xué)出版社. </p><p>　　[2]高西全，丁玉美.《數(shù)字信號(hào)處理（第三版）》.西安：西安電子科技大學(xué)出版社</

65、p><p>　　[3]孫家廣，楊長(zhǎng)貴.，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》， 清華大學(xué)出版社，1995.5</p><p>　　[4] 郭士劍，王寶順，賀志國(guó)，楊可心 等. MATLAB7.X數(shù)字信號(hào)處理,北京：人民郵電出版社.2006年12月  </p><p>　　[5] 程佩青. 數(shù)字信號(hào)處理教程.北京

66、：清華大學(xué)出版社.2010年5月  </p><p>　　[6] 羅軍輝,羅勇江，白義臣，龐娜 等. MATLAB7.0在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005年5月 </p><p>　　[7] 萬(wàn)永革. 數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn).北京：科學(xué)出版社.2007年4月 </p&

67、gt;<p><b>　　附件：</b></p><p>　　窗口函數(shù)設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器的MATLAB程序：</p><p>　　ws1=0.2*pi,wp1=0.35*pi;</p><p>　　Wp2=0.65*pi;ws2=0.8*pi;</p><p><b>　　As=60;</

68、b></p><p>　　tr_width=min((wp1-ws1),(ws2-wp2));</p><p>　　N=ceil(11*pi/tr_width)+1</p><p>　　n=[0:1:M-1];</p><p>　　Wc1=(ws1+wp2)2*pi;</p><p>　　Wc2=(ws2+ws2

69、)/2*pi;</p><p>　　delta_w=pi/500;</p><p>　　Rp=min(db(wp1/delta_w+1:1wp2/delta_w))%Actua:Passhand Ripple</p><p><b>　　Rp=0.0030</b></p><p>　　As=round(max(db(ws

70、2/delta_w+1:1:501)))%Min Stophand Attenuation</p><p><b>　　As=75</b></p><p>　　b=firl(N,[wc1,wc2],window)</p><p>　　hamming窗設(shè)計(jì)FIR低通濾波器</p><p>　　wp=0.2*pi;ws=0.

71、3*pi;</p><p>　　tr_width=ws-wp;</p><p>　　N=ceil(6.6*pi/tr_width)+1</p><p>　　n=[0:1:N-1];</p><p>　　we=(ws+wp)/2;</p><p>　　delta_w=2*pi/1000;</p><p

72、>　　Rp=min(db(1:1:wp/delta_w+1)))</p><p><b>　　Rp=0.0394</b></p><p>　　As=-round(max(db(ws/delta_w+1:1:501)))</p><p><b>　　As=52</b></p><p>　　B=f