【正文】 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 1 緒論 ............................................................. 1 課題分析 ..................................................... 1 數(shù)字濾波器在國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 ................................... 1 MATLAB 簡(jiǎn)介 ................................................... 2 數(shù)字信號(hào)處理（ DSP）器簡(jiǎn)介 ..................................... 3 DSP 芯片開發(fā)工具 .............................................. 4 2 IIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的方案選擇及原理分析 ............................ 9 總體方案比較 ................................................. 9 IIR 濾波器的基本原理 .......................................... 9 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法 ..................................... 11 3 IIR 濾波器的 MATLAB 設(shè)計(jì)與仿真 .................................... 15 FDATOOL界面設(shè)計(jì) .............................................. 15 程序設(shè)計(jì) .................................................... 18 IIR 數(shù)字濾波器的仿真 ......................................... 20 4 IIR 濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) ......................................... 30 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn)步驟和條件 ....................... 30 IIR 數(shù)字濾波器在 TMS320VC5416 DSP 上的實(shí)現(xiàn)過程 ................ 30 5 總結(jié) ............................................................ 35 參考文獻(xiàn) ........................................................... 36 致 謝 ........................................................... 37 附錄一： ................................................ 38 附錄二： .............................................. 47 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 課題分析 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，由于信號(hào)中經(jīng)?；?有各種復(fù)雜成分，所以很多信號(hào)的處理和分析都是基于濾波器而進(jìn)行的。 但是，傳統(tǒng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)使用繁瑣的公式計(jì)算，改變參 數(shù)后需要重新計(jì)算，從而在設(shè)計(jì)濾波器尤其是高階濾波器時(shí)工作量很大。 利用 MATLAB信號(hào)處理箱(Signal Processing Toolbox)可以快速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。 本課題正是利用 MATLAB軟件進(jìn) 行 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真，這使得濾波器的設(shè)計(jì)更加快速和有效。 21 世紀(jì)是信息科學(xué)與技術(shù)的世紀(jì) , 其中 , 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) (DSP) 已經(jīng)成為當(dāng)今一門極其重要的學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 在通信 , 語音 , 圖像 , 自動(dòng)控制 , 雷達(dá) , 軍事 , 航空航天 , 醫(yī)療和家用電器等很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 [10] 近年來 ,在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的 DSP技術(shù)得到了迅速發(fā)展 ,不僅應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域 ,還逐漸滲透到其他科學(xué)研究領(lǐng)域 。 DSP應(yīng)用得到普遍重視 。 數(shù)字信號(hào)處理器由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性 和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)與應(yīng)用中，發(fā)揮著越來越重要的作用。 [18]采用 DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)更是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。因此 本課題在 MATLAB設(shè)計(jì)完成 IIR濾波器的情況下， 通過在 CCS軟件環(huán)境下進(jìn)行編程，利用TMS320C54x進(jìn)行 IIR濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字濾波器在 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號(hào)處理裝置 ,其輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào) ，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由有限精度算法實(shí)現(xiàn)的線性時(shí)不變離散系統(tǒng)。它的基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行加工和 變換 ,改變輸入序列的頻譜或信號(hào)波形 ， 讓有用頻率的信號(hào)分量通過 ,抑制無用的信號(hào)分量輸出。 在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最為復(fù)雜的要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對(duì)濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國(guó)所重視。 1917 年美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家分別發(fā)明了 LC 濾波器，次年導(dǎo)致了美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。 20 世紀(jì) 50 年代無源濾波器日趨成熟。自 60 年代起由 于計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多 功能、穩(wěn)定可靠和價(jià)廉方向努力，其中小體積、多功能、高精度、穩(wěn)定可靠成為 70 年代以后的主攻方向。導(dǎo)致 RC 有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到 70 年代后 期，上 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。 80 年代，致力于各類新型濾波器的研究，努力提高性能并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍。 90 年代至現(xiàn)在主要致力 于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。當(dāng)然 ， 對(duì)濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。 [7] 我國(guó)廣泛使用濾波器是 50 年代后期的事，當(dāng)時(shí)主要用于話路濾波和報(bào)路濾波。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展， 我國(guó)濾波器在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已納入國(guó)際發(fā)展 步伐，但由于缺少專門研制機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)跟不上來，使得我國(guó)許多新型濾波器的研制應(yīng)用與國(guó)際發(fā)展有一段距離。 數(shù)字濾波器和模擬濾波器有著相同的濾波概念 ,根據(jù)其頻率響應(yīng)特性可分為低通、高通、帶通 、 帶阻等類型 ,與模擬濾波器相比 ,數(shù)字濾波器除了具有數(shù)字信號(hào)處理的固有優(yōu)點(diǎn)外 ,還有濾波精度高 (與系統(tǒng)字長(zhǎng)有關(guān) )、穩(wěn)定性好 (僅運(yùn)行 0 與 1 兩個(gè)電平狀態(tài) )、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器按單位脈沖響應(yīng)的性質(zhì)可分為無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器 IIR 和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器 (FIR)兩種。 IIR 數(shù)字濾波器具有無限寬的沖激響應(yīng)，與模擬濾波器相匹配，所以IIR 濾波器的設(shè)計(jì)可以采取在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步變換的方法。其設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)典設(shè)計(jì)法、直接設(shè)計(jì)法和最大平滑濾波器設(shè)計(jì)法。 FIR 數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)序列。它的設(shè)計(jì)問題實(shí)質(zhì)上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問題，設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等 [2]。 目前數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有許多現(xiàn)成的高級(jí)語言設(shè)計(jì)程序，但他們都存在設(shè)計(jì)效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數(shù)等缺點(diǎn)，而 MATLAB 為數(shù)字濾波 的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)直觀、高效、便捷的利器。他以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中。尤其是 MATLAB 工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以直觀方便地進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用。其中的信號(hào)處理工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等更是為數(shù)字濾波研究的蓬勃發(fā)展提供了可能。 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB是由美國(guó) MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境 ,除了具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外 ， 它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算 、 文字處理 、 可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能 。 [8]MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣 ， 它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué) ,工程中常用的形式十分相似 ， 故用 MATLAB 來解算問題要比用 C、 FORTRAN 等語言簡(jiǎn)捷得多 。 MATLAB 將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問題的 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 分析計(jì)算和程序設(shè)計(jì)工具，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺(tái)。 MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫 。 概括地講 ， 整個(gè) MATLAB 系統(tǒng)由兩部分組成 ， 即 MATLAB 內(nèi)核及輔助工具箱 ,兩者的調(diào)用構(gòu)成了 MATLAB 的強(qiáng)大功能 。 MATLAB 語言以數(shù)組為基本數(shù)據(jù)單位 ， 包括控制流語句 ， 函數(shù) ， 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ， 輸入輸出及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)的高級(jí)語言 ， 它具有以下主要特點(diǎn) ： [8] (1) 運(yùn)算符和庫函數(shù)極其豐富 ， 語言簡(jiǎn)潔 ， 編程效率高 ， MATLAB 除了提供和 C 語言一樣的運(yùn)算符號(hào)外 ， 還提供廣泛的矩陣和向量運(yùn)算符 。 利用其運(yùn)算符號(hào)和庫函數(shù)可使其程序相當(dāng)簡(jiǎn)短 ， 兩三行語句就可實(shí)現(xiàn)幾十行甚至幾百行 C 或 FORTRAN 的程序功能 。 (2) 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句 (如 for 循環(huán) ， while 循環(huán) ， break 語句 ， if 語句和 switch語句 )， 又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦?。 (3) 圖形功能強(qiáng)大 。 它既包括對(duì)二維和三維數(shù)據(jù)可視化 ， 圖像處理 ， 動(dòng)畫制作等高層次的繪圖命令 ， 也包括可以修改圖形及編制完整圖形界面的 ， 低層次的繪圖命令 。 (4)功能強(qiáng)大的工具箱 。 工具箱可分為兩類 :功能性工具箱和學(xué)科性工具箱 。 功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能 ， 圖示建模仿真功能 ， 文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互的功能 。 而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的 ， 如優(yōu)化工具箱 ， 統(tǒng)計(jì)工具箱 ， 控制工具箱 ， 小波工具箱 ， 圖象處理工 具箱 ， 通信工具箱等 。 (5)易于擴(kuò)充 。 除內(nèi)部函數(shù)外 ， 所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件 ， 用戶可修改源文件和加入自己的文件 ， 它們可以與庫函數(shù)一樣被調(diào)用 。 MATLAB 已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科，多種工作平臺(tái)、功能強(qiáng)大的大型軟件。在歐美等國(guó)家的高校， MATLAB 已成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具。成為攻讀學(xué)位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)開發(fā)部門， MATLAB 被廣泛的應(yīng)用于研究和解決 各種具體問題。在中國(guó)， MATLAB 也已日益受到重視，短時(shí)間內(nèi)就將盛行起來，因?yàn)闊o論哪個(gè)學(xué)科或工程領(lǐng)域都可以從 MATLAB 中找到合適的功能。 數(shù)字信號(hào)處理（ DSP） 器 簡(jiǎn)介 21 世紀(jì)是數(shù)字化的時(shí)代，隨著越來越多的電子產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理作為技術(shù)核心， DSP已經(jīng)成為推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程的動(dòng)力。 作為數(shù)字化重重要的技術(shù)之一， DSP 無論在其應(yīng)用的深度還 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 是 廣度，正在以前所未有的速度向前發(fā)展。 數(shù)字信號(hào)處理器，也稱 DSP 芯片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)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，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技 術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 數(shù)字信號(hào)處理器由于運(yùn)算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點(diǎn)，使得它在許多電子產(chǎn)品的研制、開發(fā)和應(yīng)用中，發(fā)揮著越來越重要的作用。采用 DSP 芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)更是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。 目前， DSP 芯片的發(fā)展非常迅速，硬件結(jié)構(gòu)方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的串行總線傳輸、大容量片上 RAM 和 ROM、程序加密、增加 I/O 驅(qū)動(dòng)能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺(tái)的完善，使 DSP 的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。 DSP 除了具備普通微處理器所強(qiáng)調(diào)的高速運(yùn)算和 控制能力外，針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)，在處理器的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上做了很大的改進(jìn)，其主要特點(diǎn)如下： [10] (1） 采用哈佛結(jié)構(gòu) 。 DSP 芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮 . 諾依曼結(jié)構(gòu)有更快的指令執(zhí)行速度。 (2) 采用多總線結(jié)構(gòu)。 DSP 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 CPU 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問，大大提高了 DSP 的運(yùn)行速度。 (3） 采用流水線技術(shù)。 利用流水線 結(jié)構(gòu)，加上執(zhí)行重復(fù)操作，就能保證在單指令周期內(nèi)完成數(shù)字信號(hào)處理中用得最多的乘法 — 累加運(yùn)算。 (4） 有專用的硬件乘法 — 累加器。 (5） 有特殊的 DSP 指令。 (6） 快速的指令周期。 (7） 硬件配置強(qiáng)。 (8） 支持多處理器結(jié)構(gòu)。 (9） 省