【正文】 PI 接口寄存器配置等基本內(nèi)容，結(jié)合外圍電路原理完成系統(tǒng)原理圖硬件電路設(shè)計。摘要 本文闡述了數(shù)字濾波器的特點和設(shè)計方法，對 FIR 和 IIR 濾波器進(jìn)行了比較，對數(shù)字濾波器的應(yīng)用范圍、應(yīng)用前景和發(fā)展歷程作了詳細(xì)的說明。介紹了利用 MATLAB 設(shè)計 FIR 濾波器的各種方法 (包含窗函數(shù)設(shè)計法、頻率樣本設(shè)計法、等波動法和最小二乘法 )以及如何用 MATLAB 中的濾波器設(shè)計工具 fdatool 設(shè)計各種類型的濾波器。 軟件設(shè)計中通過 MATLAB/SIMULINK 環(huán)境中圖形化的方式建立數(shù)字信號處理的模型進(jìn)行 DSP 的設(shè)計和仿真驗證，將設(shè)計的圖形文件 .mdl 直接轉(zhuǎn)換成 C 語言程序在 CCS 中運行。利用 MATLAB 軟件開發(fā)產(chǎn)品加速了開發(fā)周期，比直接在 CCs 中編程方便快捷了很多，對于任何復(fù)雜功能的 DSP 系統(tǒng)，只需要進(jìn)行少量的 添加和修改就能完成功能正確的 C 語言程序設(shè)計。設(shè)計的電路通過軟件進(jìn)行了驗證并進(jìn)行了環(huán)境實驗，多次實驗證明了電路工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。該 FIR濾波器的相位響應(yīng)可為嚴(yán)格的線性，因此它不存在延遲失真，只有固定的時間延遲，適用于圖像信號處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系 統(tǒng)。 .. . .? 致謝 .?， ..........................................................?? 第 1 章緒論 課題研究的目的及意義 數(shù)字信號處理器 (DSP)已經(jīng)發(fā)展了 20 多年，最初僅在信號處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運算能力使很多復(fù)雜的控制算法和 功能得以實現(xiàn)，同時將實時處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。所謂信號處理是指對信號進(jìn)行濾波、變換、分析、加工、提取特征參數(shù)等的過程川。在現(xiàn)代計算機(jī)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展起來以前，這一過程只能用傳統(tǒng)頻譜分析儀實現(xiàn)。尤其是頻率范圍寬、指標(biāo)高的，設(shè)計制造的難度就更高，而其價格也非常昂貴。隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理己成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，它在通信、語音、圖像、自動控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 作為信號處理，和頻譜分析最直接相關(guān)的是傅立葉 (傅立葉 )變換即 FFTo 人們已經(jīng)熟知，離散傅立葉變換 (即 DFT)和數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理器的基本內(nèi)容。將任意信號 (主要是反映客觀物理世界的各種變化量，而且多半是連續(xù)變化的模擬量 )轉(zhuǎn)換為能夠由處理器處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)這一過程稱為”數(shù)字化”，它包括采樣和量化兩個步驟，量化即通常所說的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。為了保證數(shù)字化后的信號數(shù)據(jù)不喪失原信號的特性，采樣頻率應(yīng)大于 或至少等于信號截止頻率的 2 倍。奈奎斯特采樣定理是很容易證明的。為了提高或?qū)崿F(xiàn)主要是 FFT 等運算的高速化，美國德州儀器公司 (TI)很早開始就一直致力于專用的數(shù)字信號處理器芯片的研制和生產(chǎn)。據(jù)最近報道，新的 TM320C64 x 的運行速度己高達(dá) 600MHz，其內(nèi)核的 8 個功能單元能在每個周期同時執(zhí)行 4 組 16 位 MAC 運算或 8 組 8 位 MAC 運算。 數(shù)字濾波作為數(shù)字信號處理的重要組成部分有著十分廣泛的應(yīng)用前景，可作為應(yīng)用系統(tǒng)對信號的前置處理。因此基于 DSP 的數(shù)字濾波被廣泛應(yīng)用于語音、圖像、軟件無線電等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。數(shù)字濾波是語音和圖象處理、模式識別、譜分析等應(yīng)用中的一個基本處理算法。數(shù)字濾波器容易實現(xiàn)不同的幅度和相位頻率特性指標(biāo)，克服與模擬濾波器器件性能相關(guān)的電壓漂移、溫度漂移和噪聲問題。用可編程 DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修 改濾波器的參數(shù)十分方便的改變?yōu)V波器的特性。在許多應(yīng)用中都希望根據(jù)期望的指標(biāo)把一個信號的頻譜加以修改、整形或運算。數(shù)字濾波器擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，例如數(shù)字圖象處理、模式識別、譜分析等。同時，由于在許多場合下，需要對信號進(jìn)行實時處理，因而對于單片機(jī)的性能要求也越來越高。由于 DSP 控制器具有許多獨特的結(jié)構(gòu)，例如采用多組總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)并行處理，獨立的累加器和乘法器以及豐富的尋址方式，采用 DSP控制器就可以提高數(shù)字信號處理運算的能力，可以對數(shù)字信號做到實時處理。幾乎每一科學(xué)和工程領(lǐng)域例如聲學(xué)、物理學(xué)、通 信、數(shù)據(jù)通信、控制系統(tǒng)和雷達(dá)都涉及信號。這些過程都可能包含衰減一個頻率范圍阻止或隔離一些頻率成分。一個帶寬受限的連續(xù)時間信號能夠通過采樣的方法變換成離散時間信號，經(jīng)過處理后離散時間信號能夠轉(zhuǎn)換回連續(xù)時間信號。 (2)對干擾信號的抑制能力有了明顯提高，這對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的提高起到了促進(jìn)作用。 數(shù)字信號處理 (Digital Signal Processing)是利用專用處理器或計算機(jī)，以數(shù)字的形式對信號進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理，以得到符合人們要求的信號形式。它在結(jié)構(gòu)上針對數(shù)字信號處理的特點進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并且增加了特殊的指令專門用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效率更高。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛 。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。20 世紀(jì) 50 年代無源濾波器日趨成熟。導(dǎo)致 RC 有源濾波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到 70 年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。 90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。 我國廣泛使用濾波器是 50 年代后期的事，當(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾波。我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率己基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國各類濾波器的應(yīng)用情況 :LC 濾波器占 50%。陶瓷和聲表面濾波器各占 1%。從這些應(yīng)用比例來看，我國電子產(chǎn)品要想實現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個重要課題。高精度無源濾波器從設(shè)計到制造都是難度非常高的技術(shù)。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對濾波器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們 向集成方向發(fā)展。所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。20 世紀(jì) 50 年代無源濾波器日趨成熟。導(dǎo)致 RC 有源濾 波器、數(shù)字濾波器、開關(guān)電容濾波器和電荷轉(zhuǎn)移器等各種濾波器的飛速發(fā)展，到 70 年代后期，上述幾種濾波器的單片集成已被研制出來并得到應(yīng)用。 90年代至現(xiàn)在主要致力于把各類濾波器應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和研制。 我國廣泛使用濾波器是 50 年代后期的事，當(dāng)時主要用于話路濾波和報路濾波。我國現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率己基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國各類濾波器的應(yīng)用情況 :LC 濾波器占 50%。陶瓷和聲表面濾波器各占 1%。 在上一個世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無源到有源和從模擬到數(shù)字兩個過 程。有源濾波器雖然很大地改進(jìn)了濾波器的性能，也降低了一些制造工藝的難度，但從其性能的大幅度改進(jìn)，與其它信號處理技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器后來居上。我國濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ) 2 .1 系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù) .1 數(shù)字濾波器概述 所謂數(shù)字濾波器，是指輸入輸出均為數(shù)字信號，通過一定的運算關(guān)系改變輸入信號中所含的頻率成分的相對比例，或者濾除某些頻率成分的器件。 在頻域內(nèi)有如下關(guān)系 : Y(jw)=h(jw)*x(jw) (23) 式中 how)是數(shù)字濾波器的頻率特性 。 數(shù)字濾波器總體可以分為兩大類，一類稱為經(jīng)典濾波器，輸入信號中的有用成分和希望濾除的成分占用不同的頻帶，通過適當(dāng)?shù)倪x頻濾波器可實現(xiàn)濾波 。對于經(jīng)典濾波器，從頻域上還可以分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。對于有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器 (FIR)其輸出y(n)只取決于有限個過去和現(xiàn)在的輸入 x(n),x(n1)... x(nm)。 FIR 和 IIR 濾波器不論是在性能還是在設(shè)計方法上都有著很大的 區(qū)別， FIR 濾波器可以根據(jù)給定的頻率特性直接設(shè)和 IIR，其設(shè)計步驟如下： (1)確定指標(biāo) :在設(shè)計一個濾波器前必須有一些指標(biāo)，這些指標(biāo)需要根據(jù)應(yīng)用確定。這是濾波器設(shè)計所要研究的主要問題。根據(jù)這個描述用硬件和計算機(jī)軟件來實現(xiàn)。 (2)由于 FIR 濾波器的單位脈沖 h(n)是有限長序列，因此 FIR 濾波器沒有不穩(wěn)定的問題 。 (4) FIR 濾波器可采用 FFT 算法實現(xiàn)，從而提高運算效率。39。 W)}e,qW (28) ︳ H (e39。幅頻特性表示信號通過濾波器后頻率成分的衰減情況，相頻特性則反應(yīng)各頻率成分通過濾波器后在時間上的延時情況。 數(shù)字濾波器的參數(shù)指標(biāo)與模擬濾波器類似，它們是 wp, ws,助 .義相同，這里不再說明。因此，指標(biāo)的形式應(yīng)為頻域中的幅度和相位響應(yīng)。在 FIR濾波器中可以得到精確的線性相位。 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計和模擬濾波器的設(shè)計有著緊密的聯(lián)系，通常要設(shè)計出適當(dāng)?shù)啬M濾波器，再通過一定的頻帶變換把它轉(zhuǎn)換成為所需要的數(shù)字 IIR 濾波器。 從性能上來說， IIR 數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)包括零點和極點兩組可調(diào)因素，對極點的唯一限制是在單位圓內(nèi)。但是這 個高效率是以相位的非線性為代價的。 FIR 濾波器傳遞函數(shù)的極點是固定在原點，是不能動的，它只能靠改變零點位置來改變它的性能，所以要達(dá)到高的選擇性，必須用高的階數(shù)，對于同樣的濾波器設(shè)計指標(biāo)， FIR 濾波器所要求的階數(shù)可能比 IIR 濾波器高5^10 倍，結(jié)果成本高信號延時也較大，如果按線性相位要求來說，則 IIR 濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣大大增加了濾波器的階數(shù)和復(fù)雜性。 從結(jié)構(gòu)上看， IIR 濾波器必須采用遞歸結(jié)構(gòu)來配置極點，并保 證極點位置在單位圓內(nèi)。相反， FIR 濾波器只要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，不論在理論上還是實際的有限精度運算中都不存在穩(wěn)定性問題，因此造成的頻率特性誤差也較小。 從設(shè)計工具看， IIR 濾波器可以借助模擬濾波器的成果，因此一般都有有效的封閉形式的設(shè)計公式可供參考，計算工作量比較小，而且對計算工具的要求不高 。窗函數(shù)法設(shè)計 FIR 濾波器也僅給出了窗函數(shù)的計算公式，但是在計算通帶阻帶衰減時無顯示表達(dá)式。 在設(shè)計和實現(xiàn)上 FIR 濾波器具有如下優(yōu)越性 : (1)相位響應(yīng)可為嚴(yán)格的線性，因此它不存在延遲失真，只有固定的時間延遲。 (3)只包含實數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)算法，不需要遞推運算，長度為 M的濾波器 (階數(shù)為 M1)，它的計算值約為 M/2 。而 FIR 濾波器則要靈活的多，尤其是他易于適應(yīng)某些特殊應(yīng)用，如構(gòu)成數(shù)字微分器或希爾伯特變換器等，因而有更大的適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。從使用要求來看，在對相位要求不敏感的場合，如語言通信等選用 IIR 較為合適，這樣可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)高效的特點 。如果有條件，采用 FIR濾波器較好。 FIR 濾波器的設(shè)計方法 FIR 濾波器的設(shè)計方法主要有窗函數(shù)設(shè)計法和頻率抽樣設(shè)計法，其中窗函數(shù)設(shè)計法是最基本的設(shè)計方法， =III。 Blackman 窗進(jìn)一步抑制旁瓣，使第一旁瓣的衰減達(dá)到 58 dB，但主瓣的寬度是矩形窗的 3 倍，以上三種窗函數(shù)都是以增加主瓣寬度為代價換取一定程度的旁瓣抑制。武漢理 工大學(xué)碩士學(xué)位論文 MATLAB 是美國 Mathworks公司與 1967年推出的軟件包，它是一個功能強(qiáng)、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)計算和工程計算的交互式軟件包，其中包括 :一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制、優(yōu)化等應(yīng)用程序。濾波器設(shè)計包含在 Toolbox 下的 Signal 中 I9I。該工具包是 TI 公司與 Mathmorks 公司共 同開發(fā)的產(chǎn)品，在 MATLAB/SIMULINK環(huán)境中嵌入了 eXpressDSP 工具箱，支持 C24X 及 C28X 系列的 DSP 處理器。用戶可以在 MATLAB 中調(diào)用這些圖形化的功能模塊及 S IMULINK 環(huán)境中的其他模塊建立數(shù)字信號處理的模型，并可以對模塊進(jìn)行仿真驗證，然后生成 DSP 的 C 語言代碼及 CCS 的工程項目文件，在 CCS 中修改、編譯后就可以下載到 DSP 目標(biāo)板中運行。輸出變元就是中心值歸一化為 1的窗函數(shù)序列 wd，它是列向量。用戶可以在計算機(jī)上得到相似的以不同顏色區(qū)分的圖形。窗函數(shù)類型可根據(jù)其阻帶最小衰減 As 的條件獨立選擇，因為其長度 N 對阻帶最小衰減沒有影響。窗函數(shù)類型確定后，其計算公式也確定了，不過這些公式是近似的，得出的長度還要在計算中逐步修正。在 N 和窗函數(shù)類型確定后即可用 MATLAB 中的窗函數(shù)求出 wd。如果給出待求濾波器的頻率響應(yīng)為 hd(e39。在一般情況下， hd(n)是不能用封閉公式表示的，需要采用數(shù)值方法，從 w=0 到 w=2pi采樣 N 點，靠 IDFT 求出。其他選頻濾波器特性都可以由低通特性合成。其子程序如下 : function hd=ideallp(wc, N)。 n=(0: (N1)]。%加一個小數(shù)以避免零作除數(shù) hd=si