DSP实验报告FIR和IIR滤波器设计

1、dsp实验报告实验一fir 滤波器的设计1.实验目的利用所学 dsp 知识，在 ccs3.3 平台上，对 tms320vc5416dsp 设计，编程实现 fir 滤波器。从而学会使用ccs 软件和 tms320vc5416 实验板。2.实验要求设计一个 10 阶的 fir 滤波器，要求=2.5khz，定点实现。并对=8khz的多正弦波合成文件进行滤波测试，显示出输入和输出信号。3.实验原理一个截止频率为的理想数字低通滤波器，其传递函数的表达式为：ccjjdeeh,0,)(这个滤波器是物理不可实现的。 为了产生有限长度的冲激响应函数，我们取样响应为)(nh，长度为 n。)(nh表示截取)(nhd

2、后的冲激响应，即)()()(nhnnhd，其中)(n即为窗函数，窗长为n。一般的fir 滤波器差分方程如下：10( )( ) ()nky nh k x nk进行 z 变换得到 fir 的系统函数为：10)()(nnnznhzhn 阶滤波器通常采用n 个延迟单元、 n 个加法器与 n+1 个乘法器组成。因此可以得到 fir 滤波器的结构图如图1 所示。图 1 fir 滤波器直接结构图4.设计思路对于 fir 滤波器的设计，其系数( )h n是关键。由于matlab 自带滤波器设计工具箱和滤波器设计函数，故借用matlab 工具，设计满足条件的滤波器并导出系数以备编写滤波器程序时使用。实验需要用到

3、的输入数据是多正弦波合成文件，对于输入信号的设计，这里也借助matlab 编程生成 dat 文件。然后用c 语言编写 fir 滤波器的主程序，输入文件在程序运行后导入。5.实验内容（1）滤波器系数的设计由于实验只给出滤波器条件为n=10，=2.5khz，并没有给出和，所以这里调用 matlab工具箱函数 fir1 实现窗函数法设计滤波器。fir1 的调用格式为，返回值为 6db 截止频率为的 n 阶（单位脉冲响应 h （n）长度=n+1）的 fir 低通滤波器的系数向量 （为标量） ，默认选用哈明窗。其中为对 归一化的数字频率，其计算公式为，这里计算得出=0.625。因为得到的系数向量要用于d

4、sp 的 fir 程序中，需要对其进行进行转换并取整。最后系数结果如下图2 所示。图 2 10 阶 fir 滤波器系数对于 10 阶滤波器得到 11个系数，将该系数保存，以备后面编写程序时使用。该滤波的幅频图和相频图分别对应图3 和图 4。图 3 10 阶 fir 滤波器幅频图图 4 10 阶 fir 滤波器相频图（2）输入信号的生成根据老师给的两个 .wav 语音文件，这里用matlab 的 wavread函数将其读进去，并编写程序查看其部分信号时域和频域图，并生成两个语音文件的 .dat文件，供作为 dsp设计滤波器验证时所用的输入文件。两个语音信号部分时域和频域图分别对应图5（a） （b

5、）和图 6（a） （b） 。（a） 语音文件1 时域图（b） 语音文件1 频谱图图 5 语音文件1 时域和频域图（ a）语音文件2 时域图（b）语音文件2 频谱图图 6 语音文件2 时域和频域图（3）ccs中 fir 程序编写首先打开 ccs setup选择对应 5416型号的处理器，保存后打开ccs软件，project-new 建立 fir 滤波工程。 新建一个 input.h 文件，并将 matlab产生的 input文件里面的数据放入其中，然后project-add files to project.将 input.h 添加至工程。同理，编写fir 滤波主程序并将其加入工程。最后将链接文

6、件fir.cmd 加入工程。如图 7 所示。图 7 ccs3.3程序窗口编译生成fir.out 文件，然后file-load program.-fir.out，运行程序。然后view-graph-time/frequency， 显示如图 8 所示。然后选择对应的 single time、 fft magnitude分别对应时域和频域图形。start address分别填 input 和 output 对应输入和输出的数据。通过改变acquisition buffer size 和 display data size数值来调整显示框的结果。对应的显示结果如图9-图 12 所示。图 8 （ a）时

7、域图（b） 频域图图 9 输入信号1 波形图（a）滤波结果时域图（b）滤波结果频域图图 10 信号 1 滤波结果图（a） 时域图（b）频域图图 11 输入信号2 波形图（a）滤波结果时域图（b）滤波结果频域图图 12 信号 2 滤波结果图（4）程序下载到 dsp 实验板点击 file-new-dsp/bios configuration ，选择 dsk5416.cdb，保存至文件的工程目录下。 将刚生成的 .cdb文件和编写的加入到工程中。 将前面的程序文件分别加入工程中，进行编译。链接实验板和电脑。 点击 debug-connect ，连接测试板，file-load program.，从工程

8、文件下的 debug文件夹中导入 fir.out 文件,再点击 debug-run运行。6.实验结果从图 9-图 12 来看程序基本完成了对输入的合成信号的滤波。其中输入信号1 是由 1khz、2khz、3khz 合成的信号，而输入信号2 是多种频率信号复合的信号。经过 fir 滤波器滤波后， 由输出的频域图可以看出， 本滤波器将大于 2.5khz的信号基本滤去。由于滤波器的阶数较小，对于3khz 信号并没有完全滤除，这也是实验预期之中的。对于信号2 的复合信号，由频谱图比较可以发现，大于2.5khz 的信号基本被滤去。综上所述，本实验设计的fir 滤波器实现了截止频率为 2.5khz 的低通

9、滤波器的功能。实验二iir 滤波器的设计1.实验目的和要求在上面设计了 fir 滤波器的基础上，设计相同性能的iir 滤波器。2.实验原理iir 与 fir 滤波器相比，相同性能水平的滤波器，iir 可以用较低的阶数实现，但是 iir 滤波器是非线性的，且稳定性较差。iir 滤波器对 fir 滤波器的前馈环节进行了扩展，增加了一个反馈环节。iir 滤波器的（ l-1）阶前馈环节和（ m-1）阶反馈环节的差分方程表示为：1101lmimimy nb x nia y nm其中 a与 b 为滤波器系数向量。对上式进行 z 变换可得：进而得到 iir 滤波器的传递方程为：因此 iir 滤波器的设计需要

10、求出其系数向量a和 b。3.实验内容iir 滤波器的设计思路和内容与fir 的基本相同，这里不再叙述。这里使用与 fir 滤波器一样的输入信号。 一般情况下， 相同性能的 iir 滤波器阶数应低于fir 滤波器，这里为了方便，设计相同阶数的iir 滤波器。 iir 滤波器系数向量用 matlab的自带的滤波器设计工具箱设计得出。iir 滤波器对输入信号1 和 2 滤波后的时域和频域图如图13 和 14所示。（a）滤波后时域图（b）滤波后频域图图 13 iir 滤波器对输入信号1 的滤波结果（a）滤波后时域图（b）滤波后频域图图 14 iir 滤波器对输入信号2 的滤波结果4.实验结果通过观察

11、iir 滤波结果图，与上面fir 比较，可以发现，实验中截止频率同为 2.5khz 的 iir 滤波器，对 2khz 和 3khz 频率的信号都有滤波现象。这是由于滤波器自身的幅频特性造成的。 经过观察信号 2 的滤波结果可以看出， 该滤波器也基本可以实现截止频率为2.5khz 的低通滤波器的功能。实验总结本次实验所设计的 10阶 fir 和 iir 滤波器都可以很好的完成低通滤波效果，达到了实验预期的目的。 通过 fir 和 iir 滤波器的设计， 不仅让我了解到了数字滤波器的设计思路和设计方法， 而且通过比较了解了fir 和 iir 滤波器各种的优点和缺点。通过实验让我对数字滤波器的知识有

12、了进一步了解和认识，同时掌握了简单的滤波器实现算法和程序。由于之前没有较多接触过ccs 和 dsp 实验板，此次实验在对ccs 软件的使用、软件编程、仿真、连接实验板上花了大量的时间。通过在网上查资料并一点点学习和尝试才基本学会使用。由于对cmd 文件的不了解，开始编译时总是报错，通过与同学一起讨论和在网上查询才知道解决办法。总得来说，实验让我学会了ccs 软件和 dsp 实验板的基本使用方法。并在此基础上学会了简单的fir 和 iir 滤波器的设计。收获颇多。附录（1） 输入信号生成程序（ matlab程序）clc; clear all;close all; fs=8000; %y,fs,n

13、bits=wavread(c:usersadministratordesktopmultitonetest.wav); y,fs,nbits=wavread(c:usersadministratordesktopsc03.wav); figure(1) plot(y(1:500);title( 语言信号时域图); figure(2) y=abs(fft(y(1:1000); df=(1:1000)*(fs/1000); plot(df,y(1:1000);title(语言信号频域图); y=(y*32767); y=int16(y); fid=fopen(input.dat,w); for m

14、=1:2048 fprintf(fid,%d,n,y(m); %输出end fclose(fid); （2）fir 滤波器程序#include stdio.h #define n 11 /fir 滤波器的级数+1(因为本实验中滤波器阶数为10) #define len 2048 /待滤波的输入数据长度#includeinput.h /输入数据文件long yn; int b11 = -64, 438, -530, -2519 , 8803, 20512,8803,-2519,-530,438,-64;/滤波器系数int inputlen; /输入缓冲，在仿真时将从内存载入int outputlen; /输出缓冲，直接存放在内存中void main() int i,j; int *x; for(j=0;jlen-1;j+) x=&inputj; yn = 0; for(i=0; i15; while(1); （3）iir 滤波器程序#include stdio.h #include input.h #define n 11 #define len 2048 int num10 = 69,691,3108,8289,14505,17406,14505,8289, 3108,691, 6