【正文】 基于DSP的IIR濾波器系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理已經(jīng)成為高速實時處理的一項關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用在語音識別、智能檢測、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號實現(xiàn)濾波的線性時不變系統(tǒng)。數(shù)字濾波實質(zhì)上是一種運算過程，實現(xiàn)對信號的運算處理。DSP數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。傳感器數(shù)字信號處理是利用傳感器對模擬信號或數(shù)字信號進行采集并把其轉(zhuǎn)換成計算機可識別的電信號，并利用計算機對信號進行處理以達到計算機輔助控制或是計算機自動控制的目的。DSP 芯片是一種特別適合數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要用來實時、快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。用DSP 芯片實現(xiàn)IIR 數(shù)字濾波器，不僅具有精確度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點，而且因DSP 芯片的可編程性，可方便地修改濾波器參數(shù)，從而改變?yōu)V波器的特性，設(shè)計十分靈活。本課題主要應(yīng)用MATLAB軟件設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，并對所設(shè)計的濾波器進行仿真；應(yīng)用DSP集成開發(fā)環(huán)境——CCS調(diào)試匯編程序，文章結(jié)合TM320C5509的結(jié)構(gòu)特點，介紹了一種IIR濾波器在TM320C5509中的實現(xiàn)方法。文中程序已經(jīng)過硬件驗證，仿真結(jié)果表明該設(shè)計符合要求。 關(guān)鍵詞 數(shù)字濾波；IIR；DSP；TM320C5509；MATLAB目錄摘要…… I第1章 緒論 1 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性 2 數(shù)字濾波器實現(xiàn)的方法 2 主要研究內(nèi)容 3第2章 濾波器基礎(chǔ) 4 4 IIR濾波器的設(shè)計方法及原理 5 IIR濾波器的設(shè)計過程及MATLAB實現(xiàn) 10 10 12 MATLAB程序 12 14 本章小結(jié) 14第3章 數(shù)字濾波器的DSP實現(xiàn) 15 TMS320C5509特點 15 DSP系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) 17 DSP系統(tǒng)的特點 17 DSP系統(tǒng)的設(shè)計流程 18 DSP系統(tǒng)的開發(fā)工具CCS 18 IIR濾波器的設(shè)計框圖 19 20第4章 本文總結(jié) 23 總結(jié) 23參考文獻 23第一章 緒論 數(shù)字濾波器的優(yōu)越性DSP 芯片是一種特別適合數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要用來實時、快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。數(shù)字信號處理由于具有精度高、靈活性強等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)字通信、雷達等領(lǐng)域。數(shù)字濾波技術(shù)在數(shù)字信號處理中占有極其重要的地位，數(shù)字濾波器根據(jù)其單位脈沖響應(yīng)可分為IIR（無限長沖激響應(yīng)濾波器）和FIR（有限長沖激響應(yīng)濾波器）兩類。IIR濾波器可以用較少的階數(shù)獲得很高的選擇特性，但在有限精度的運算中，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，而且相位特性不好控制。數(shù)字濾波器本質(zhì)上是一個完成特定運算的數(shù)字計算過程，也可以理解為是一臺計算機。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)簡單以及可以實現(xiàn)的嚴格線性相位等優(yōu)點，因而在對相位要求比較嚴格的條件下，采用FIR數(shù)字濾波器。同時，由于在許多場合下，需要對信號進行實時處理，因而對于單片機的性能要求也越來越高。由于DSP控制器具有許多獨特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)并行處理，獨立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 DSP控制器就可以提高數(shù)字信號處理運算的能力，可以對數(shù)字信號做到實時處理。DSP（數(shù)字信號處理器）與一般的微處理器相比有很大的區(qū)別，它所特有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令集合、數(shù)據(jù)流程方式為解決復雜的數(shù)字信號處理問題提供了便利，本文選用TMS320C5509作為DSP處理芯片，通過對其編程來實現(xiàn)IIR濾波器。對數(shù)字濾波器而言,從實現(xiàn)方法上，有FIR濾波器和無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器之分。由于FIR濾波器只有零點，因此這一類系統(tǒng)不像IIR系統(tǒng)那樣易取得比較好的通帶與阻帶衰減特性。但是IIR系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通過硬件電路實現(xiàn)的模擬濾波器相比有以下優(yōu)點：單位沖擊響應(yīng)有無限多項。高效率（因為結(jié)構(gòu)簡單、系數(shù)小、乘法操作較少）與模擬濾波器有對應(yīng)關(guān)系可以解析控制，強制系統(tǒng)在指定位置為零點有極點，在設(shè)計時要考慮穩(wěn)定性具有反饋，可能產(chǎn)生噪聲、誤差累積 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法目前數(shù)字濾波器的主要實現(xiàn)方法有：1．在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)。軟件可以是自己編寫的，也可以使用現(xiàn)成的軟件包，這種方法的缺點是速度太慢，不能用于實時系統(tǒng)，只能用于教學和算法的仿真研究。比如用MATLAB就幾乎可以實現(xiàn)所有數(shù)字濾波器的仿真。而且在MATLAB下的部分仿真程序還可以通過轉(zhuǎn)化為C語言，再通過DSP的C編譯器直接在DSP硬件上運行。2．用 DSP(Digital Signal Processing)處理器實現(xiàn)DSP處理器是專為數(shù)字信號處理而設(shè)計的，如TI公司的TMS320C54x系列，AD公司的ADSP2IX，ADSP210X系列等。它的主要數(shù)字運算單元是一個乘累加器(Multiplyaccumulator，MAC)，能夠在一個機器周期內(nèi)完成一次乘累加運算，配有適合于信號處理的指令，具備獨特的循環(huán)尋址和倒序?qū)ぶ纺芰?。這些特點都非常適合數(shù)字信號處理中的濾波器設(shè)計的有效實現(xiàn)，并且它速度快、穩(wěn)定性好、編程方便。3．用固定功能的專用信號處理器實現(xiàn)專用信號處理器采用專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)實現(xiàn)，適用于過程固定而又追求高速的信號處理任務(wù)，是以指定的算法來確定它的結(jié)構(gòu)，使用各種隨機邏輯器件組成的信號處理器。它們體積小、保密性好，具有極高的性能，但靈活性差。4．用FPGA等可編程器件來開發(fā)數(shù)字濾波算法。由于FPGA產(chǎn)品的迅速發(fā)展，人們可以利用Atera、Xilinx等產(chǎn)品，使用其相關(guān)開發(fā)工具和VHDL等硬件開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實現(xiàn)特定的數(shù)字濾波算法。這一方法由于具有通用性的特點并可以實現(xiàn)算法的并行運算，無論是作為獨立的數(shù)字信號處理器，還是作為DSP芯片的協(xié)處理器，目前都是比較活躍的研究領(lǐng)域。比較以上方法可見：可以采用MATLAB等軟件來學習數(shù)字濾波器的基本知識，計算數(shù)字濾波器的系數(shù)，研究算法的可行性，對數(shù)字濾波器進行前期的設(shè)計和仿真。而后，用DSP處理器或FPGA進行數(shù)字濾波的硬件實現(xiàn)。本課題設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器就是用MATLAB進行設(shè)計和仿真，用DSP處理器來實現(xiàn)。 主要研究內(nèi)容本文主要研究了數(shù)字濾波器的基本理論和實現(xiàn)方法。接著研究分析了如何利用MATLAB仿真軟件來設(shè)計出符合各種要求的數(shù)字濾波器，并對所設(shè)計的濾波器進行仿真得到系數(shù)，本文還應(yīng)用DSP集成開發(fā)環(huán)境——CCS調(diào)試匯編程序，為后面在DSP上實現(xiàn)提供必要的數(shù)據(jù)。本課題選擇在TM320C5509 DSP綜合實驗開發(fā)系統(tǒng)平臺上進行開發(fā)。最后采用窗函數(shù)法在CCS環(huán)境下，利用MATLAB仿真得到的濾波器系數(shù)，編程實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，得出濾波結(jié)果波形，并對結(jié)果進行分析與總結(jié)。第2章 濾波器基礎(chǔ)