【正文】 ................................................................ 25 （六） DSP數(shù)字濾波器與硬件電路濾波器對比總結(jié) .......................................... 26 六 課程設(shè)計(jì)總結(jié) ........................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 28 1 摘 要 DSP 芯片是一種特別適合數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，主要用來實(shí)時、快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 FIR數(shù)字濾波器具有嚴(yán)格的線性相位、總是穩(wěn)定等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理的各個領(lǐng)域，是一個重要的研究課題。 本文主要研究了低通數(shù)字濾波器的基本理論，在 MATLAB 壞境下設(shè)計(jì) FIR 低通數(shù)字 濾波器，主要用窗函數(shù)法及利用 MATLAB 的濾波器設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)方法，編寫相應(yīng)的 MATLAB 語言，進(jìn)行具體的仿真分析。用 TMS320C5402 的 DSP 芯片軟件，編寫了 DSP 的 FIR 低通數(shù)字濾波算法，用 MATLAB 中生成的濾波器系數(shù)導(dǎo)入DSP 中設(shè)計(jì)的濾波器函數(shù)中。在 ccs環(huán)境中，首先根據(jù)算法編寫 C語言文件，在編寫完成后再編寫 cmd文件和在庫中添加 lib文件保證 C語言程序文件可以正確編譯鏈接。 DSP 的輸入信號可以又 MATLAB 軟件進(jìn)行編寫，在程序測試的時候可以導(dǎo)入進(jìn)行觀察。 在這次課程設(shè)計(jì)末尾，為了驗(yàn)證 DSP設(shè) 計(jì)的低通濾波器相對于運(yùn)算放大器所設(shè)計(jì)的硬件電路的優(yōu)勢，利用 protues 軟件和 FilterPro 軟件進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)仿真。采用信號發(fā)生器產(chǎn)生所需信號，利用示波器顯示。將 DSP 設(shè)計(jì)的濾波器與硬件設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行比較分析其優(yōu)劣。 最后根據(jù)得到的結(jié)果對濾波后的結(jié)果進(jìn)行分析，找出設(shè)計(jì)過程中存在的問題，并想辦法從電路元件或者軟件算法方面對其進(jìn)行一定改良。通過這次課程設(shè)計(jì)可以掌握 CCS， MATLAB， protues 等軟件的基本使用和焊接簡單電路的動手能力。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字低通濾波器 FIR MATLAB TMS320C54XX DSP 2 引 言 現(xiàn)代生活中，越來越多的電子產(chǎn)品把數(shù)字信號處理（ DSP)作為技術(shù)核心， DSP已經(jīng)作為推動數(shù)字化進(jìn)程的動力。作為數(shù)字化最重要的技術(shù)之一， DSP 無論是在其應(yīng)用領(lǐng)域的深度還是廣度，正在以前所未有的速度發(fā)展。 數(shù)字信號處理器，也稱 DSP 芯片，是針對數(shù)字信號處理需要而設(shè)計(jì)的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展， DSP在電子信息、通信、無線電、自動控制、儀表技術(shù)等方面應(yīng)用廣泛。 在數(shù)字信號處理中，數(shù)字濾波器占有極其重要的位置。是象處理、指紋識別、模 式識別、譜分析等應(yīng)用中一個基本的處理算法。在許多信號處理應(yīng)用中運(yùn)用數(shù)字信號濾波器代替模擬信號濾波器有很大的優(yōu)勢，數(shù)字信號濾波器容易實(shí)現(xiàn)不同幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服了與模擬信號處理器性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問題。用 DSP 實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波具有穩(wěn)定性好、精確度高和不受環(huán)境影響。 數(shù)字濾波器又分為無限沖激響應(yīng)濾波器 (IIR)和有限沖激響應(yīng)濾波器 (FIR)。FIR 濾波器具有不含反饋環(huán)路、結(jié)構(gòu)簡單以及可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格線性相位等優(yōu)點(diǎn)，因而在對相位要求比較嚴(yán)格的條件下，采用 F1R 數(shù)字濾波器。同時，由于在許多場合下， 需要對信號進(jìn)行實(shí)時處理，因而對于單片機(jī)的性能要求也越來越高。采用 DSP 控制器就可以提高數(shù)字信號處理運(yùn)算的能力，可以對數(shù)字信號做到實(shí)時處理。而普通的單片機(jī)例如 MCS51 難以滿足這一要求。用可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的又一優(yōu)勢是 :通過修改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。有限長單位沖激響應(yīng) ((FIR)數(shù)字濾波器，與傳統(tǒng)的通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了硬件電路的集成度和可靠性。 (2)對干擾信號的抑制能力有了明顯提高，這對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起 到了促進(jìn)作用。 (3)數(shù)字濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)比起模擬濾波器來更加方便、靈活。 (4)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。 3 一 緒論 （一） 課題 設(shè)計(jì)的目的 設(shè)計(jì)的目的首先是為了熟練使用 DSP，利用所學(xué)的數(shù)字信號處理知識設(shè)計(jì)一FIR 濾波器，并在基于 DSP平臺的仿真軟件 CCS 下通過軟件模擬仿真實(shí)現(xiàn)基本的濾波功能，其中輸入信號和濾波器的各個參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求自行確定。首先可以借助 Matlab 來產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)，并根據(jù)輸入信號確定濾波器參數(shù)，然后根據(jù)產(chǎn)生濾波器參數(shù)在 CCS 下編寫程序?qū)崿F(xiàn)濾波器功能，最后進(jìn)行濾波器性 能的測試，完成本次課程設(shè)計(jì)。為了對于設(shè)計(jì)有幫助首先了解什么是濾波器以及功能和濾波器的基本結(jié)構(gòu)以及工作方式，可以研究濾波器的硬件原理圖和數(shù)字濾波器的各種算法來加深理解。 （二）課題內(nèi)容 我們小組將課題研究分為兩個部分：一部分為簡單的濾波器硬件電路的設(shè)計(jì)仿真與實(shí)物焊接測試。另一部分著重研究 DSP 中的濾波器程序的編寫與使用matlab 軟件輔助編寫輸入文件與濾波器系數(shù)。在完成數(shù)據(jù)的編寫之后，首先在ccs 環(huán)境中根據(jù)選擇的濾波器的濾波算法用 c 語言編寫相應(yīng)程序，隨后編寫 asm，smd 文件和添加 ti 庫中的 lib 文件使得編寫 的 c 語言程序可以編譯鏈接并且下載到 DSP 開發(fā)板中進(jìn)行驗(yàn)證。 （三） 設(shè)計(jì) 方法 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法一般有幾種 : (1)在通用計(jì)算機(jī)上軟件編程實(shí)現(xiàn)。 (2)用加法器、乘法器、延時器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專用的濾波電路。 (3)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 (4)用通用的可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。 (5)用專用的 DSP芯片實(shí)現(xiàn)。 在這幾種方法中，第一種方法的速度比較慢，主要用來進(jìn)行算法的模擬仿真，只能用于非實(shí)時系統(tǒng) 。第二種和第五種方法是專用的，應(yīng)用范圍不廣 。第三種方法比較容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，對乘法運(yùn)算的速度很慢 。第四種方法因 DSP芯片的哈佛結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得數(shù)字濾波器比較 4 好的容易實(shí)現(xiàn) 。 在這里我們小組采用方法 4 編寫數(shù)字濾波器程序框架，使用matlab 軟件設(shè)計(jì)濾波器導(dǎo)出系數(shù)，最后完成一個完整低通濾波器的設(shè)計(jì)。 (四）課程設(shè)計(jì)的意義 21 世紀(jì)是數(shù)字化的時代，隨著越來越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號處理 (PSP)作為技術(shù)核心， DSP 已經(jīng)成為推動數(shù)字化進(jìn)程的動力。 DSP 的數(shù)字處理能力可以解決許多問題，例如電機(jī)控制，圖像處理等等。我們的課程設(shè)計(jì)是研究濾波器，一方面要了解濾波器的原理和不同的實(shí)現(xiàn)方式，另一方面學(xué)習(xí)濾波器如何通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。最終目的是可以在實(shí)際環(huán)境之中運(yùn)用濾波器對于采集的信號進(jìn)行處理完成濾波要求。 二 FIR 濾波器基本理論 （一） FIR 濾波器的特點(diǎn) 第一了解數(shù)字濾波器的功能，就是把輸入序列通過一定的運(yùn)算變換成輸出序列。它的實(shí)現(xiàn)方法有很多，其中比較常用到的是無限長脈沖響應(yīng)濾波器 IIR 和有限長脈沖響應(yīng)濾波器 FIR 兩種。 在計(jì)算量相等的情況下， IIR 數(shù)字濾波器比 FIR 濾波器的幅頻特性優(yōu)越，頻率選擇性也好。但是，它有著致命的缺點(diǎn)，其相位特性不好控制。它的相 位特性 )是使頻率產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性的原因。但是在圖像處理、 數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中都越來越多的要求信道具有線性的相位特性。在這方面 FIR 濾波器具有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè) FIR 濾波器單位脈沖響應(yīng) h(n)長度為 N，其系統(tǒng)函數(shù) H(z)是H(N1)次多項(xiàng)式，它在 z平面上有 (N1)個零點(diǎn)，原點(diǎn) z=0 是 (N1)階重極點(diǎn)。因此， H(z)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時，保證精確、嚴(yán)格的線性相位。 （二） FIR 濾波器的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)字濾波就是將輸入的信號序列，按規(guī)定的算法進(jìn)行處理，從而得到所期望的輸出序列， H(z)是 1 z 的 N1次多項(xiàng)式，它在 z平面內(nèi)有 N1個 零點(diǎn)，同時在原點(diǎn)處有 N1個重極點(diǎn)。 N階濾波器通常采用 N個延遲單元、 N 個加法器與 N+1個乘法器。另外，若對 h(n)提出一些約束條件，那么可以很容易地使 H(z)具有線性相位，這在信號處理的很多領(lǐng)域是非常重要的。 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)，是 5 要決定一個轉(zhuǎn)移函數(shù) H(z)，使它的頻率響應(yīng)滿足給定的要求。這里所說的要求，除了通帶頻率 p p s外，很重要的一條是保證 H(z)具有線性相位。