【正文】 由于本人的時(shí)間和能力有限，文中難免有不足之處，誠(chéng)懇希望各位老師 批評(píng)指正。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間摸索學(xué)會(huì)了 MATLAB 軟件在數(shù)字信號(hào)處理，尤其是 IIR 數(shù)字濾波器處理中的應(yīng)用，并利用所學(xué)完成了一個(gè)低通 IIR 數(shù)字濾波器和一個(gè)帶通 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和仿真。 用 View/Graph/Time/Frequency 打開(kāi)一個(gè)圖形觀察窗口 （如圖 43 所示） ；采用雙綜觀察在起始地址分別為 x 和 y，長(zhǎng)度為 256 的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類(lèi)型為 32 位浮點(diǎn)型變量，這兩個(gè)數(shù)組分別存放的是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換的混疊信號(hào)和對(duì)該信號(hào)進(jìn)行 IIR 低通濾波后的輸出信號(hào)（如圖 44 所示） 。 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 PTMS320C5416A/DE 2 PROMD/AROM 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 20KHz；高頻正弦波信號(hào)：幅度 ，頻率 70KHz。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 開(kāi)始輸入低通濾波器各頻率參數(shù)構(gòu)造濾波器頻域特性波形調(diào)用低通濾波器設(shè)計(jì)子程序完成濾波器a和 b參 數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)用濾波器濾波子程序?qū)斎胄盘?hào)循環(huán)執(zhí)行濾波結(jié)束 圖 41 程序設(shè)計(jì)流程圖 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn) 圖 42 為 IIR 濾波器 實(shí)現(xiàn)的電路方框圖，其核心部分為 TI 公司生產(chǎn)的 DSP 芯片TMS320C5416， E2PROM和 RAM 是其外圍電路。 (3) IIR數(shù)字濾波器的濾波結(jié)果會(huì)引起相位的延遲，故對(duì)相位嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，需加全通網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行較正，或選用 FIR濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能。 (2) 用到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，程序開(kāi)始時(shí)應(yīng)對(duì)這些單元進(jìn)行初始化?？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。另外 , 因?yàn)橹鞒绦蚩蚣懿捎?C 結(jié)構(gòu) , 所以要注意不同環(huán)境下尋址方式的區(qū)別 , 當(dāng)從 C 環(huán)境進(jìn)入直接尋址時(shí) , 要先確定 DP 值 ,以免帶來(lái)不確定的計(jì)算結(jié)果。 采用間接尋址指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 , 主要指令為加法、乘法和循環(huán)實(shí)現(xiàn) , 這些都可以通過(guò) MAC 等指令直接實(shí)現(xiàn)。為了是 McBSP 接口工作在所希望的模式下，必須在初始化時(shí)多相關(guān)寄存器進(jìn)行正確的配置。 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。在 TMS32OVC5402 中，要求每個(gè)中斷矢量占 4 個(gè)字，如果跳轉(zhuǎn)指令不夠 4 個(gè)字，可用 NOP 指令填充，每個(gè) NOP 占一 個(gè)字； (2) 設(shè)置 PMST 控制寄存器。 對(duì)寄存器進(jìn)行初始化主要包括：狀態(tài)寄存器 ST0、狀態(tài)寄存器 ST處理器模式控制寄存器 PMST、軟件等待狀態(tài)寄存器 SWWSR、 組交換控制寄存器 BSCR 和時(shí)鐘模式寄存器 CLKMD。 在調(diào)試軟件的過(guò)程中， 如果發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行不正確，應(yīng)首先查看芯片各寄存器的初始化狀態(tài) 設(shè)置是否正確， 然后 再 調(diào)試 用戶程序 ，否則就會(huì)降低調(diào)試效率。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(lái)，返回時(shí)再恢復(fù)。 DSP不同條件 和模式下的 狀態(tài) 都包含 ST0 和 ST1； PMST 包含存儲(chǔ)器設(shè)置狀態(tài)和控制信息。 DSP5416 共有三個(gè)控制和狀態(tài)寄存器，對(duì) CPU 的控制是通過(guò) CPU 狀態(tài)和控制寄存器來(lái)完成的。 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì) 在 DSP 進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算前 必須進(jìn)行一些初始化程序。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 TMS320VC5416 是 16位 DSP。 這樣導(dǎo)致算法無(wú)法在 DSP 上實(shí)現(xiàn)。從理論上說(shuō)，可以用高階 IIR 數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。 低通 IIR 數(shù)字濾 波器的參數(shù)如下： 采樣頻率為 250KHz，通帶內(nèi)最大允許衰減 3dB，阻帶內(nèi)最小衰減大于 30dB，通帶上限頻率為 20Hz，阻帶下限截止頻率為 70Hz。 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 。但是要在 DSP 上實(shí)現(xiàn) 此濾波器 功能， 則需要對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu) 、系數(shù) 等 參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實(shí)現(xiàn)思路，應(yīng)該是在滿足上面兩個(gè)條件的前提下，找到盡可能簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)方法。而一個(gè) IIR 數(shù)字濾波器是否可以在 DSP 上 實(shí)現(xiàn)，最終要看此算法是否滿足兩個(gè)條件：執(zhí)行時(shí)間和精度。 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。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 在上述的 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)使用 MATLAB 工具箱設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器是最方便和快捷的，尤其是使用 SPTool 工具箱，還可以在設(shè)計(jì)的完成的同時(shí)進(jìn)行仿真，這給設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的方便。同圖 312 比較，可以看出濾波后的效果。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 314 濾波后的信號(hào) (6) 觀察濾波后信號(hào)的頻譜 在信號(hào)列表框中，選擇 sig2[vector]，單擊頻譜信號(hào)列表框下的 Creat 按鈕。 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。編輯完成后，單擊 Apple 按鈕即可觀察到濾波器的幅頻特性 ，如圖 313 所示。 圖 312 干擾信號(hào)的信號(hào)頻譜 (4) 生成濾波器 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 在信號(hào)列表 框中，選擇 sig1,單擊濾波器列表框下的 New 按鈕， SPTool 會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)新的濾波器并賦予名字 filt1[design]。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 311 正弦干擾信號(hào) (3) 生成信號(hào)頻譜 在信號(hào)列表框中選擇 sig3[vector]信號(hào)，在頻譜信號(hào)列表框下單擊 Creat 按鈕，用 FFT方法計(jì)算得到的頻譜如圖 312 所示 。單擊 OK 按鈕后，在信號(hào) 列表框中出現(xiàn) sin3[vector]信號(hào)。sin39。sin39。sin39。 (1) 生成干擾信號(hào) 使用 gesig()函數(shù)生成被干擾信號(hào)。 IIR 低通濾波器的仿真 對(duì) 設(shè)計(jì)的 低通濾波器 通過(guò) SPTool 進(jìn)行仿真 。 hold on 圖 36 含有三個(gè)正弦分量的信號(hào) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 37 IIR 帶通濾波器幅頻響應(yīng) 圖 38 濾波后的信號(hào)波形 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 39 濾波前、后的幅頻圖 圖 310 濾波前 150Hz 信號(hào)與濾波器信號(hào)波形比較 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 通過(guò)上述圖 39 所示的濾波前、后的幅頻圖可以看出，經(jīng) 過(guò) 濾波后 濾除了 80Hz 和 250Hz的 干擾信號(hào)頻率，只留下了 150Hz 的信號(hào)頻率；再對(duì)照?qǐng)D 310 所示，濾波后的信號(hào)波形與濾波前的 150Hz 正弦波形圖基本相同。)。ylabel(39。Time(seconds)39。)。 title(39。 hold on subplot(212)。)。ylabel(39。Time(seconds)39。)。,39。 set(gcf,39。濾波前的 150Hz 信號(hào)的波形 39。})； 長(zhǎng)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)。,39。grid； legend({39。 frequency response39。Frequency(Hz)39。white39。color39。濾波前、后的幅頻圖 39。,SF(1:256)39。Time waveform39。)。)； xlabel(39。,39。)； set(gcf,39。)； grid； (3) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波（濾波后信號(hào)如圖 38 所示） sf=filter(b,a,s)； plot(t,sf)； title(39。)； ylabel(39。)； xlabel(39。,39。)； set(gcf,39。)； 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 (2) 產(chǎn)生一個(gè) 10 階 IIR 帶通濾波器，通帶為 100Hz 到 200Hz，并得出其幅頻響應(yīng)（如圖37 所示） [b,a]=cheby1(10,[100 200]/500)； [H,w]=freqz(b,a,512)； plot(w*Fs/(2*pi),abs(H))； title(39。)； ylabel(39。)； xlabel(39。,39。)； set(gcf,39。 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。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 35 用 Butterworth低通濾波器設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器 幅頻和相頻特性圖 IIR 數(shù)字濾波器的 仿真 IIR 帶通濾波器的仿真 對(duì) 設(shè)計(jì)的帶通濾波器進(jìn)行仿真。 [bz,az ]= impinVar (b,a) % 利用 impinvar 可得到?jīng)_激響應(yīng)相同的數(shù)字濾波器 freqz (bz,az,4096,10000)； % 作出幅頻和相頻曲線圖 運(yùn)行結(jié)果如下 : n = 6 wn = bz = 0 az = 在 MA TLAB ,利用的濾波器分析函數(shù) Freqz分析所設(shè)計(jì)出的濾波器的幅頻特性和相頻特性 ， 如圖 35所示。 利用模擬頻率與數(shù)字頻率之間的關(guān)系 : 2/w f fs?? 332 1 1 0 / 1 0 1 0 0 . 2pw ??? ? ? ? ? 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 332 1 . 5 1 0 / 1 0 1 0 0 . 3sw ??? ? ? ? ? 采用 Butterworth 模擬濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì) ,MATLAB 設(shè)計(jì)程序如下 : wp= *p i。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 cheby1， cheby2 類(lèi)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 Chebyshev II 型濾波器，其通帶內(nèi)為單調(diào)，阻帶內(nèi)等波紋。 Chebyshev I 型濾波器的下降斜度比 II 型大，但其代價(jià)是通帶內(nèi)波紋較大。 設(shè)計(jì) Chebyshev I 型濾波器用函數(shù) chebyl()。 程序設(shè)計(jì) 程序法介紹 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 。由圖 33 可知，在 100200Hz 的范圍內(nèi)相移較小，其曲線近似一條直線，失真較?。划?dāng)頻率超過(guò)這一范圍時(shí)，相移較大，而且其曲線是非直線的，所以失真也較大。設(shè)計(jì)完成后將結(jié)果保存為 文件。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。 圖 31 濾波器設(shè)計(jì) FDATool 界面 IIR 帶通 濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例 要求設(shè)計(jì)一個(gè) 10 階的帶通 Chebyshev I 濾波器，它的通帶范圍是 100 到 200Hz，采樣頻率為 1000Hz， Rp=。當(dāng)采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，通帶截止頻率處的幅值衰減固定為 6db，所以 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 不必定義。 Magnitude Specifications 選項(xiàng)，可以定義幅值衰減的情況。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