iir數字濾波器及其設計方法論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 就可得到濾波輸出結果。流水線處理是高速設計中的一個常用設計手段，在數字電路設計中可以提高系統的工作時鐘頻率。全并行實現方法可以利用流水線技術，將復雜的數字邏輯電路分級實現。這樣，每一級的電路結構得到簡化，從而減少輸入到輸出間的電路延時，在較小的時鐘周期內就能夠完成這一級的電路功能。在下一個時鐘周期到來的時候，將前一級的結果鎖存為該級電路的輸入，這樣逐級鎖存，由最后一級完成最終結果的輸出。 目前IIR濾波器的實現方法有:單片機、FPGA、DSP、。 一般情況下，數字濾波器是一個線性時不變離散時間系統，利用有限精度算法來實現。數字濾波器的設計一般包括:(l) 按照任務的要求，確定濾波器的性能要求。(2) 用一個因果穩定的離散線性時不變系統的系統函數去逼近這一性能要求。系統函數有無限長單位沖激響應(IIR)系統函數及有限長單位沖激響應(FIR)系統函數兩種。(3) 利用有限精度算法來實現這個系統函數。這里包括選擇運算結構、選擇合適的字長(包括系數量化及輸入變量、中間變量和輸出變量的量化)以及有效數字的處理方法(舍入、截尾)等。(4) 實際的技術實現，包括采用通用計算機軟件或專用數字濾波器硬件來實現，或采用專用的或通用數字信號處理器來實現。本論文所討論的濾波器的實現，是先根據濾波器的性能指標，利用Matlab軟件進行數學建模，得到濾波器的系統函數，然后利用DSP來實現。第三章 基于F280XDSP的IIR算法實現 DSP介紹數字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執行轉換或提取信息，來處理現實信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里，數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP的特性有以下幾項：（1） 量化噪聲( Quantization No ise)：當我們以有限的位( b it)表示模擬對數字的轉換值時, 無法用最低有效位( Least S ignificant)表示最小值, 這種現象稱為量化噪聲。對于一個n位的A /D 轉換器使用V 伏特的供應電壓(通常可以是+ 5V ) , 則以下公式可表示量化噪聲。 量化噪聲=v/2^N(2) 線性系統( Linear System): 線性系統必須遵守重疊原理, 如下式所示, 即輸入為一組信號的和,則其輸出為個別輸入所產生的和。當我們把一個包含很多各頻率的復雜信號放入線性系統中, 則其輸出為個別頻率所產生的輸出的和。 F[ a1x1 ( n) + a2 x2 ( n) ] = a1F [ x1 ( n) ] + a2F[ x2 ( n) ] = a1 y1 ( n) + a2 y2 ( n)(3) 非時變系統( T ime invariant): 一個非時變系統如下式, 指的是系統性質不會隨時間而改變。很多系統在分析時都是使用線性時不變( LT I, L inear T ime Invariant System)。系統可以被分為很多子系統, 也就是將原來的系統分成很多個相互串聯的子系統而不會影響原來系統的特性。(4)因果系統( Causal System): 一個因果系統, 其輸出只與目前及之前的輸入有關。一個穩定系統( Stab le System)對有限輸入會產生有限的輸出。假如一個系統的輸入是x( n)時, 輸出為y( n) , 當輸入為y( n)時, 其輸出為x( n), 則這個系統具有可逆性。(DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點： 　　（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法； 　　（2）程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據； 　　（3）片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問； 　　（4）具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持； 　　（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； 　　（6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器； 　　（7）可以并行執行多個操作； （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。由于IIR數字濾波器具有結構簡單、占用存儲空間少、運算速度度快、較高的計算精度和能夠用較低的階數實現較好的選頻特性等特點,得到了廣泛應用。DSP芯片有適合于數字信號處理的軟件資源和硬件資源,是實現數字信號處理的重要途徑。 F280xDSP芯片 TMS320F28xx 和 TMS320F28xxx 是 C2000? DSP 系列的成員，主要用來嵌入式控制應用。一個典型的基于C2000芯片控制或者是數據獲取系統如下圖所示，通常是交流電來供電，然而，也可以采用電池供電。具有代表性的是數字信號控制器被周圍的電源管理電路、時鐘產生/復位、信號條件電路（對于利用選擇型的模擬輸入）、利用寬的脈沖調制器進行控制輸出的驅動電路、用戶界面、串口收發器、外部存貯器、或者其它并行接口訪問外部或者是通過I2C總線電路控制串口Flash和其它的支持電路包圍著。典型的TMS320F28xx/F28xxx系統 DSP F280x芯片的IIR濾波器實現 DSP系統的構成DSP系統的輸入信號多種多樣，但一般都要轉換為模擬信號，經過抗混疊濾波后由模數轉換芯片將模擬信號變換為數字信號。然后，DSP根據實際需要對其進行相應的處理，如FFT、卷積等；處理后的數字信號再由數模轉換芯片將其轉換為模擬值，在對其進行平滑濾波后最終輸出模擬信號。需要說明的是，對輸入模擬信號的采樣頻率要大于其本身頻率的兩倍，因為根據奈奎斯特(Nyquist)采樣定律，只有采樣頻率至少為輸入信號頻率的兩倍時輸入信號的信息才保證不會丟失。DSP系統可以是硬件或是軟硬件結合的系統, 用來對數字輸入序列x( n)執行特定的算法, 以便產生數字輸出序列y( n)。以這個結構方塊來講, 任何采樣時刻的目前輸出值, 不只是目前以及前輸入采樣值的函數, 也是以前輸出采樣值的函數。雖然處理算法可以是線性或非線性的, 但大多數的DSP應用還是以線性處理為主。一下為DSP通用結構圖： DSP系統的開發工具 CCS，即Code Composer Studio，是TI公司在1999年推出的一個開放、具有強大集成開發環境。它最初是由GO DSP公司為TI的C6000系列DSP開發的。在TI收購了GO DSP后，將CCS擴展到了其他系列。現在所有TI的DSP都可以使用CCS進行開發，但是其中的DSPBIOS功能只有C5000和C6000的CCS中才提供。以前的DSP軟件開發都是在一個分散的開發環境下進行，程序的編寫、代碼的生成以及調試等都是要通過命令來完成，類似于以前的DOS，十分煩雜。而CCS的出現是DSP開發軟件的一次革命性的變化。CCS主要由代碼生成工具、CCS集成開發環境、DSPBIOS和API函數以及RTDX組成。 IIR數字濾波器在DSP上的實現方法及實現過程(1)根據指標確定濾波器的類型，設計出濾波器的參數；(2)根據DSP的特點(字長、精度等)對參數進行取舍、量化，然后進行仿真；(3)根據仿真結果對