【正文】 基于 MATLAB 與 CCS的 IIR 濾波器設(shè)計(jì) 參與文獻(xiàn) 23 參考文獻(xiàn) [1] 王世一編著 .數(shù)字信號處理 [M].北京 :北京理工大學(xué)出版社， ，重版 . [2] 王沫然 .Simulink 建模及動態(tài) 仿真 .北京 :電子工業(yè)出版社， 2020 [3] 薛定宇 .基于 MATLAB/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用 .北京 :清華大學(xué)出版社， 2020 [4] 張志涌 .精通 版 .北京 :北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 [5] 陳懷深 .MATLAB 及其在理工課程中的應(yīng)用指南 .西安 :西安交通大學(xué)出版社， 1998 [6] 李哲英 .DSP 基本理論與應(yīng)用技術(shù) .北京 :北京航空航天大學(xué)出版社， [7] 彭啟宗，管慶等 .DSP 集成開發(fā)環(huán)境 CCS 及 DSPBIOS 的原理與應(yīng)用 .北京 :電子工業(yè)出版 社， 2020 年 7 月 [8] 文瑋瑋，董金明 .數(shù)字濾波器在定點(diǎn) DSP 上的實(shí)現(xiàn) .遙測遙控， 2020 年 1 月 [9] 邢培育，崔克清一種基于 TMS32OC5402 的數(shù)字 IIR 濾波器設(shè)計(jì) .數(shù)據(jù)采集與處理， 200 年 6 月 [10]鄭佳春 .數(shù)字濾波器的 MATLAB 設(shè)計(jì)與 DSP 上的實(shí)現(xiàn) .單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2020 [11]張雄偉，陳亮 .DSP 芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用 [M].北京 :電子工業(yè)出版社， . [12]王華奎，張立毅編著 .數(shù)字信號處理及應(yīng)用 [M].北京 :高等教育出版社， . [13]丁玉美，高西 全 .數(shù)字信號處理 (第二版 )[M].西安 :西安電子科技大學(xué)出版社， 2020. [14]韓利竹，王華 .撇 TLAB 電子仿真與應(yīng)用「 M」 .北京 :國防工業(yè)出版社， 2020. [15]BatemanAndrew， ， APPlieationan DesignTeehniques! [16]]又 efereneeSetVOlume4:APPlieation [17]:Enhancd 。 (3)有關(guān) DSP 系統(tǒng)軟件開發(fā)語言的選擇歷來是人們較為關(guān)心的問題，考慮到數(shù)字濾波程序代碼不是很多，設(shè)計(jì)中作者采用 MATLAB 進(jìn)行算法仿真，用匯編語言開發(fā)算法程序。 (2)設(shè)計(jì)的濾波器類型轉(zhuǎn)換不夠方便和靈活，雖然對 MATLAB 與 DSP 之間的連接做了一些研究，但在實(shí)際的應(yīng)用 中并沒有成功，如要轉(zhuǎn)換濾波器的類型必需重新得到濾波器的系數(shù)并在原程序中修改，不能直接調(diào)用。上述研究為課題的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)，但是由于課題本身難度較大，作者水平有限，加之時間緊迫研究不夠深入，論文中存在許多缺點(diǎn)和不足，需要在今后的研究中注意，主要包括以下幾方面 : (l)對數(shù)字濾波理論知識的研究還不夠深入。 MATLAB 環(huán)境下數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，利用 MATLAB 軟件編程實(shí)現(xiàn)工IR 濾波器設(shè)計(jì)，用擬 TLAB 語言可以編寫出各種類型的濾波器，并進(jìn)行仿真，用匯編語言編寫了 DSP 的工 IR濾波算法，并將其在 CCS 上調(diào)試仿真。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為 1024 個。 IIR 帶通濾波器設(shè)計(jì)時采用 8階濾波器。 基于 MATLAB 與 CCS的 IIR 濾波器設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) 20 圖 IIR 帶通濾波器仿真結(jié) 帶通濾波器的 MATLAB 仿真結(jié)果 IIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)和低通濾波器的設(shè)計(jì)方法是一樣的。綜合考慮，將濾波器的階數(shù)提高到 5階，得到新的仿真結(jié)果如圖 所示。但由于DSP 本身有限字長和精度的因素，加上 IIR 濾波器在結(jié)構(gòu)上存在反饋回路，是遞歸型的，再者高階濾波器參數(shù)的動態(tài)范圍很大。可以針對以上原因，對濾波器再進(jìn)行改進(jìn)。從而影響濾波效果。而在 CCS 上各個系數(shù)是經(jīng)過量化處理的，因此系數(shù)和原始系數(shù)相比較會有誤差。但是濾波效果不太理想尤其在家 00Hz 附近的頻率分量。在自來水檢漏系 統(tǒng)中，對兩路采樣信號進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換后，送到DSP 然后調(diào)用濾波程序，濾波后將數(shù)據(jù)輸出再進(jìn)行濾噪和相關(guān)算法的處理。初始化數(shù)據(jù)和MATLAB 中得到的濾波器系數(shù)做乘加運(yùn)算，就實(shí)現(xiàn)了對原始數(shù)據(jù)的濾波，濾波后的數(shù)據(jù)存放在特定的單元。 for n=1:1024 if x(1， i) 1 | x (1， i)1 k(1, i)=x(1， i) *32768/max (x)， else k(1， i)=x(1， i)*32768 end i=i+1: end, n, i 把原始信號數(shù)據(jù)和濾波器系數(shù)代人上面程序中 x=[]，經(jīng)過運(yùn)算就可以得到歸一化數(shù)據(jù)。 X=[]。 數(shù)字濾波 DSP 實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì) DSP 程序設(shè)計(jì)流程圖見圖 圖 DSP 程序設(shè)計(jì)流程圖 基于 MATLAB 與 CCS的 IIR 濾波器設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) 17 在技術(shù)難點(diǎn)中討論過定點(diǎn)數(shù)的定標(biāo)問題，特意編寫了一個小程序?qū)崿F(xiàn)對輸入原始信號和 濾波 器系數(shù)的歸一化處理。這樣一來造成兩個后果 :結(jié)果溢出和誤差增大，從而導(dǎo)致算法無法在 DSP 上實(shí)現(xiàn)。從理論上說，可以用高階工 IR 數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要注意實(shí)現(xiàn)中的誤差問題。而 IIR數(shù)字濾波器是遞歸結(jié)構(gòu)，極點(diǎn)必須在 z 平面單位圓內(nèi)才能穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)算中的四舍五入處理有時會引起寄生振蕩。另外， FIR 數(shù)字濾波器和工 IR 數(shù)字濾波器所引入的量化誤差是不一樣的?；?MATLAB 與 CCS的 IIR 濾波器設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) 16 如，可以用兩個存儲單元來表示一個數(shù)，運(yùn)算時運(yùn)用雙字運(yùn)算 。所產(chǎn)生的誤差主要包括 :數(shù)模轉(zhuǎn)換引起的量化誤差、系數(shù)量化引起的誤差以及運(yùn)算過程中的舍入誤差。本文專門設(shè)計(jì)了一個 Q15 轉(zhuǎn)化程序，可以方便的把在 MATLAB中得到的濾波器的系數(shù)，和輸入的原始隨機(jī)信號進(jìn)行處理輸入到 CCS 中。這樣做的好處是操作簡單、編程方便。因此，在定點(diǎn)運(yùn)算過程中應(yīng)該采取一些判斷和保護(hù)辦法 (特別是在定點(diǎn)加法中 )。這里，所討論的理論分析法和統(tǒng)計(jì)分析法確定變量絕對值最大值 |max|.，然后根據(jù) |max|再確定 Q 值。只要動態(tài)范圍確定了， Q 值也就確定了。在運(yùn)用定點(diǎn) DSP 時，如何選擇合適的 Q 值是一個關(guān)鍵性問題。相反， Q 越小，數(shù)值范圍越大，但精度越低。從上表中還可以看出，不同的 Q表示的數(shù)不僅范圍不同，而且精度也不相同。同樣一個 16位數(shù)，若小數(shù)點(diǎn)設(shè)定的位置不同，它所表示的數(shù)也就不同。例如 :在 Q15 中， 1080H=。因此，在編程時必須指定一 個數(shù)的小數(shù)點(diǎn)處于哪一位，這就是定標(biāo)。在濾波器的實(shí)現(xiàn)過程中， DSP所要處理的數(shù)可能是整數(shù)，也可能是小數(shù)或混合小數(shù) 。一個整型數(shù)的最大表示范圍取決于 DSP 芯片所給定的字長，一般為 16 位或 24 位，本文采用的 DSP 芯片為16 位。嵌入式對象在 MATLAB 環(huán)境中創(chuàng)建，該對象可代表嵌入在目標(biāo) C程序中的變量，由其可以直接對嵌入在目標(biāo) DSP 存 貯器 /寄存器中的變量進(jìn)行操作。 CCSLink 提供了 3 種連接對象 :與 CCS 的連接對象可從 MATLAB 命令窗運(yùn)行 CCS 中的應(yīng)用程序，向目標(biāo)DSP 的存貯器、寄存器讀出 /寫人數(shù)據(jù)，檢查 DSP 狀態(tài)，開始 /停止目標(biāo) DSP 中運(yùn)行的程序。 MathWorkS 公司和 TI基于 MATLAB 與 CCS的 IIR 濾波器設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) 15 公司共同開發(fā)的 MATLABLinkforCCS 開發(fā)工具 (CCSLink)，實(shí)現(xiàn)了在 MATLAB， TICCS 開發(fā)環(huán)境和 DSP 硬件間的雙向連接，開發(fā)者可以利用 MATLAB 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、可視化功能來處理 CCS和目標(biāo) DSP 中的數(shù)據(jù)，可以大大簡化 DSP 軟件開發(fā)的分析、調(diào)試和驗(yàn)證過程，縮短軟件開發(fā)周期。 圖 集成開發(fā)環(huán)境界面圖 MATLAB 與 DSP 之間的連接 MATLAB 輔助 DSP 開發(fā)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是建立 MATLAB 與 DSP 間的連接。對目標(biāo)系統(tǒng)中的信號繪圖顯示。查看、編輯存儲器和寄存器的值 。在斷點(diǎn)處自動更新 。 CCS 使用工程來管理整個應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的所有文檔，工程 中可包含 C 語言源代碼、匯編源代碼、庫文件、鏈接命令文件、頭文件和目標(biāo)文件。在本設(shè)計(jì)中，采用軟件仿真器進(jìn)行程序的調(diào)試， CCS 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)支持從編輯、編譯、匯編、鏈接到調(diào)試DSP 應(yīng)用程序的整個開發(fā)過程。 r(硬件仿真器 )兩部分。目前 CCS 軟件已經(jīng)歷了 ， ， ，和 等版本，各個版本 CCS軟件的功能大體一致。璐 P 芯片的開發(fā)工具可以分為代碼生成工具和代碼調(diào)試工具兩類。這樣根據(jù)不同的要求可以選用不同類型的濾波器。chebyshevH 型濾波器的幅頻特性在阻帶內(nèi)有波動，通帶內(nèi)單調(diào) 。 [num4， den4]=elliP(n4， rP， rs， Wn4，’ high’ ): 基于 MATLAB 與 CCS 的 IIR 濾波器設(shè)計(jì) IIR 濾波器的 MATLAB 輔助設(shè)計(jì) 13 圖 橢圓低通濾波器 從頻率響應(yīng)圖中可以看出 :巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性，通帶內(nèi)平滑 。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)。 設(shè)計(jì)橢圓濾波器用函數(shù) ellip()，與 ehebyl、 eheby2 類似，可以設(shè)計(jì)低通、高通、帶通和帶阻的數(shù)字和模擬濾波器?？梢栽O(shè)計(jì)低通、高通、帶通和帶阻的數(shù)字和模擬 ChebyshevII 型濾波器，其通帶內(nèi)為單調(diào)，阻帶內(nèi)等波紋。 ChebyshevI型濾波器的下降斜度比 II 型大，但其代價目是通帶內(nèi)波紋較大。