【正文】 上的版本還專門增加了濾波器設(shè)計工具箱 (Filter Design Toolbox)。也就是 s平面的左半平面 Re[ s ] 0 必須映射到 z平面單位圓的內(nèi)部 |z| 1。 (4) 利 用與步驟 (1),(2) 中的同一變換規(guī)則 ,將此作為“樣本”的模擬原型低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)最終變換成所需的數(shù)字各型濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H (z)。 利用模擬濾波器設(shè)計 IIR 濾波器的 步驟 (1) 將給定的數(shù)字濾波器的性能指標(biāo) ,按某一變換 (映射 )規(guī)則轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬濾波器性能指標(biāo)。 把式 (14)中的 S 代以 Ajw 、 Z 代以 DiwTe ，用 ? ?AG jw 表示模擬 濾波器 G(S)的頻率特性、 ? ?Diw THe 表示數(shù)字濾波器 H(Z)的頻率特性，則 (14)式可以寫成 / 2 / 2/ 2 / 22 1 21 D D DD D Djw T iw T iw TA jw T iw T iw Te e ejw T e T e e???????? (15) 用歐拉公式得出模擬角頻率 Aw 與數(shù)字角頻率 Dw 的關(guān)系為 2 ta n 2DA wTw T? (16) 式 (16)表示了 Aw 與 Dw 之間的畸變亦即變形。 雙一階 Z 變換 （即雙線性變化） 這種變換也稱梯形積分法，目的在于克服標(biāo)準 Z 變換不適應(yīng)設(shè)計產(chǎn)生 混疊誤差、頻帶未受限制的濾波器這一缺點。 (2)對模擬濾波器的工作特性以數(shù)字濾波囂來加以仿真這一點，在應(yīng)用上多很有用。 (2) 數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)模仿模擬濾波器的頻響， S 平面的虛軸映射 Z 平面的單位圓，相應(yīng)的頻率之間成線性關(guān)系。 IIR 數(shù)字 濾波器的設(shè)計方法 利用模擬濾波器成熟的理論和設(shè)計方法來設(shè)計 IIR 數(shù)字低通濾波器是經(jīng)常用的方法。由此，按下述求出傳遞函數(shù)： ? ? ? ?? ? ? ?? ?01M mmmN nnnaZY Z A ZHZ X Z B ZbZ????? ? ??? （ 6） 式中各變量為： （ 1）系數(shù) ma ， nb ： 稱為抽頭系數(shù)或濾波器系數(shù)，是決定濾波器特性的數(shù)值； （ 2） M： 濾波器的分子多項式的階數(shù)； （ 3） N： 濾波器的分母多項式的階數(shù)。為了解決這個問題 ， Artur Krukowski 對相同傳遞函數(shù) , 不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全通 IIR 濾波器基本單元的量化效應(yīng)和其他一些特性作了研究 ， 得到了 各種結(jié)構(gòu)的特點 , 可以根據(jù)應(yīng)用的需要選擇不同的結(jié)構(gòu) ， 來達到特定的指標(biāo)要求 ，從而發(fā)揮出 IIR 濾波器的最大優(yōu)勢。 2. FIR 的準確線性相位是以降低幅度響應(yīng)特性作為代價的 [1], 所以相同幅度響應(yīng)的 FIR 濾波器要比 IIR 的階數(shù)高得多 , 特別是如果要實現(xiàn)有銳沿的幅頻特性 , FIR 所需要的階數(shù)將非常高 , 而 IIR 濾波器就能很好的解決這個問題。 比較上述方案， 在該課題里，我將采用方案一設(shè)計一個低通濾波器，采用方案二設(shè)計一個帶阻濾波器。如果這兩個參數(shù)的值相同，那么他與 butter 函數(shù)的結(jié)果就是 相同的。這種方法甚至可以設(shè)計多帶的頻率響應(yīng)， MATLAB 提供 yulewalk 函數(shù)用于輔助設(shè)計。 MATLAB 提供的低通模擬濾波器原型函數(shù)包括：besselap， buttap， cheb1lp， cheb2ap， ellipap； 頻域變換函數(shù)包括： lp2bp， lp2bs， lp2hp，lp2lp。 FDATool 可以設(shè)計幾乎所有的常規(guī)濾波器，包括FIR 和 IIR 的各種設(shè)計方法。 MATLAB 信號處理工具箱提供了幾個直接設(shè)計 IIR 數(shù)字濾波器的函數(shù)，直接調(diào)用就可以設(shè)計濾波器，這為設(shè)計通用濾波器提供了方便。 (12）支持 RTDX 技術(shù)，可在不中斷目標(biāo)系統(tǒng)運行的情況下，實現(xiàn) DSP 與其他應(yīng)用程序（ OLE）的數(shù)據(jù)交換。 (9） 數(shù)據(jù)的圖形顯示工具，可以將運算結(jié)果用圖形顯示，包括顯示時域 /頻域波形、眼圖、星座圖、圖像等，并能進行自動刷新。 (5） 基本調(diào)試工具具有裝入執(zhí)行代碼（ .out 文件）、查看寄存器、存儲器、反匯編、變量窗口等功能，并支持 C 源代碼級調(diào)試。 CCS 的主要功能如下 [10]： (1） 具有可視化代碼編輯界面，用戶可以通過其界面直接編寫 C 語言程序、匯編語言程序、 .cmd 文件等 . (2) 含有集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化 C 編譯器、連接器等，將代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能集成到一個軟件環(huán)境中。 集成開發(fā)環(huán)境 CCS（ Code Composer Studio）是一種針對 TMS320 系列 DSP 的集成開發(fā)環(huán)境，在 Windows 操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具，可以幫助用戶在一個 軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作。掃描仿真消除了傳統(tǒng)的電路仿真存在的問題，例如，仿真電纜過長會引起信號失真，仿真插頭會引起可靠性差等。目前主要有兩種類型的仿真器：一種是傳統(tǒng)的電路仿真器，主要用于早期的TMS320C1x 及 TMS320C2x 兩代 DSP 芯片的仿真；另一種是先進的掃描仿真器，主要用于TMD320C3x 及 TMS320C2xx/C5x、 TMS320C54x/C55x、 TMS320C6000 等 DSP 芯片的仿真，在這些DSP 芯片上提供了用于仿真的一些信號線，采用傳統(tǒng)的電路仿真器對用戶板進行硬件仿真時，仿真器的電纜插頭必須插入到用戶硬件電路中 DSP 芯片的相應(yīng)位置，也就是說， 仿真電纜的 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 插頭端子必須與 DSP 芯片的端子一一對應(yīng)。一般 EVM 開發(fā)板上提供的硬件資源包括電源接口、外設(shè)接口、輔助接口等。當(dāng)然由于 DSP 芯片用軟件模擬器實現(xiàn)，運行速度是軟件模擬器的一個突出的缺點，軟件模擬器 DSP芯片的 I/O 時采用與文件關(guān)聯(lián)的方法來實現(xiàn)，因而調(diào)試中所需的 I/O 可從文件中讀取，輸出到 I/O 口的值也可以存儲在文件中。 DSK 板上除了有一片 DSP 芯片之外，還提供了可用于聲音輸入和輸出接口的 A/D、 D/A接口芯片，它可以與 PC 機通信，在 PC 機上匯編后的程序可以通過串行或并行接口下載到 DSP 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 芯片的內(nèi)部 RAM 執(zhí)行。此外還有一些輔助工具程序，如文件格式轉(zhuǎn)換程序、庫生產(chǎn)程序和文檔管理程序等。 DSP 芯片開發(fā)工具 可編程 DSP 芯片的開發(fā)需要一整套完整的軟硬件開發(fā)工具。 (6） 快速的指令周期。 (3） 采用流水線技術(shù)。 DSP 除了具備普通微處理器所強調(diào)的高速運算和 控制能力外，針對實時數(shù)字信號處理的特點，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，其主要特點如下： [10] (1） 采用哈佛結(jié)構(gòu) 。 數(shù)字信號處理器由于運算速度快，具有可編程特性和接口靈活的特點，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。在中國， MATLAB 也已日益受到重視，短時間內(nèi)就將盛行起來，因為無論哪個學(xué)科或工程領(lǐng)域都可以從 MATLAB 中找到合適的功能。 MATLAB 已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科，多種工作平臺、功能強大的大型軟件。 功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能 ， 圖示建模仿真功能 ， 文字處理功能以及與硬件實時交互的功能 。 (3) 圖形功能強大 。 概括地講 ， 整個 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 的強大功能 。 MATLAB 簡介 MATLAB是由美國 MathWorks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理計算系統(tǒng)環(huán)境 ,除了具備卓越的數(shù)值計算能力外 ， 它還提供了專業(yè)水平的符號計算 、 文字處理 、 可視化建模仿真和實時控制等功能 。 目前數(shù)字濾波器的設(shè)計有許多現(xiàn)成的高級語言設(shè)計程序，但他們都存在設(shè)計效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數(shù)等缺點，而 MATLAB 為數(shù)字濾波 的研究和應(yīng)用提供了一個直觀、高效、便捷的利器。 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)計可以采取在模擬濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)上進一步變換的方法。 [7] 我國廣泛使用濾波器是 50 年代后期的事，當(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾波。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 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。因此 本課題在 MATLAB設(shè)計完成 IIR濾波器的情況下， 通過在 CCS軟件環(huán)境下進行編程，利用TMS320C54x進行 IIR濾波器的硬件實現(xiàn)。 [10] 近年來 ,在數(shù)字信號處理領(lǐng)域具有絕對優(yōu)勢的 DSP技術(shù)得到了迅速發(fā)展 ,不僅應(yīng)用于通信、計算機領(lǐng)域 ,還逐漸滲透到其他科學(xué)研究領(lǐng)域 。 利用 MATLAB信號處理箱(Signal Processing Toolbox)可以快速有效地實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計與仿真。 但是，傳統(tǒng)數(shù)字濾波器的設(shè)計使用繁瑣的公式計算，改變參 數(shù)后需要重新計算，從而在設(shè)計濾波器尤其是高階濾波器時工作量很大。數(shù)字信號處理 (DSP) 在通信 , 語音 , 圖像 , 自動控制 , 雷達 , 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。 [18]采用 DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)更是當(dāng)前的發(fā)展趨勢。 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。自 60 年代起由 于計算機技術(shù)、集成工藝和材料工業(yè)的發(fā)展，濾波器發(fā)展上了一個新臺階，并且朝著低功耗、高精度、小體積、多 功能、穩(wěn)定可靠和價廉方向努力，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。當(dāng)然 ， 對濾波器本身的研究仍在不斷進行。數(shù)字濾波器按單位脈沖響應(yīng)的性質(zhì)可分為無限長單位脈沖響應(yīng)濾波器 IIR 和有限長單位脈沖響應(yīng)濾波器 (FIR)兩種。它的設(shè)計問題實質(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]。其中的信號處理工具箱、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 是英文 MATrix LABoratory(矩陣實驗室 )的縮寫 。 (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?。 工具箱可分為兩類 :功能性工具箱和學(xué)科性工具箱 。 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 。在設(shè)計研究單位和工業(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。 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)、計算機技術(shù)和信號處理技 術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺的完善，使 DSP 的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。 DSP 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時進行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進行尋址，使 CPU 在一個機器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進行訪問，大大提高了 DSP 的運行速度。 (5） 有特殊的 DSP 指令。 (9） 省電管理和低功耗。代碼生產(chǎn)工具是指將用高級語言、匯編語言或兩種語言混合編寫的 DSP 程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的 DSP 芯片目標(biāo)代碼的工具程序，主要包括匯編器和鏈接器、C 編譯器。 (2) 初學(xué)者工具 DSK 初學(xué)者工具 DSK 是 RTI 公司提供給初學(xué)者進行 DSP 編程練習(xí)的一套廉價的實時 軟件調(diào)試工具。它不需要目標(biāo)硬件支持，只需要在計算機上運行，是一種廉價、 方便的調(diào)試工具。調(diào)試接口也采用上述的 C/匯編源代碼測試器。 (6) 仿真器 XDS 仿真器 XDS 即擴展開發(fā)系統(tǒng)，可用來進行系統(tǒng)級的集成調(diào)試，是進行 DSP 芯片軟件開發(fā)的最佳工具。由于高速 DSP 芯片具有 高度并行的結(jié)構(gòu)，快速的指令周期，高密度的封裝等特點，采用傳統(tǒng)的電路仿真方法很難實現(xiàn)可靠的仿真。采用 掃描仿真，即使芯片已經(jīng)焊在電路板上也可以進行仿真調(diào)試，這對于在生產(chǎn)過程中調(diào)試 DSP 系統(tǒng)帶來了極大的方便。 硬件在線編程可以實時運行在 DSP 芯片上，與硬件開發(fā)板相結(jié)合進行在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。在生成目標(biāo)程序和程序庫的工程中，建立不同程序的跟蹤信息，通過跟蹤信息對不同的程序進行分類管理。 (8） 分析工具，包括模擬器分析和仿真器分析，可用于模擬和監(jiān)視硬件的功能、評價代碼執(zhí)行的時鐘。 (11） 支持 DSP 的調(diào)試。 圖 11 CCS 集成開發(fā)環(huán)境界面 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 2 IIR 數(shù)字濾波器 設(shè)計 的方案選擇及原理分析 總體方案比較 基于 M