基于dsp系統(tǒng)的數(shù)字濾波器嵌入式設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-24 17:18 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 快速開發(fā)。由MathWorks 公司和TI 公司聯(lián)合開發(fā)的DSPMATLAB Link for CCS Development Tools(簡稱CCSLink) 版本(Release13)中增加的一個(gè)全新的工具箱，它提供了MATLAB、CCS 和DSP 目標(biāo)板的接口，利用此工具可以像操作MATLAB變量一樣來操作DSP 器件的存儲(chǔ)器和寄存器，使開發(fā)人員在MATLAB 環(huán)境下完成對DSP 的操作，從而極大地提高DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。MATLAB 具有強(qiáng)大的分析、計(jì)算和可視化功能，利用MATLAB 提供的數(shù)十個(gè)專業(yè)工具箱，可以方便、靈活地實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)控制、信號處理、通信系統(tǒng)等的算法分析和仿真，是算法設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員必不可少的軟件工具。 數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部特點(diǎn)：（1）接口方便。DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多。（2）編程方便。DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進(jìn)行修改和升級。（3）穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高。（4）精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到的精度。（5）可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。（6）集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。 數(shù)字信號處理的算法需要利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。 數(shù)字信號處理的核心算法是離散傅立葉變換(DFT)，是DFT使信號在數(shù)字域和頻域都實(shí)現(xiàn)了離散化，從而可以用通用計(jì)算機(jī)處理離散信號。而使數(shù)字信號處理從理論走向?qū)嵱玫氖强焖俑盗⑷~變換(FFT)，F(xiàn)FT的出現(xiàn)大大減少了DFT的運(yùn)算量，使實(shí)時(shí)的數(shù)字信號處理成為可能、極大促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。第一章、硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路和原理框圖（1）對數(shù)字濾波器的分析： 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的重要環(huán)節(jié)，其實(shí) 質(zhì)是用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性時(shí)不變系 統(tǒng)，從而完成對信號進(jìn)行濾波處理的功能。具有可 靠性好、精度高和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于語 音、圖像處理、HDTV、模式識別和頻譜分析等方 面^。數(shù)字濾波器根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域 特性可分為2類:無限沖激響應(yīng)（IIR)濾波器和有限 沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。FIR濾波器是有限長單位 沖激響應(yīng)濾波器，在結(jié)構(gòu)上是非遞歸型的。它可以 在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確嚴(yán)格的線性 相位，廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理。濾波器就是在時(shí)間域或頻域內(nèi)，對已知激勵(lì)產(chǎn)生規(guī)定響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，使其能夠從信號中提取有用的信號，抑制并衰減不需要的信號，濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是對提出的要求給出相應(yīng)的性能指標(biāo)，再通過計(jì)算，使物理可實(shí)現(xiàn)的實(shí)際濾波器響應(yīng)特性逼近給出的頻率響應(yīng)特性。FIR數(shù)字濾波器是一種非遞歸系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：=由此可得到系統(tǒng)的差分方程為：FIR濾波器的結(jié)構(gòu)如下：bN1bN2b1b0x(nN+1)x(n1)aZ1Z1Z1X(n)y(n)其沖激響應(yīng)是有限長序列，它 濾波器系數(shù)向量,N 為FIR濾波器的階數(shù)。在數(shù)字信號處理應(yīng)用中往往需要設(shè)計(jì)線性相位的濾波器，F(xiàn)IR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時(shí)，很容易做到嚴(yán)格的線性相位特性為了使濾波器滿足線性相位條件，要求其單位脈沖響應(yīng)為實(shí)序列，且滿足偶對稱或奇對稱條件，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，偶對稱線性相位FIR濾波器的差分方程表達(dá)為由上可見，F(xiàn)IR濾波器不斷地對輸入樣本延時(shí)后，再做乘法累加運(yùn)算，將濾波器結(jié)果輸出。因此，F(xiàn)IR實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算。而對于線性相位FIR濾波器系數(shù)的對稱特性，可以采用結(jié)構(gòu)精簡的FIR結(jié)構(gòu)將乘法器數(shù)目減少一半。具體流程圖如下：采用的芯片功能介紹本次課程設(shè)計(jì)主要用到TMS320C54x芯片。C54x 包括8 條16 比特寬度的總線 ，一般而言，C54x 的存儲(chǔ)空間可達(dá)192K16 比特字，64K 程序空間，64K 數(shù)據(jù)空間，64KI/O 空間。依賴其并行的工藝特性和片上RAM 雙向訪問的性能，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，C54x 可以執(zhí)行4 條行并行存儲(chǔ)器操作：取指令，兩操作數(shù)讀，一操作數(shù)寫。使用片內(nèi)存儲(chǔ)器有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):高速執(zhí)行（不需要等待）,低開銷,低功耗。C54x 有片內(nèi)ROM 、DARAM、 SARAM ，這些區(qū)域可以通過軟件配置到程序空間。當(dāng)?shù)刂仿湓谶@些區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)對這些區(qū)域進(jìn)行訪問，當(dāng)?shù)刂仿湓谶@些區(qū)域以外，自動(dòng)產(chǎn)生對外部存儲(chǔ)器的訪問。 C54x 包括：通用I/O 引腳，XF 和BIO；定時(shí)器；PLL 時(shí)鐘產(chǎn)生器；HPI 口8 比特或16 比特；同步串口；帶緩存串口BSP；多路帶緩存串口McBSP；時(shí)分復(fù)用串口TDM；可編程等待狀態(tài)產(chǎn)生器；可編程bank switching 模塊；外部總線接口； 標(biāo)準(zhǔn)JTAG 口 TMS320C54x引腳圖：原理圖 ADS程序運(yùn)行圖：頻率響應(yīng) 相位響應(yīng)FIR數(shù)字濾波器電路板：低通濾波器仿真圖：幅頻響應(yīng)圖：第二章、軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路（1） 、利用MATLAB來確定FIR濾波器的參數(shù)；（2） 啟動(dòng)CCS，在CCS中建立一個(gè)C源文件和一個(gè)命令文件，并將這兩個(gè)文件添加到工程再編譯并裝載程序；（3） 設(shè)置波形時(shí)域觀察窗口，得到濾波前后的波形變化圖；（4） 設(shè)置頻域觀察窗口，得到濾波前后的頻譜變化圖。算法分析：根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)的定義，單位沖擊響應(yīng)h（n）長度與N的FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：H（z）= FIR系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的差分方程為：y (n)=該公式就是線性時(shí)不變系統(tǒng)的卷積公式。 對該式進(jìn)行z變換可得到FIR濾波器的傳遞函數(shù)：H（z）=N階有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）公式： N=0,1,2...程序的流程圖CCS匯編程序流程圖：具體程序CCS是TI推出的用于開發(fā)其DSP芯片的繼承 開發(fā)調(diào)試工具，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件 調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體,極大地方便了 DSP 程序的設(shè)計(jì)與開發(fā),此外還提供圖形顯示功能,方便 用戶觀察特定地址的波形。在CCS中實(shí)現(xiàn)FIR低通濾波器，主要代碼如下：（1） 首先要添加工程 Project new..（2） 需向工程中添加vector. asm、fir. cmd和 rts. lib文件，完成后如圖： ，就可在CCS右邊窗口中看到源代碼：見附錄 （3）打開觀察窗口： 選擇菜單“View”“Graph”“Time/Frequency” 在彈出的圖形窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Clear Display”選擇菜單“View”、“Graph”、“Time/Frequency…”進(jìn)行如下設(shè)置：在彈出的圖形窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Clear Display”（4）設(shè)置斷點(diǎn)在標(biāo)號“fir_loop”下面的“NOP”語句設(shè)置軟件斷點(diǎn)（Toggle breakpoint）和探針（Toggle Probe Point）。選擇菜單“File”、“File I/O…”；單擊“Add File”按鈕，選擇C:\5416EDULab\Lab16FIR\lowpass\，單擊“打開”按鈕；在“Adress”中輸入d_filin，在“Length”中輸入1；在“Warp Around”項(xiàng)前面加上選中符號；單擊“Add Probe Point”按鈕。單擊“Probe Point”列表中的“ line 38”行；在“Connect”項(xiàng)選擇
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