基于DSP的数字滤波器的设计与仿真综述

1、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 48000Hz，。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=48000Hz 通带截止频率： 15000Hz 阻带截止频率： 16000Hz 通带最大衰减： 0.1dB 阻带最少衰减： 80dB 滤波器系数： 由 MAT

2、LAB 根据前述参数求得。 2.2 总体设计方案流程图 图 1 总体设计方案 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： N1 H z h n z n n0 其中 N 1是 FIR 的滤波器的阶数， z n 为延时结， h n 为端口信号函数。 最基本的 FIR 滤波器可用下式表示： N1 y n h k x n k k0 其中 x n k 输入采样序列， h k 是滤波器系数， N 是滤波器的阶数 Y n 表示 滤波器的输出序列，也可以用卷积来表示输出序列 y n 与 x n 、 h n 的关系，如 下： y n x n h

3、 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

4、 指定文件名 （filtercoeff h）和路径 （保存在 c：timyprojectsfir 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 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 DS

5、P 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 图4.1 MATLAB程序流程图 CCS汇编程序流程图如图 4.2 所示 图4.2 CCS 汇编程序流程图 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

6、 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

7、Numerator改为 B, 如图 5.4所示。 图 5.4 Export 设置 4 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 CCS IDE 中

8、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

9、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

10、 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。 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 图 5.12 滤波后

11、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

12、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 start “x，”8 0 1 1*32768/10 2*32768/10 -4*32768/10 3*32768/10 -4*32768/10 2*32768/10 1*32768/10 FRCT 附件：源程序清单 用线性缓冲区实现 FIR 滤波器程序清单： .title “ FIR1.ASM” .mmregs .def x .usect PA0 .set PA1 .set .data COEF： .word .word .word .word .word .word .word .text start: SSBX STM #

13、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 用循环缓冲区实现 FIR 滤波器程序清单： .title“ FIR2.ASM” .mmregs .def .bss start y,1 xn .usect “ xn ” ,7 b0 .usect “b0” ,7 PA0 .set 0 PA1 .set 1 .data table: .word 1*32768/10 .word 2

14、*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 PORTW y,PA0 BD FIR2 10 POR

15、TR PA1,*AR2+0% .end 汇编程序清单 lhm.h 文件内容 ： .data coeff .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word .word -85, -64, -61, -36, 8, 62, 110, 136, 131 96, 42, -11, -44, -44, -11, 39, 85, 106 88, 37, -29, -83, -101, -73, -7, 70, 124 131, 82, -5, -96,

16、-151, -144, -72, 37, 140 191, 162,61, -76, -191, -231, -174, -35, 132 256, 278, 180, -7, -208, -337, -330, -176, 72 316, 445, 392, 156, -178, -475, -599, -470, -108 361, 745, 857, 594, -6, -748, -1336, -1456, -893 386, 2192, 4154, 5816, 6768, 6768, 5816, 4154, 2192 386, -893, -1456, -1336, -748, -6,

17、 594, 857, 745 361, -108, -470, -599, -475, -178, 156, 392, 445 316, 72, -176, -330, -337, -208, -7, 180, 278 256, 132, -35, -174, -231, -191, -76, 61, 162 191, 140, 37, -72, -144, -151, -96, -5, 82 131, 124, 70, -7, -73, -101, -83, -29, 37 88, 106, 85, 39, -11, -44, -44, -11, 42 96, 131, 136, 110,

18、62, 8, -36, -61, -64 -85 Fir.asm 内容 ： .title fir.asm .mmregs .global _c_int00 ORDER .set 154 D_LEN .set 1024 ; The Length of Input Data xn a0 .usect xn, (ORDER-1) .usect a0, (ORDER-1) 11 input .usect input, D_LEN output .usect output, D_LEN .copy HM.h .text .asg AR0, FIR_INDEX .asg AR2, FIR_DATA .as

19、g AR3, FIR_COEF .asg AR5, DATA_IN .asg AR6, DATA_OUT _c_int00: SSBX FRCT ; Get coefs from coef.h ; Copy a0(coefs) to Copy xn(data) to STM #a0,FIR_COEF FIR_COEF(AR3) RPT #ORDER-1 MVPD #coeff,*FIR_COEF+ STM#1, FIR_INDEX STM#xn, FIR_DATA FIR_DATA(AR2) RPTZ A,#ORDER-1 STL A, *FIR_DATA+ STM #(xn+ORDER-1), FIR_DATA STM #(a0+ORDER-1), FIR_COEF STM #input, DATA_IN STM #output, DATA_OUT STM #D_LEN-1, BRC RPTBD next-1 STM #ORDER, BK LD * DATA_IN+, A STL A, *FIR_