基于DSP的数字滤波器的设计.doc

目录 摘要 I 第 1 章 课程设计的目的和要求 1 第 2 章 系统功能介绍及总体设计方案 2 第 3 章 主要内容和步骤 3 3 1 滤波器原理 3 3 2 操作步骤 3 第 4 章 详细设计 4 第 5 章 实验过程 5 5 1 汇编语言实验步骤与内容 5 5 2 实验过程中出现的错误及解决的办法 7 5 3 CCS 程序运行后的各种输出结果 7 第 6 章 结论与体会 10 参考文献 11 附件 源程序清单 12 DSP 实现 FIR 滤波的关键技术 12 汇编程序清单 14 1 第 1 章 课程设计的目的和要求 通过课程设计 加深对DSP芯片TMS320C54x的结构 工作原理的理解 获得DSP应用技术的实际训练 掌握设计较复杂DSP系统的基本方法 通过使 用汇编语言编写具有完整功能的图形处理程序或信息系统 使学生加深对所学知识 的理解 进一步巩固汇编语言讲法规则 学会编制结构清晰 风格良好 数据结构 适当的汇编语言程序 从而具备解决综合性实际问题的能力 2 第 2 章 系统功能介绍及总体设计方案 2 1 系统功能介绍 一个实际的应用系统中 总存在各种干扰 数字滤波器在语音信号处理 信号 频谱估计 信号去噪 无线通信中的数字变频以及图像信号等各种信号处理中都有 广泛的应用 数字滤波器也是使用最为广泛的信号处理算法之一 在本设计中 使用MATLAB模拟产生合成信号 然后利用CCS进行滤波 设定模拟信号的采样频率为400000Hz 设计一个FIR低通滤波器 其参数为 滤波器名称 FIR低通滤波器 采样频率 Fs 40000Hz 通带 阻带截止频率 4000Hz 4500Hz 通带最大衰减 0 5dB 阻带最少衰减 50dB 滤波器级数 N 154 滤波器系数 由MATLAB根据前述参数求得 2 2 总体设计方案流程图 使用MATLAB编写程序产 生待滤波数据 使用MATLAB 滤波器的设 计 分析工具 FDATOOL 设计 FIR 滤波器 使用 CCS编写程序实现滤波功能 查看程序运行后的输入输 出波形并比较滤波效果 图1 总体设计方案 3 第 3 章 主要内容和步骤 3 1 滤波器原理 对于一个FIR滤波器系统 它的冲击响应总是又限长的 其系统函数可记为 1 0 N n n H zh n z 其中是FIR的滤波器的阶数 为延时结 为端口信号函数 1N n z h n 最基本的FIR滤波器可用下式表示 1 0 N k y nh k x nk 其中输入采样序列 是滤波器系数 是滤波器的阶数表 x nk h kN Y n 示滤波器的输出序列 也可以用卷积来表示输出序列与 的关系 y n x n h n 如下 y nx nh n 3 2 操作步骤 1 打开FDATOOL 根据滤波要求设置滤波器类型 通带截止频率 指定 阶数 采样频率等 指定完设计参数后单击按钮Design Filter 生成滤波器系数 2 把生成的滤波器系数传到目标DSP 选择菜单Targets Export to Code Composer Studio tm IDE 打开Export to C Header File对话框 选择 C header file 指定变量名 滤波器阶数和系数向量 输出数据类型可选浮点型或 32 b 16 b整型等 根据自己安装选择目标板板号和处理器号 单击OK 保存 该头文件 需指定文件名 filtercoeff h 和路径 保存在c ti myprojects fir工 程中 3 修改CCS汇编程序 删掉数据前的所有文字 在开头加上 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号去掉 4 编译汇编程序 如果有错误 按错误进行修改 没错误 则往下执行 5 加载初始化DATA数据 运行程序 查看输入输出波形 修改相应参 数进行调试 4 第 4 章 详细设计 在本实验中使用MATLAB模拟产生信号 观察滤波前的时域波形和频域波 形 MATLAB仿真后 使用得到的滤波器参数 进行DSP编程 在DSP中实 现带通滤波 并使用CCS的频谱分析功能 查看DSP的滤波效果 MATLAB程序流程图如图4 1所示 初始化 产生需要虑波信号 画出原始信号频谱图 生成fir 滤波器 进行滤波 初始化 图4 1 MATLAB程序流程图 CCS汇编程序流程图如图4 2所示 画出滤波后信号频谱图 是否有待滤波数据 输入原始信号 定义滤波器系数 为原始信号和系数指定寄存器 做滤波算法 本次滤波结束待滤波系数减一 滤波结束 是 图4 2 CCS汇编程序流程图 5 第 5 章 实验过程 5 1 汇编语言实验步骤与内容 MATLAB辅助DSP 实现FIR 其总体过程为在DSP 中编写处理程序 在MATLAB中利用滤波器设计 分析工具 FDATOOL 根据指定的滤波器 性能快速设计一个FIR 然后把滤波器系数以头文件形式导入CCS 中 头文件中 MATLAB 辅助DSP 实现FIR 数字滤波器含滤波器阶数和系数数组 在 MATLAB中调试 运行DSP 程序并显示 分析处理后的数据 使用该方法 便 于采用汇编语言来实现程序 头文件名不变 当MATLAB中设计的滤波器系数改 变时 相应头文件中系数也改变 方便了程序调试 仿真 1 在MATLAB中先编写程序 查看待滤波和已滤波的信号的时域和频域 波形 如图5 1和图5 2所示 图 5 1 待滤波信号的时域图 图 5 2 待滤波信号的频域图 利用FDA TOOL 设计FIR 滤波器的参数 操作步骤如图5 3所示 图 5 3 FIR 滤波器的参数 打开Export 把Numerator改为B 如图5 4所示 6 图 5 4 Export 设置 已滤波的信号的时域和频域波形 如图5 5和图5 6所示 图 5 5 已滤波信号时域波形图 图 5 6 已滤波信号频域波形图 MATLAB滤波器设计工具在完成FIR设计后 如图5 7所示 在Export as 中选择16bit符号整数输出 然后单击OK按钮 生成fir h C语言头文件 将系 数稍作修改 调整后拷贝到程序的系数初始化空间即可 图 5 7 MATLAB 输出数值转换图 2 在CCS中编写汇编语言程序 进行调试 实现带通滤波的功能 在 7 CCS IDE 中建立LHM pjt工程 用汇编语言编写处理主程序fir asm 另外根据 板上的存储器配置方式 编写存储器配置文件fir cmd文件 将MATLAB生成的 LHM h和input1 dat文件拷贝到LHM pjt工程文件夹下 进行编译 链接 生 成可执行文件LHM out 3 加载初始化data数据 图5 8所示 图 5 8 data 初始化图 运行程序 查看输入输出波形 修改相应参数进行调试 5 2 实验过程中出现的错误及解决的办法 1 在MATLAB程序设计中 采样频率设置的过小 截止频率大于采样频 率的一半 运行的时候图形出现错误 2 FIR m中的采样频率要和开始设置时的采样频率一致 否则结果会出现 偏差 3 在CCS中未定义标号 程序运行错误 4 在 h文件中未把coeff顶格写 编译时出现错误 5 未将fir h和input dat文件考入工程文件中 6 间接寻址过程中 程序中丢失 7 在View的Graph中单击Time frequency出现graph property dialog框 未修改抽样点数 显示的图形出现差异 5 3 CCS 程序运行后的各种输出结果 在View的Graph中单击Time frequency出现graph property dialog框 将显示类型 图形名称 起始地址 抽样点数 数据类型等分别进行设置 输 出各种波形 输出滤波前的信号时域波形 首先 设置如图5 9所示 输出滤波前 的信号时域波形 8 图 5 9 Graph property dialog 设置框图 单击OK后生成如下图5 10波形 图 5 10 滤波前信号波形图 图5 10为滤波前的信号 波形很杂乱 从时域上很难看出信号的周期性 修 改相应设置 输出如图5 11所示滤波前信号频谱 图 5 11 滤波前信号频谱波形图 经过滤波后 时域波形频谱波形如图5 12 和 5 13所示 9 图 5 12 滤波后信号时域波形图 图 5 13 滤波后信号频谱图 由上述的所有截图可知 输入参数中 通带截止频率和阻带截止频 率是比较重要的两个参数 不宜过小 过小滤掉的高频成分太多 很难 还原出远波形的形状 也不宜过大 过大滤波效果欠佳 在本课程设计 中 通带截止频率选用4000Hz 阻带截止频率选用4500Hz 因此 显示图形时的 时域显示的抽样点数为1024 频域显示的带宽为 0 5Hz 对比滤波前后信号的时域图5 10和5 12 频谱波形图5 11 和5 13可以知道 滤波前的时域信号的波形图的波形很杂乱 很难看 出信号的周期性 滤波后周期性也相对的明显起来了 滤波前信号分布 在整个频带上 滤波后阻带范围内的基本被滤掉 这些都可以从上述截 图看出 10 第 6 章 结论与体会 通过本次课程设计 让我了解了数字滤波是信号处理技术中的重要部分 研究 了数字滤波器的基本理论知识以及它实现方法 学习了数字滤波器的结构 设计理 论 掌握了各种数字滤波器的原理和特性 并且复习了MATLAB的相关知识 并且利用MATLAB与CCS设计了低通滤波器以及高通滤波器 还研究了如何 在定点DSP中实现数字滤波器的算法 学到了16位定点DSP芯片 TMS320C5402的硬件 软件结构和特性 掌握了CCS环境下的程序开发方法 调试工具的使用及优化级别的选择等 研究了MATLAB环境下FIR数字滤波器 的设计方法 利用MATLAB软件编程实现FIR滤波器设计 利用DSP来快速 设计FIR数字滤波器的方法 寻找系数的快速传递 MATLAB中调试仿真DSP 程序 DSP作为一门新兴学科 越来越引起人们的关注 目前已广泛应用在各个领 域 20世纪60年代以来 随着计算机和信息技术的飞速发展 数字信号处理技 术应运而生并得到迅速的发展 数字信号处理是 DSP 利用计算机或专用处理设 备 以数字形式对信号进行采集 变换 滤波 估值 增强 压缩 识别等处理 以得到符合们需要的信号形式 数字信号处理 DSP 是围绕着数字信号处理的理 论 实现和应用等几个方面发展起来的 数字信号处理在理论上的发展推动了数字 信号处理应用的发展 反过来 数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的 提高 而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁 数字信号处理DSP是 以众多学科为理论基础的 它所涉及的范围极其广泛 所以在今后的工作和学习生 活中 综合运用模拟电子 数字电子和DSP基本原理等课程中所学的理论知识去 独立完成一个项目的设计 不仅要完善以上的MATLAB设计方法 更要学会利用多种途径设计各种DSP最小系统 熟练C语言编程 11 参考文献 1 戴明桢等编著 TMS320C54X DSP 结构原理及应用 北京 航空航天大学出版社 第 2 版 2007 2 彭启琮编著 DSP 技术的发展与应用 北京 高等教育出版社 2002 3 胡广书编著 数字信号处理理论 算法与实现 北京 清华大学出版社 2005 4 北京合众达电子技术有限公司编著 SEED DTK 系列实验手册 北京合众达电子技术有限公司 出版 2007 5 李真芳 苏涛等 DSP 程序开发一 MATLAB 调试及直接目标代码生成 M 西安 西安电子科 技大学出版社 2003 87 163 6 楼顺天 李博函 基于 MATLAB 的系统分析与设计一信号处理 M 西安 西安电子科技大学 出版社 1998 81 88 7 王秀芳 关凌涛 基于 MatLab 与 DSP 的滤波器的快速设计方法 期刊文章 现代计算机 2008 总第二七七期 97 99 8 赵秀玲 基于定点 DSP 的 FIR 数字滤波器的研究与设计 硕士论文 曲阜师范大学 2007 15 32 9 罗军辉 罗勇江等 MATLAB 在数字信号处理中的应用 M 北京 机械工业出版社 2005 63 128 12 附件 源程序清单 DSP 实现 FIR 滤波的关键技术 用线性缓冲区实现 FIR 滤波器程序清单 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 32768 10 word 3 32768 10 word 4 32768 10 word 2 32768 10 word 1 32768 10 text start SSBX FRCT STM x 7 AR2 STM 6 AR0 LD x 1 DP PORTR PA1 x 1 FIR1 RPTZ A 6 MACD AR2 COEF A STH A AR2 PORTW AR2 PA0 BD FIR1 PORTR PA1 AR2 0 end 13 用循环缓冲区实现 FIR 滤波器程序清单 title FIR2 ASM mmregs def start bss y 1 xn usect xn 7 b0 usect b0 7 PA0 set 0 PA1 set 1 data table 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 xn DP PORTR PA1 xn FIR2 RPTZ A 6 MAC AR2 0 AR3 0 A STH A y 14 PORTW y PA0 BD FIR2 PORTR PA1 AR2 0 end 汇编程序清单 lhm h 文件内容 data coeff 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 96 151 144 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 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 29 37 word 88 106 85 39 11 44 44 11 42 word 96 131 136 110 62 8 36 61 64 word 85 Fir asm 内容 title fir asm mmregs global c int00 ORDER set154 D LEN set1024 The Length of Input Data 15 xn usect xn ORDER 1 a0 usect a0 ORDER 1 input usect input D LEN output 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 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