基于dspbuilder的fir數(shù)字濾波器的仿真設(shè)計(jì)-資料下載頁
2024-12-04 13:10本頁面
【導(dǎo)讀】隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理得到了飛速發(fā)展。數(shù)字濾波器是譜分析、雷達(dá)信號(hào)處理、通信信號(hào)處理應(yīng)用中的基本處理算法，在數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過仿真與驗(yàn)證，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器能夠成功運(yùn)行，且所設(shè)計(jì)濾波器穩(wěn)定性好，精確度高，不易受環(huán)境影響。在利用FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波器的開發(fā)時(shí)，采用基于Matlab環(huán)境的DSPBuilder作為設(shè)計(jì)工具可以更方便的建立模型，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。因此，指標(biāo)的形式應(yīng)為頻域中的幅度和相位響應(yīng)。在通帶中，通常希望具有線性相位響應(yīng)。此外，任何數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中也還不可避免地
【正文】 系數(shù)并作相關(guān)分析。（四）濾波器分析計(jì)算完FIR濾波器系統(tǒng)分析后，往往需要對(duì)設(shè)計(jì)好的FIR濾波器進(jìn)行相關(guān)的性能分析，以便了解該濾波器是否滿足設(shè)計(jì)要求。分析操作步驟如下：1. 選擇FDATool的菜單“Analysis”→“Magnitude Response”，啟動(dòng)幅頻響應(yīng)分析。圖84顯示了濾波器的幅頻響應(yīng)圖，x軸為頻率，y軸為幅度值（單位為dB）。在圖的左側(cè)列出了當(dāng)前濾波器的相關(guān)信息：(1)濾波器類型為Direct form FIR（直接I型FIR濾波器）(2)濾波器階數(shù)為19注意：不是每種FIR濾波器設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的濾波器都是直接I型結(jié)構(gòu)的。如果在DSP Builder中設(shè)計(jì)的FIR濾波器為直接I型結(jié)構(gòu)，那就必須保證再這里顯示的FIR濾波器結(jié)構(gòu)為“Direct form FIR”。圖84 FIR濾波器的幅頻響應(yīng)2. 選擇菜單“Analysis”→“Phase Response”，啟動(dòng)相頻響應(yīng)分析。圖85顯示了濾波器的相頻響應(yīng)。由圖可以看到設(shè)計(jì)的FIR濾波器在通帶內(nèi)相位響應(yīng)為線性的，即該濾波器是一個(gè)線形相位濾波器。圖85 FIR濾波器的相頻響應(yīng)3. 圖86顯示了濾波器幅頻特性與相頻特性的比較。這可以通過菜單選擇“Analysis”→“Magnitude﹠Phase Response”來啟動(dòng)分析。圖86 幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)的比較4. 選擇菜單“Analysis”→“Group Delay Response”，啟動(dòng)群延時(shí)分析，波形如圖87所示。圖87 群延時(shí)5. 在菜單“Analysis”下還有一些分析：(1)“Impulse Response”：沖激響應(yīng)，見圖88。(2) “Step Response”：階躍響應(yīng)，見圖89。(3) “Pole/Zero Plot”：零極點(diǎn)圖，見圖810。由于直接I型FIR濾波器只有零點(diǎn)，所以在圖810中不存在極點(diǎn)。圖88 FIR濾波器的沖激響應(yīng)圖89 FIR濾波器的階躍響應(yīng)圖810 FIR濾波器的零極點(diǎn)求出的FIR濾波器的系數(shù)可以通過選擇菜單“Analysis”→“Filter Coefficients”來觀察，見圖811。圖中列出了FDATool計(jì)算的19階直接I型FIR濾波器的部分系數(shù)。圖811 FIR濾波器系數(shù)（五）量化從圖811可以看到，F(xiàn)DATool計(jì)算出的值是一個(gè)有符號(hào)小數(shù)，而在DSP Builder下建立的FIR濾波器模型需要一個(gè)整數(shù)作為濾波器系數(shù)。所以必須進(jìn)行量化，并對(duì)得到的系數(shù)進(jìn)行歸一化。為此，點(diǎn)擊FDATool左下側(cè)的工具按鈕進(jìn)行量化參數(shù)設(shè)置。在設(shè)置“Turnquantization on”前選擇“√”。如圖812所示。圖812 量化參數(shù)設(shè)置在濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)中，已經(jīng)提到FIR濾波器的輸入位寬是9位，表示為有符號(hào)數(shù)。在圖812中設(shè)置前4項(xiàng)的量化格式（Format）為“[16 15]”，表示量化后位寬為16位，絕對(duì)值為15位；設(shè)置后2項(xiàng)（乘積、乘積和）的量化格式為“[32 30]”。點(diǎn)擊Optimization按鈕，打開圖813所示的對(duì)話框。在此量化優(yōu)化設(shè)置對(duì)話框中選擇相關(guān)的優(yōu)化選項(xiàng)。圖813 量化優(yōu)化設(shè)置對(duì)話框圖814中顯示了量化后的部分系數(shù)值。注意在這里系數(shù)仍是用小數(shù)表示的，不同于量化前的系數(shù)，現(xiàn)在其二進(jìn)制表示的位數(shù)已滿足量化要求。圖814 量化后的系數(shù)值設(shè)計(jì)的FIR濾波器在量化后濾波器的性能會(huì)有所改變，其幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)也有所變化。圖815為量化后的幅頻、相頻響應(yīng)波形圖。圖815 量化后的幅頻、相頻響應(yīng)量化在帶來實(shí)現(xiàn)方便的同時(shí)也帶來了量化噪聲，圖816顯示了量化帶來的噪聲分析。圖816 量化后的噪聲分析（六）導(dǎo)出濾波器系數(shù)為導(dǎo)出設(shè)計(jì)好的濾波器系數(shù)，選擇FDATool菜單的“File”→“Export….”，打開導(dǎo)出（Export）對(duì)話框，如圖817所示。圖817 導(dǎo)出系數(shù)對(duì)話框在該窗口中，選擇導(dǎo)出到工作區(qū)（Workspace）。這時(shí)濾波器系數(shù)就存入到一個(gè)一維變量Num中了，不過這時(shí)Num中的元素是以小數(shù)形式出現(xiàn)的：Num=現(xiàn)在若要在FIR濾波器模型中使用這些數(shù)據(jù)，還需要將他們轉(zhuǎn)化為整數(shù)，在MATLAB主窗口的命令中鍵入：Num*（2^15）得到： Num*(2^15)ans = Columns 1 through 9 891 1435 1601 1240 2504 735 3729 360 5763 Columns 10 through 18 3184 11846 27093 27093 11846 3184 5763 360 3729 Columns 19 through 24 735 2504 1240 1601 1435 891（七）修改FIR濾波器模型添加參數(shù)把計(jì)算出的系數(shù)逐個(gè)填入到FIR濾波器模型中，見圖818。這樣就完成了一個(gè)20階直接I型FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)。（八）導(dǎo)出濾波器系數(shù)的另一種方法按照上面介紹的導(dǎo)出濾波器系數(shù)的方法在FIR濾波器階數(shù)較大時(shí)就不太方便，而且在設(shè)計(jì)要求有所變化時(shí)系數(shù)的修改極為不利。可以按照以下方法來導(dǎo)出：把FIR濾波器模型中的h1～h24模塊的參數(shù)“Constant Value（常數(shù)值）”設(shè)置為：Num*（2^15）其中Num同上文所述，是FDATool的導(dǎo)出系數(shù)，n用具體的數(shù)字來代替，如h1模塊用Num(1)*(2^15)，h2模塊用Num(2)*(2^15)。圖818 20階低通FIR濾波器 九、結(jié)束語通過仿真與驗(yàn)證，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器能夠成功運(yùn)行，且所設(shè)計(jì)濾波器穩(wěn)定性好，精確度高，不易受環(huán)境影響。在利用FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波器的開發(fā)時(shí)，采用基于Matlab環(huán)境的DSP Builder作為設(shè)計(jì)工具可以更方便的建立模型，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，受精度、速度和器件選擇方面的影響，可以對(duì)其轉(zhuǎn)化的VHDL進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅鞏固以前所學(xué)的知識(shí)，并且又新學(xué)到了不少的有用的知識(shí)，不但使我提高了自己的能力也知道了自己的不足。我深刻地認(rèn)識(shí)到，只有單純的理論知識(shí)是不行的，必須多實(shí)踐，多操作才可以使自己的知識(shí)得到鞏固，從而提高自身素質(zhì)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，雖然遇到了很多不同程度的問題和困難，但最后基本上均以解決，系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行并完成各項(xiàng)功能。由于時(shí)間上和個(gè)人學(xué)識(shí)上有限，系統(tǒng)還存在一些不足之處，還有一些功能更高更完善的功能沒有能實(shí)現(xiàn)，有待于以后進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。
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