DSP原理及应用课程设计报告-FIR数字滤波器应用

1、大大 学学 * 学学 院院 本 科 生 课 程 设 计 课课 程程 名名 称：称： dsp 原理及应用原理及应用 题题 目：目： FIR 数字滤波器应用 专专 业业 班班 级：级： 08 电信 学学 生生 姓姓 名：名： * 学学 生生 学学 号：号： * 日日 期：期： 2011.6.17 指指 导导 教教 师：师： * *教务部印制教务部印制 目目 录录 目 录.II 摘 要.III ABSTRACT.III 1 引言.4 1.1 研究背景.4 1.2 研究目的.4 1.3 研究意义.4 2 设计方案简述.5 21 系统方案设计流程图.5 2.2 设计原理.5 2.2.1 FIR 滤波器的

2、基本结构.6 3. FIR 滤波器的详细设计.7 3.1 方案选择.7 3.2 低通滤波器的 MATLAB 实现 .7 3.3 FIR 滤波器的 DSP 实现 .9 3.3.1 汇编语言设计.9 3.3.2 具体的操作步骤.11 4 实验结果及分析.12 4.1 实验步骤与内容.12 4.2 实验过程中出现的错误及解决的办法.13 4.3 CCS 程序运行后的各种输出结果 .14 5 总结.15 6 参考文献.16 摘 要 数字信号处理器，也称 DSP 芯片，是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊 结构的处理器。它是现代电子技术的、相结合的产物。目前的 DSP 芯片以其强大的数 据处理功能

3、在通信和其他信号处理领域得到广泛注意并已成为开发应用的热点技术。 DSP 芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。主要应用是实时快速的 实现各种数字信号处理算法，如卷积及各种变换等。其中利用 DSP 来实现数字滤波器 就是很重要的一种应用，本文深入研究基于美国德州仪器公司(TI)TMS320C54XX DSP 芯 片的滤波器系统软件实现方法，用窗口设计法实现 FIR 滤波器。 关键词：DSP；TMS320C5410；FIR 滤波器;自适应滤波器 Abstract Digital signal processor, also known as DSP chips, digital s

4、ignal processing required for the design of a special structure of the processor. It is a modern electronic technology, the product of the combination. The current DSP chip with its powerful data processing capabilities in the areas of communications and other signal processing has become widespread

5、 attention and development and application of a hot technology. DSP chip is particularly suitable for digital signal processing algorithms of the microprocessor. Main application is to achieve a variety of real-time fast digital signal processing algorithms such as convolution and a variety of trans

6、formation. One advantage of the DSP implementation of digital filters is a very important application of this in-depth research is based on Texas Instruments (TI) TMS320C54XX DSP chip filter system software implementation, with the window design method of FIR filter. KeywordsKeywords：DSP; TMS320C541

7、0; FIR filter; adaptive filter 1 引言 数字滤波器在数字通信、语音图象处理、谱分析、模式识别、自动控制等 领域得到了广泛的应用。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理 低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高， 容易集成等。和 IIR 滤波器相比，FIR 滤波器可以得到严格的线性相位。而且 FIR 滤波器可以用非递归方法实现，有限精度的计算不会产生振荡，同时由于 量化舍入以及系数的不准确所引起的误差的影响比 IIR 滤波器要小得多。再者 FIR 滤波器可采用 FFT 算法，在相同阶数下，运算速度可以快得多。 1.1 研究背景

8、数字滤波器是 DSP 最基本的应用之一。在系统设计中，滤波器的好坏将直 接影响系统的性能。使用 DSP 进行数字信号处理可以从噪声中提取信号，即对 一个具有噪声和信号的混合源进行采样，然后经过数字滤波器来滤除噪声，从 而提取有用信号。用 DSP 芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不 受外界影响等优点外，还具有灵活性好的特点，因而可通过可编程 DSP 芯片来 实现数字滤波器的特性。 1.2 研究目的 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（或者 C）语言

9、编写具有完整功能的 FIR 系统，使学生加深对所学知识的 理解，进一步巩固汇编（或者 C）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（或者 C）语言程序，从而具备解决综合性实际问题 的能力。 1.3 研究意义 数字滤波器分为有限冲激响应滤波器 FIR 和无限冲激响应滤波器 IIR。FIR 滤波器属于经典滤波器，优点就是不存在系统极点，FIR 滤波器是绝对的稳定 的系统，FIR 滤波器还确保了线性相位，在信号处理中占有极其重要的地位。 数字滤波器一直以来就是数字信号处理器 DSP 最广为认知的应用，FIR 滤波器 的单位响应 b（n）为有限长序列，若 b（n）为实数，且满足偶

10、对称：b（n） =b(N-1-n)的条件，称为对称 FIR 滤波器。系数对称 FIR 滤波器在数字信号处理 中应用十分广泛，常用于相位失真要求较高的场合。如：通信系统：调制解调 器综合业务数据网；希尔伯特变换器：要求输入输出信号正交；高保真音响系 统音乐的相位失真必须减到最小，尽可能逼真地重现原来的声音等。 2 设计方案简述 21 系统方案设计流程图 图 2.1 系统方案设计流程图 2.2 设计原理 数字滤波器的设计问题就是寻找一组系数 ai 和 bi，使得其性能在某种意义 上逼近所要求的特性。如果在 s 平面上去逼近，就得到模拟滤波器，如果在 z 平面上去逼近，则得到数字滤波器。 数字滤波是

11、将输入的信号序列，按规定的算法进行处理，从而得到所期望的输 出序列。一个线性位移不变系统的输出序列 y(n)和输入序列 x(n)之间的关系， 应满足常系数线性差分方程： （2.3.1） x(n)为输入序列，y(n)为输出序列，ai、bi 为滤波器系数，N 为滤波器的阶数。 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 0 )()()( 1 1 0 ninyainxbny M i i N i i 2.2.1 FIR 滤波器的基本结

12、构 在式 2.1.1 中，若所有的 ai 均为 0，则得 FIR 滤波器的差分方程： （2.3.2） 对式（2.3.1）进行 z 变换，可得 FIR 滤波器的传递函数： （2.3.4） 由此可得到 FIR 滤波器的结构如图 1 所示。 FIR 滤波器的单位冲击响应 h(n)是一个有限长序列。若 h(n)为实数，且满 足偶对称或奇对称的条件，即 h(n)=h(N-1-n)或 h(n)=-h(N-1-n)，则 FIR 滤波 器具有线性相位特性。 )()( 1 0 N i i inxbny )( )( )( 1 0 N i i iz b zX zY zH 图 2.3.1 FIR 滤波器的结构如图 3

13、. FIR 滤波器的详细设计 3.1 方案选择 在设计数字滤波器时通常采用 MATLAB 来进行辅助设计和仿真用 MATLAB 设计 FIR 数字滤波器的方法有很多种!限于篇幅!这里只介绍比较常用的窗函数 设计方法最优化设计法及滤波器设计与分析工具 FDATOOL 设计法. (1)窗函数设计法 窗函数法的设计核心是从给定的频率特性,通过加窗确定有限长单位脉冲响 应序列 h（n）根据给定的滤波器技术指标，选择滤波器长度 N 和窗函数 w（n） 使其具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣。工程中常用的窗函数共有 6 种，即矩 形窗巴特利特窗汉宁窗汉明窗布莱克曼窗和凯塞窗#以基于窗函数设计法的 FIR1 和

14、 FIR2 函数命令可以方便地得到滤波器的系数,并可以通过使用 freqz（）和 plot（）函数绘制滤波器的幅频响应和相频响应。 （2）最优化设计法 MATLAB 中的 remez 函数可采用 Park-McClenllan 算法设计线性相位 FIR 滤 波器,这种滤波器使期望频率响应与实际频率响应之间的最大误差最小，使其频 率响应呈现出等波纹特性，因此有时也称为等波纹滤波器。这种方法的缺点是 无法直接设定滤波器阻带衰减参数，只能通过调整参数进行多次试验来得到所 需的滤波器。 （3）FDATool 设计法 FDATool 是 MATLAB 信号处理工具箱里专用的滤波器设计与分析工具。 FDA

15、Tool 界面为滤波器设计提供了一个交互式的设计环境，用户可以根据对幅 值和零极点图的设置，设计几乎所有基本的常规滤波器。采用 FDATool 设计法 是其界面的上半部分为特性区，用来显示滤波器的各种特性；下半部分为参数 设定区，用来设定滤波器的各种参数，包括滤波器的类型设计方法阶数频率 设定等。 通过对比以上 3 种方法,就会发现利用窗函数设计滤波器更为直观和方便。 本文便是利用这种方法首先设计出 FIR 滤波器的系数,然后根据其结果再在 DSP 上实现。 3.2 低通滤波器的 MATLAB 实现 用窗函数法设计 FIR 低通滤波器，其技术指标如下：kHz, 250fs20 p f kHz，

16、kHz，通带最大衰减，阻带最小衰减。30 s f3dB p A 50dB s A 将其换算成数字域的性能指标如下：通带截止频率，通带最大衰0.16 p 减 ；阻带截止频率，阻带最小衰减 。3dB p A 0.238 s 50dB s A 根据窗函数法的设计原则，海明窗（hamming）可提供大于 50dB 的衰减。 要求滤波器的过渡带为：,利用海明窗0.240.160.08 sp 设计的滤波器的过渡带 ，所以低通滤波器单位脉冲响应的长度为：8 / N ，取 N=101。 88 100 0.08 N 通过 FIR1 函数设计出滤波器的单位冲激响应序列，用它来作为在下一章中 DSP 设计程序中的系

17、数。 (a)幅度响应 (b)相位响应 图 3.2.1 hamming 窗滤波器的幅度响应与相位响应 3.3 FIR 滤波器的 DSP 实现 3.3.1 汇编语言设计 所选取的 N=101，滤波器的算法为 y(n)= x(n)+ x(n-1)+ x(n-2)+ x(n-100) 根据我们所选择使用的循环缓冲区法可以编写得到 FIR 滤波器的源程序如下： .title fir.asm .mmregs .def start .bss yn,1 xn .usect xn,101 hn .usect hn,101 indata .usect indata,300 outdata .usect outda

18、ta,256 .data fir_coff: .word -8*32768/10000,-32*32768/10000 .word 16*32768/10000,56*32768/10000 .word 36*32768/10000,-89*32768/10000 .word -77*32768/10000,92*32768/10000 .word 188*32768/10000,-53*32768/10000 .word -289*32768/10000,-76*32768/10000 .word 423*32768/10000,322*32768/10000 .word -531*3276

19、8/10000,-851*32768/10000 .word 595*32768/10000,3113*32768/10000 .word 4298*32768/10000 .word 3113*32768/10000,595*32768/10000 .word -851*32768/10000,-531*32768/10000 .word 322*32768/10000,423*32768/10000 .word -76*32768/10000,-289*32768/10000 .word -53*32768/10000,188*32768/10000 .word 92*32768/1000

20、0,-77*32768/10000 .word -89*32768/10000,36*32768/10000 .word 56*32768/10000,16*32768/10000 .word -32*32768/10000,-8*32768/10000 start: ssbx frct ;使用小数运算 stm #hn,ar1 ;系数首地址 rpt #101 ;将系数移入循 mvpd fir_coff,*ar1+ ;环缓冲区 stm #-1,ar0 stm #outdata,ar5 stm #indata,ar4 stm #xn+101,ar2 rpt #101 ;将输入数据移入 mvdd *

21、ar4+,*ar2+0% ;循环缓冲区 stm #xn+101,ar2 ;指向第一个输入 stm #hn+101,ar3 stm #101,bk ;缓冲区大小 37 stm #255,brc ;块重复 256 次 stm #-1,ar0 rptb loop-1 ;块程序重复大小 rptz a,# 101 ;计算一个输出 mac *ar2+0%,*ar3+0%,a sth a,*(yn) ;保存输出 mvkd *(yn),*ar5+ mvdd *ar4+,*ar2+0% ;读进一个输入 loop: nop b loop .end 3.3.2 具体的操作步骤 （1）打开 FDATOOL,根据滤波要

22、求设置滤波器的类型、通带截止频率、指定 阶数、采样频率等。设置完设计参数后再单击 Design Filter 按钮，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，然后指定变量名(滤波器阶数和系数向量)，输出数据类型可以选择浮点型 或 32 b，16 b 整型等，再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，同时需指定文件名(filtercoeffh)和路径(保存在

23、 c：timyprojectsfir 工程中)。 （3）修改 CCS 汇编程序，删除掉数据前的所有文字，在其开头加上.data，第 二行加上 coeff .word,在每行的前面都加上.word，并且把每行的最后的逗号去除 掉。 （4）编译汇编程序，若有错误，则根据错误提示进行修改；若没有错误，则继 续往下执行。 （5）加载初始化 DATA 数据。运行程序，查看输入输出的波形，修改相应的 参数进行调试 4 实验结果及分析 4.1 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

24、的滤波器性能快速设计一 个FIR ,再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,方便程 序调试、仿真。 利用 FDA TOOL 设计 FIR 滤波器的参数，操作步骤如图 4.1.1 所示。 图 4.1.1 FDA TOOL 设计 FIR 滤波器的参数操作步骤图 图 4.1.2 已滤波的信号的时域波形 图 4.1.3 已滤波的信号的频

25、域波形 MATLAB 滤波器设计工具在完成 FIR 设计后,在 Export as 中选择 16bit 符 号整数输出，然后单击 OK 按钮。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。 2.在 CCS 中编写汇编程序，进行调试，实现带通滤波功能。在 CCS IDE 中 建立 LHM.pjt 工程,用汇编语言编写处理主程序 fir.asm。另根据板上的存储器 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。 4.2 实验过程

26、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 4.3

27、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 4.1.4 所示，输 出滤波前的信号时域波形。 图 4.1.4 滤波前数据类型设置 单击 OK 后生成如下图 4.1.5 波形。 图 4.1.5 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 4.1.6 所示滤波前信号频谱。 经过滤波后，时域波形和信号频谱分别如图 4.1.7 和

28、图 4.1.8 所示。 图 4.1.5 滤波前时域波形 图 4.1.6 滤波前信号频谱 图 4.1.7 滤波后时域波形 图 4.1.8 滤波后信号频 5 总结 在这次课程设计中，我了解到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，取得了很多收获。 首先，通过复习课本和实验，对 DSP 的基础知识又有了很大的巩固。其次， 通过对用 Mathlab 实现 FIR 滤波器的设计，熟悉了 Mathlab 软件的一些相关的 窗口函数以及相关功能的调用，如怎样实现窗函数的调用，怎样实现滤波等。 第二，增进了与同学的交流。平常除了上课，大家也比较少接触。而每次 做课程设计的时候，大家总会互相探讨，发表自己的看法，帮忙解决遇到的问 题，分享自己的心得，于是交流也就不由自主的变得相对频繁些了，感觉也就 更亲切了。 第三，对 FIR 的滤波器性能和作用有了更深一层的了解。FIR 滤波器的应 用十分广泛，当今许多信号