典范性IIR滤波器DSP实现

PAGEPAGE2题目典范型IIR滤波器的实现英文题目TherealizationofthefiltertypeIIRmodel摘要随着信息技术的发展，数字化时代已经到来，数字信号的处理逐步发展成为一门主流技术。滤波技术的发展，对信息处理技术的发展具有及其重要的作用，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，容易集成等这些优势决定了数字滤波器的应用越来越广泛，同时DSP数字信号处理器的出现也促进了数字滤波器的发展。本论文论述了IIR数字滤波器的设计原理及其在DSP上的实现思路并对用DSP实现IIR滤波器的方法进行了分析。用MATLAB计算出IIR数字滤波器的系数，产生输入数据，应用CCS软件调试C和汇编程序并用TMS320C54对IIR进行了仿真。关键字：DSPMATLABIIR目录第一章、绪论…………….21.1基于DSP的IIR滤波器设计课题背景……..………21.2研究意义……………...21.3国内外相关领域的研究进展………...31.4本设计主要研究内容与方法………...3第二章、IIR数字滤波器的设计……..…42.1IIR数字滤波器的基本概念………….….….……42.2无限脉冲响应滤波器的缺点…………….….……42.3IIR滤波器的结构………………….…5第三章、IIR滤波器的基本表达…….….6第四章、设计方案及参数…………….….9第五章、总结……………10参考文献………………..11附录………………….….12致谢………….………….18第一章绪论1.1基于DSP的IIR滤波器设计课题背景随着集成电路技术的发展各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现,集成电路技术与计算机技术结合在一起,使得数字信号处理系统的功能越来越强。数字信号处理技术逐渐发展成为一门主流技术,数字信号处理技术就是基于VLSI技术和计算机技术发展起来的一门重要技术。DSP技术已在通信、控制、信号处理、仪器仪表、医疗、家电等很多领域得到了越来越广泛的应用。数字滤波器在各种数字信号处理中发挥着十分重要的作用，用数字滤波器设计一直是信号处理领域的重要研究课题。常用的数字滤波器有IIR滤波器和FIR滤波器。其中IIR滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用较低的阶数实现、较好的选频特性等优点得到了广泛应用。1.2研究意义滤波是信号处理中一种最基本但十分重要的技术。利用滤波可以从复杂的信号中提取所需的信号，抑制不需要的信号，在数字信号处理中，滤波占有极其重要的地位。数字滤波是通过数值运算的方法对输入信号进行滤波的数字信号处理过程，是语音和图象处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本的处理技术。与模拟滤波相比，数字滤波器是通过数值运算来实现滤波的，具有处理精度高、稳定可靠、集成度高、不存在阻抗匹配等优势，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能。DSP由于运算速度快，具有可编程特性和接口灵活的特点，使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中发挥着重要的作用，采用DSP来实现信号处理系统是当前发展的趋势。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。因此，有必要对滤波器的设计方法进行研究理解其工作原理，优化设计方法，设计开发稳定性好的滤波器系统。将通过DSP设计平台，实现较为重要的FIR滤波器系统，实现能独立完成滤波功能的系统。从而通过本课题的研究，掌握滤波器的设计技术，为通信、信号处理等领域实用化数字滤波器设计提供技术准备。本科题的研究将为今后设计以DSP为核心部件的嵌入式系统集成提供技术准备，这不仅具有重要的理论意义，同时还具有重要的实际意义。1.3国内外相关领域的研究进展自20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生来DSP芯片得到飞速的发展。在20多年的时间里DSP芯片已在信号处理、通信、自动空竹、仪表技术、信息家电等许多领域得到广泛的应用。1978年AMI公司生产世界上第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器2920是DSP芯片的一个重要里程碑。1980年日本NEC公司推出的uPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片，在这之后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司TexasInstruments简称TI的一系列产品，其DSP市场份额占全世界份额近的50%。目前DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。经过20年的发展，DSP器件在高速可编程，小型化，低功耗等方面都有了长足的发展，单片DSP芯片最快每秒可完成16亿次16MIPS的运算，生产DSP器件的公司也在不断壮大。1.4本设计主要研究内容与方法主要是在学习信号分析与处理的基础知识后，应用MATLAB软件、CCS软件结合来设计基于DSP的IIR滤波器设计。

应用MATLAB软件设计IIR数字滤波器，应用MATLAB中的工具FDATOOL工具设计滤波器的系数，在MATLAB中编译M文件，产生输入数据。应用DSP芯片的汇编语言与C语言进行编写程序，应用DSP集成软件开发环境CCS调试汇编程序与C程序，并用TMS320C54结合软件开发环境CCS来实现了IIR数字滤波的仿真。第二章IIR数字滤波器的设计数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转化为代表输出信号的数字时间序列，并在转化过程中使信号按预定的形式变化。数字滤波器有多种分类，按频率特性可划分为低通数字滤波器、高通数字滤波器、带通数字滤波器、带阻数字滤波器。根据数字滤波器冲激响应的时域特征，可分为无限长冲激响应(IIR)滤波器和有限长冲激响应(FIR)滤波器。2.1、IIR数字滤波器的基本概念：无限脉冲响应滤波器是数字滤波器的一种简称IIR数位滤波器(infiniteimpulseresponsefilter)。由于无限脉冲响应滤波器中存在反馈回路，因此对于脉冲输入信号的响应是无限延续的。IIR滤波器有以下几个特点：1、IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。2、IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。3、IIR数字滤波器在计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。

4、IIR数字滤波器的相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准络。5、IIR单位响应为无限脉冲序列FIR单位响应为有限的。6、IIR幅频特性精度很高，不是线性相位的，可以应用于对相位信息不敏感的音频信号上。FIR幅频特性精度较之于IIR低，但是线性相位就是不同频率分量的信号经过FIR滤波器后他们的时间差不变。这是很好的性质。2.2、无限脉冲响应滤波器的缺点：

1、脉冲响应为无限长，造成当输入数位讯号为有限长的时候输出数位讯号会变成无限长。2、比有限脉冲响应滤波器较不易最佳化。3、不一定是稳定的因为Z转换后所有的极点不一定都在单位圆内。2.3、IIR滤波器的结构IIR数字滤波器的单位脉冲响应h(n)是无限长的，结构上有输出到输入的反馈，频率采样结构除外是递归型。第三章IIR滤波器的基本表达IIR滤波器差分方程的一般表达式为: 2-1式中x(n)为输入序列;y(n)为输出序列;和为滤波器系数.若所有系数等于0,则为FIR滤波器.IIR滤波器具有无限长的单位脉冲响应,在结构上存在反馈回路,具有递归性,即IIR滤波器的输出不仅与输入有关,而且与过去的输出有关.将上式展开得出y(n)表达式为:2-2在零初始条件下,对上式进行z变换,得到:2-3设N=M,则传递函数为:2-4上式可写成:2-5上式具有N个零点和N个极点.若有极点位于单位圆外将导致系统不稳定.由于FIR滤波器所有的系数均为0,不存在极点,不会造成系数的不稳定.对于IIR滤波器,系统稳定的条件如下:若||<1,当n→时,h(n)→0,系统稳定;若||>1,当n→时,h(n)→,系统不稳定.IIR滤波器具有多种形式,主要有:直接型(也称直接I型)、标准型(也称直接II型)、变换型、级联型和并联型.二阶IIR滤波器,又称为二阶基本节,分为直接型、标准型和变换型.对于一个二阶IIR滤波器,其输出可以写成:在二阶IIR滤波器结构中,标准型结构是最常见的滤波器结构,其结构如图4所示:由以上两式对二阶IIR滤波器进行编程，其中乘法-累加运算可采用单操作数指令或双操作数指令,数据和系数可存放在DARAM中,如图5所示:图5双操作数数据存放和系数表为了实现直接型滤波,可在DARAM中开辟4个循环缓冲区,用来存放变量和系数,并采用循环缓冲区方式寻址.这4个循环缓冲区的结构如图7所示:图7循环缓冲区结构第四章设计方案及参数1.利用MATLAB来确定IIR滤波器的参数;2.启动CCS，在CCS中建立一个汇编源文件、和一个命令文件,并将这两个文件添加到工程,再编译并装载程序;3.设置时域观察窗口,得到其滤波前后波形变化图;4.设置频域观察窗口,得到其滤波前后频谱变化图.主要参数：Fs=16000rp=1rs=20f1=4000f2=6500第五章总结通过本次设计使我了解到了数字滤波器在信号处理技术中的重要地位,学习了数字滤波器的基本理论知识以及实现方法,学习了IIR滤波器的结构、设计理论,掌握了IIR滤波器的原理和特性,复习了MATLAB的相关知识,对DSP有进一步的学习和认识,学习了CCS的有关编程和仿真的知识。掌握了参考文献的查阅方法和科技论文的写作方法,进一步巩固了MicrosoftOfficeWord的操作方法提高了独立分析、动手和理论联系实际的能力,为今后的学习和工作打下了良好的基础。参考文献1、《DSP原理及应用》，北京电子工业出版社，2005，12、《MATLAB在数字信号处理中的应用》，北京清华大学出版社，20033、《TMS320C54XDSP应用程序设计教程》，北京机械工业出版社，20044、《数字信号处理第二版》，西安电子科技大学出版社，2001附录1.汇编源文件程序(.asm).title"diir.asm".mmregs.globalstart.defstart,_c_int00N.set3.copy"iirin.inc";输入信号x(n)数据table.word63,0,-188,0,188,0,-63.word0,11675,0,9663,0,2984;IIR滤波器系数.dataBN.usect"BN",N+1AN.usect"AN",N+1INBUF.usect"INBUF",256;输入缓冲区在数据区0x2400OUTPUT.usect"OUTPUT",256;输出缓冲区在数据区0x2600.text.asgAR0,INDEX_P.asgAR2,XN_P.asgAR3,ACOFF_P.asgAR4,YN_P.asgAR5,BCOFF_P_c_int00:bstartnopnopstart:SSBXFRCTSSBXOVMSSBXSXMSTM#BN+N,AR1RPT#NMVPD#table,*AR1-;将bi由程序区存放到数据区STM#AN+N-1,AR1RPT#N-1MVPD#table+N+1,*AR1-;将ai由程序区存放到数据区STM#OUTPUT,AR1RPTZA,#255STLA,*AR1+;输出数据缓冲区清零STM#INBUF,AR1RPT#255MVPD#INPUT,*AR1+;将输入数据由程序区存放到数据区STM#OUTPUT,YN_PSTM#INBUF,XN_PSTM#N-1,INDEX_PSTM#255,BRCRPTBLOOP-1IIR:SUBA,ASTM#BN,BCOFF_PSTM#AN,ACOFF_PRPT#N-1;计算前向通道MAC*XN_P+,*BCOFF_P+,AMAC*XN_P,*BCOFF_P,AMAR*XN_P-0;将AR2指针指向x(n-N)RPT