【正文】 圖 43 圖形編輯窗口 圖 44 濾波前 、 后 信號(hào)的波形 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 5 總結(jié) 通過對數(shù)字濾波器的理論研究、 MATLAB 軟件在數(shù)字信號(hào)處理的研究、對 DSP 技術(shù)的學(xué)習(xí)和研 究，本課題最終 完成的主要成果具體如下： 研究了數(shù)字濾波器的 理論知識(shí)， 為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ) 。如果要進(jìn)行連續(xù)濾波，應(yīng)保存上一次濾波的結(jié)果。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 數(shù)字濾波器 程 序設(shè)計(jì)流程 程序流程圖如圖 41所示。TMS320VC5416 芯片 加點(diǎn)復(fù)位之后處于 預(yù)先設(shè)定狀態(tài)，無論是狀態(tài)寄存器還是控制寄存器都有一個(gè)確定 的數(shù)值。 在本系統(tǒng)中初始化程序主要 包括：DSP 芯片的初始化 、 矢量表初始和兩個(gè)串行端口的初始化。 采用 butterworth模型設(shè)計(jì)時(shí)階數(shù)為 3 階 。一個(gè)算法的精度再高，如果做不到實(shí)時(shí)，也沒有實(shí)用價(jià)值；相反，如果執(zhí)行時(shí)間很快，但精度滿足不了要求，也就無從實(shí)現(xiàn)濾波功能。在 Spectrum Viewer窗口中用 sig1信號(hào)頻譜時(shí)的參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，單擊 Spectrum Viewer窗口中的 Apply按鈕，濾波后信號(hào)的 頻譜信號(hào)曲線如圖 315 所示。同時(shí)在頻譜信號(hào)框中生成 spect3[auto]頻譜信號(hào)。,1/1000,10,1/10000)； [u2,t0]=gensig(39。 axis([0 1 1 1])。濾波后的信號(hào)波形 39。)。)。)。)； set(gcf,39。Time(seconds)39。 frequency response39。IIR 帶通濾波器幅頻響應(yīng) 39。color39。ws= *pi； [n,w n ]= buttord (wp,ws,1,40, ’s’) % 估計(jì)階次和截止頻率 [b,a ]= butter (n,wn,’s’) 。 設(shè)計(jì) Chebyshev II 型濾波器用函數(shù) cheby2()。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 32 濾波器的幅頻 特性圖 圖 33 濾波器的相頻 特性圖 圖 34 濾波器的沖激響應(yīng) 圖 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 IIR 設(shè)計(jì)實(shí)例分析 由圖 32 可知，這種濾波器在 100200Hz 的通帶范圍內(nèi)是等波紋的，而在阻帶中是單調(diào)的，這是 Chebyshev I 濾波器的幅頻特性。例如設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，可以定義 Wstop1(頻率 Fstop1 處的幅值衰減 )、 Wpass(通帶范圍內(nèi)的幅值衰減 )、 Wstop2(頻率Fstop2 處的幅值衰減 )。 Filter Order(濾波器階數(shù) )選項(xiàng)，定義濾波器的階數(shù)，包括 Specify Order(指定階數(shù) )和 Minimum Order(最小階數(shù) )。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3 IIR 濾波器的 MATLAB 設(shè)計(jì) 與仿真 FDATool 界面設(shè)計(jì) FDATool 的介紹 FDATool(Filter Designamp。 (3) 用所得到的模擬低通濾波器的性能指標(biāo) ,利用某種模擬濾波器逼近方法 ,設(shè)計(jì)并查表求得此模擬低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù) ,以它作為設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的“樣本”。但它們的沖激響應(yīng)與頻率特性切不是一樣的。因此，如果以模擬濾波器的設(shè)計(jì)公式作為基礎(chǔ)， 則數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)就歸結(jié)為函數(shù)變換，可望簡單化。在這 里， 使 A(Z)=0的 Z 值稱為濾波器的“零點(diǎn)” ， 使 B(Z)=0 的Z值則稱為“極點(diǎn)” 。所以 , 有限字長效應(yīng)在 IIR 濾波器中比在 FIR 中更加嚴(yán)重。頻域上的建模函數(shù)有 invfreqs 和 invfreqz。 直接設(shè)計(jì)方法的思想是基于 給定的濾波器參數(shù)直接在離散域上尋找合適的數(shù)字濾波器，他不限于常規(guī)的濾波器類型，如低通、高通、帶通和帶阻等。Analysis Tool）是 MATLAB 信號(hào)處理工具箱里專用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具。 (11） 支持 DSP 的調(diào)試。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(jìn)行分類管理。采用 掃描仿真，即使芯片已經(jīng)焊在電路板上也可以進(jìn)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。 (6) 仿真器 XDS 仿真器 XDS 即擴(kuò)展開發(fā)系統(tǒng)，可用來進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的集成調(diào)試，是進(jìn)行 DSP 芯片軟件開發(fā)的最佳工具。它不需要目標(biāo)硬件支持，只需要在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，是一種廉價(jià)、 方便的調(diào)試工具。代碼生產(chǎn)工具是指將用高級(jí)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。 (5） 有特殊的 DSP 指令。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。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。 工具箱可分為兩類 :功能性工具箱和學(xué)科性工具箱 。 MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫 。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]。當(dāng)然 ， 對濾波器本身的研究仍在不斷進(jìn)行。 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。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。 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。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)。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(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。 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。 MATLAB 簡介 MATLAB是由美國 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 。 (3) 圖形功能強(qiáng)大 。 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。 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。 (3） 采用流水線技術(shù)。 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。 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(jī)通信，在 PC 機(jī)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(jì)（論文） 6 芯片的內(nèi)部 RAM 執(zhí)行。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。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(huì)引起信號(hào)失真，仿真插頭會(huì)引起可靠性差等。 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(gè)軟件環(huán)境中。 (9） 數(shù)據(jù)的圖形顯示工具，可以將運(yùn)算結(jié)果用圖形顯示，包括顯示時(shí)域 /頻域波形、眼圖、星座圖、圖像等，并能進(jìn)行自動(dòng)刷新。 MATLAB 信號(hào)處理工具箱提供了幾個(gè)直接設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器的函數(shù)，直接調(diào)用就可以設(shè)計(jì)濾波器，這為設(shè)計(jì)通用濾波器提供了方便。 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。如果這兩個(gè)參數(shù)的值相同，那么他與 butter 函數(shù)的結(jié)果就是 相同的。 2. FIR 的準(zhǔn)確線性相位是以降低幅度響應(yīng)特性作為代價(jià)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(shí)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(gè)問題。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?yàn)V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(xiàng)式的階數(shù)； （ 3） N： 濾波器的分母多項(xiàng)式的階數(shù)。 (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。 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(zhǔn) Z 變換不適應(yīng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生 混疊誤差、頻帶未受限制的濾波器這一缺點(diǎn)。 利用模擬濾波器設(shè)計(jì) 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)。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。在界面的下半部，用來設(shè)置濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)；另一部分則是特性區(qū)，在界面的上半部分，用來顯示濾波器的各種特性。例如 Bandpass(帶通 )濾波器需要定義 Fstop1(下阻帶截止頻率 )、 Fpass1(通帶下限截止頻率 )、 Fpass2(通帶上限截止頻率 )、 Fstop2(上阻帶截止頻率 )，而 Lowpass(低通 )濾波器只需要定義 Fstop Fpass1。設(shè)置完成后點(diǎn)擊 Design Filter 即可得到所設(shè)計(jì)的 IIR 濾波器。 設(shè)計(jì) Chebyshev I 型濾波器用函數(shù) chebyl()。一般情況下，橢圓濾波 器能以最低的階實(shí)現(xiàn)指定的性能指標(biāo)。 在 的代碼編輯窗口進(jìn)行如下操作： (1) 產(chǎn)生 3 個(gè)正弦分量信號(hào) (如圖 36 所示 ) Fs=1000； t=(1:1000)/Fs； s1=sin(2*pi*t*80)； s2=sin(2*pi*t*150)； s3=sin(2*pi*t*250)； s=s1+s2+s3； plot(t,s)； title(39。)； ylabel(39。)； xlabel(39。,39。,SF(1:256)39。Frequency(Hz)39。})； 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 (5) 繪制濾波前的 150Hz 信號(hào)波形和濾波器好保留下的 150Hz 信號(hào)波形進(jìn)行比較 （如圖310 所示） subplot(211) plot(t,s2)。)。 hold on subplot(212)。ylabel(39。 (1) 生成干擾信號(hào) 使用 gesig()函數(shù)生成被干擾信號(hào)。單擊 OK 按鈕后，在信號(hào) 列表框中出現(xiàn) sin3[vector]信號(hào)。 在信號(hào)列表框中，選擇 sig2[vector],單擊信號(hào)列表框下的 View 按鈕。 定點(diǎn) DSP 芯片，既可以做定點(diǎn)運(yùn)算，也可以做浮點(diǎn)運(yùn)算。 TMS320VC5416 是 DSP 芯片的主要供應(yīng)商 TI 公司最近推出的 5000 系列中的高性能 DSP，該處理器為 16 位定點(diǎn) DSP，最高運(yùn)算速度可達(dá) 160MIPS，內(nèi)帶 256KB的 RAM，有 128KB 的數(shù)據(jù)空間，最大程序容量高達(dá) 16MB，有 3 個(gè) McBSP 和 6 個(gè) DMA 通道并且支持外部 DMA， 內(nèi)核電壓低至 。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 TMS320VC5416 是 16位 DSP。在調(diào)用子程序或中斷 服務(wù)子程序時(shí) ， 可以將它們保存下來，返回時(shí)再恢復(fù)。 TMS32V0C5416 芯片包含兩個(gè)多通道緩沖串行口，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中兩個(gè)串行口分別接 DA 和 AD 芯片?？紤]到 IIR 數(shù)字濾 波器的運(yùn)算特點(diǎn) ,某一時(shí)刻的輸入數(shù)據(jù)參加一次運(yùn)算后不再參與下次運(yùn)算 , 只有各級(jí)濾波器輸出結(jié)果需要參與多次運(yùn)算 , 因此濾波結(jié)果和輸入數(shù)據(jù)可以共用同一存儲(chǔ)地址 , 從而節(jié)省存儲(chǔ)空間。 圖 42 IIR 濾波器實(shí)現(xiàn)的電路方框圖 采用兩路正弦波信號(hào)的混疊信號(hào)作為輸入信號(hào) ；低頻正弦波信號(hào)：幅度 5V，頻率CPLDD S