【正文】 圖 43 圖形編輯窗口 圖 44 濾波前 、 后 信號的波形 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 35 5 總結 通過對數(shù)字濾波器的理論研究、 MATLAB 軟件在數(shù)字信號處理的研究、對 DSP 技術的學習和研 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， 為系統(tǒng)整體設計奠定了理論基礎 。如果要進行連續(xù)濾波，應保存上一次濾波的結果。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 32 數(shù)字濾波器 程 序設計流程 程序流程圖如圖 41所示。TMS320VC5416 芯片 加點復位之后處于 預先設定狀態(tài)，無論是狀態(tài)寄存器還是控制寄存器都有一個確定 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 、 矢量表初始和兩個串行端口的初始化。 采用 butterworth模型設計時階數(shù)為 3 階 。一個算法的精度再高，如果做不到實時，也沒有實用價值；相反，如果執(zhí)行時間很快，但精度滿足不了要求，也就無從實現(xiàn)濾波功能。在 Spectrum Viewer窗口中用 sig1信號頻譜時的參數(shù)作為輸入參數(shù)，單擊 Spectrum Viewer窗口中的 Apply按鈕，濾波后信號的 頻譜信號曲線如圖 315 所示。同時在頻譜信號框中生成 spect3[auto]頻譜信號。,1/1000,10,1/10000)； [u2,t0]=gensig(39。 axis([0 1 1 1])。濾波后的信號波形 39。)。)。)。)； set(gcf,39。Time(seconds)39。 frequency response39。IIR 帶通濾波器幅頻響應 39。color39。ws= *pi； [n,w n ]= buttord (wp,ws,1,40, ’s’) % 估計階次和截止頻率 [b,a ]= butter (n,wn,’s’) 。 設計 Chebyshev II 型濾波器用函數(shù) cheby2()。 長春工程學院畢業(yè)設計（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 圖 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 18 IIR 設計實例分析 由圖 32 可知，這種濾波器在 100200Hz 的通帶范圍內是等波紋的，而在阻帶中是單調的，這是 Chebyshev I 濾波器的幅頻特性。例如設計帶通濾波器時，可以定義 Wstop1(頻率 Fstop1 處的幅值衰減 )、 Wpass(通帶范圍內的幅值衰減 )、 Wstop2(頻率Fstop2 處的幅值衰減 )。 Filter Order(濾波器階數(shù) )選項，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) )。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 15 3 IIR 濾波器的 MATLAB 設計 與仿真 FDATool 界面設計 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 ,利用某種模擬濾波器逼近方法 ,設計并查表求得此模擬低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù) ,以它作為設計數(shù)字濾波器的“樣本”。但它們的沖激響應與頻率特性切不是一樣的。因此，如果以模擬濾波器的設計公式作為基礎， 則數(shù)字濾波器的設計就歸結為函數(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” ， 使 B(Z)=0 的Z值則稱為“極點” 。所以 , 有限字長效應在 IIR 濾波器中比在 FIR 中更加嚴重。頻域上的建模函數(shù)有 invfreqs 和 invfreqz。 直接設計方法的思想是基于 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 信號處理工具箱里專用的濾波器設計分析工具。 (11） 支持 DSP 的調試。在生成目標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。采用 掃描仿真，即使芯片已經焊在電路板上也可以進行仿真調試，這對于在生產過程中調試 DSP 系統(tǒng)帶來了極大的方便。 (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)級的集成調試，是進行 DSP 芯片軟件開發(fā)的最佳工具。它不需要目標硬件支持，只需要在計算機上運行，是一種廉價、 方便的調試工具。代碼生產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 程序轉換為可執(zhí)行的 DSP 芯片目標代碼的工具程序，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)平臺的完善，使 DSP 的應用開發(fā)更加靈活方便。在設計研究單位和工業(yè)開發(fā)部門， MATLAB 被廣泛的應用于研究和解決 各種具體問題。 工具箱可分為兩類 :功能性工具箱和學科性工具箱 。 MATLAB 是英文 MATrix LABoratory(矩陣實驗室 )的縮寫 。它的設計問題實質上是確定能滿足所要求的轉移序列或脈沖響應的常數(shù)問題，設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]。當然 ， 對濾波器本身的研究仍在不斷進行。 在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術最為復雜的要算濾波器了。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域已經得到廣泛的應用。 利用 MATLAB信號處理箱(Signal Processing Toolbox)可以快速有效地實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設計與仿真。因此 本課題在 MATLAB設計完成 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)。導致 RC 有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到 70 年代后 期，上 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 2 述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應用。 IIR 數(shù)字濾波器具有無限寬的沖激響應，與模擬濾波器相匹配，所以IIR 濾波器的設計可以采取在模擬濾波器設計的基礎上進一步變換的方法。 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 。 (3) 圖形功能強大 。 MATLAB 已發(fā)展成為適合眾多學科，多種工作平臺、功能強大的大型軟件。 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品的研制、開發(fā)和應用中，發(fā)揮著越來越重要的作用。 (3） 采用流水線技術。 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 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 6 芯片的內部 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，仿真電纜過長會引起信號失真，仿真插頭會引起可靠性差等。 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、鏈接和調試等諸多功能集成到一個軟件環(huán)境中。 (9） 數(shù)據(jù)的圖形顯示工具，可以將運算結果用圖形顯示，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。 MATLAB 信號處理工具箱提供了幾個直接設計 IIR 數(shù)字濾波器的函數(shù)，直接調用就可以設計濾波器，這為設計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。如果這兩個參數(shù)的值相同，那么他與 butter 函數(shù)的結果就是 相同的。 2. FIR 的準確線性相位是以降低幅度響應特性作為代價的 [1], 所以相同幅度響應的 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。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)。 (2) 數(shù)字濾波器的頻率響應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，相應的頻率之間成線性關系。 雙一階 Z 變換 （即雙線性變化） 這種變換也稱梯形積分法，目的在于克服標準 Z 變換不適應設計產生 混疊誤差、頻帶未受限制的濾波器這一缺點。 利用模擬濾波器設計 IIR 濾波器的 步驟 (1) 將給定的數(shù)字濾波器的性能指標 ,按某一變換 (映射 )規(guī)則轉換成相應的模擬濾波器性能指標。也就是 s平面的左半平面 Re[ s ] 0 必須映射到 z平面單位圓的內部 |z| 1。在界面的下半部，用來設置濾波器的設計參數(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。設置完成后點擊 Design Filter 即可得到所設計的 IIR 濾波器。 設計 Chebyshev I 型濾波器用函數(shù) chebyl()。一般情況下，橢圓濾波 器能以最低的階實現(xiàn)指定的性能指標。 在 的代碼編輯窗口進行如下操作： (1) 產生 3 個正弦分量信號 (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。})； 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 22 (5) 繪制濾波前的 150Hz 信號波形和濾波器好保留下的 150Hz 信號波形進行比較 （如圖310 所示） subplot(211) plot(t,s2)。)。 hold on subplot(212)。ylabel(39。 (1) 生成干擾信號 使用 gesig()函數(shù)生成被干擾信號。單擊 OK 按鈕后，在信號 列表框中出現(xiàn) sin3[vector]信號。 在信號列表框中，選擇 sig2[vector],單擊信號列表框下的 View 按鈕。 定點 DSP 芯片，既可以做定點運算，也可以做浮點運算。 TMS320VC5416 是 DSP 芯片的主要供應商 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 DSP，最高運算速度可達 160MIPS，內帶 256KB的 RAM，有 128KB 的數(shù)據(jù)空間，最大程序容量高達 16MB，有 3 個 McBSP 和 6 個 DMA 通道并且支持外部 DMA， 內核電壓低至 。 長春工程學院畢業(yè)設計（論文） 31 TMS320VC5416 是 16位 DSP。在調用子程序或中斷 服務子程序時 ， 可以將它們保存下來，返回時再恢復。 TMS32V0C5416 芯片包含兩個多通道緩沖串行口，在本系統(tǒng)的設計中兩個串行口分別接 DA 和 AD 芯片?？紤]到 IIR 數(shù)字濾 波器的運算特點 ,某一時刻的輸入數(shù)據(jù)參加一次運算后不再參與下次運算 , 只有各級濾波器輸出結果需要參與多次運算 , 因此濾波結果和輸入數(shù)據(jù)可以共用同一存儲地址 , 從而節(jié)省存儲空間。 圖 42 IIR 濾波器實現(xiàn)的電路方框圖 采用兩路正弦波信號的混疊信號作為輸入信號 ；低頻正弦波信號：幅度 5V，頻率CPLDD S