基于matlab的iir數(shù)字濾波器的設(shè)計與dsp實現(xiàn)畢業(yè)論文-資料下載頁

【導讀】是基于濾波器而進行的。但是，傳統(tǒng)數(shù)字濾波器的設(shè)計使用繁瑣的公式計算，改變參數(shù)后需。要重新計算，從而在設(shè)計濾波器尤其是高階濾波器時工作量很大。利用MATLAB信號處理箱。用MATLAB軟件進行IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計并進行仿真，這使得濾波器的設(shè)計更加快速和有效。極其重要的學科。數(shù)字信號處理在通信,語音,圖像,自動控制,雷達,軍事,航空。航天,醫(yī)療和家用電器等很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。計算機領(lǐng)域,還逐漸滲透到其他科學研究領(lǐng)域。DSP應(yīng)用得到普遍重視。數(shù)字信號處理器由于。[18]采用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)更是當前的發(fā)展趨勢。數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇特性的數(shù)字信號處理裝置,其輸入、輸出均為數(shù)字信號，分量通過,抑制無用的信號分量輸出。定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。分別發(fā)明了LC濾波器，次年導致了美國第一個多路復用系統(tǒng)的出現(xiàn)。經(jīng)典設(shè)計法、直接設(shè)計法和最大平滑濾波器設(shè)計法。FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是

　　

【正文】 所設(shè)計的濾波器滿足了設(shè)計要求 ，濾除了 1600Hz和 1800Hz 的干擾信號，濾波后的信號基本完全接近 正弦信號。 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 在上述的 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計和仿真過程中，我發(fā)現(xiàn)使用 MATLAB 工具箱設(shè)計數(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)計的完成的同時進行仿真，這給設(shè)計帶來了更大的方便。 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 4 IIR 濾波器在 DSP 上的實現(xiàn) IIR 數(shù)字濾波器 在 DSP 上的實現(xiàn)步驟和條件 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 上的設(shè)計過程如下： (1)根據(jù)指標確定濾波器的類型，設(shè)計出濾波器的參數(shù)； (2)根據(jù) DSP 的特點（字長、精度等）對參數(shù)進行取舍、量化，然后進行仿真； (3)根據(jù)仿真結(jié)果對濾波器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)再次進行調(diào)整 ,直到滿足要求為止； (4)在 DSP 上用語言實現(xiàn)濾波器功能。 定點 DSP 芯片，既可以做定點運算，也可以做浮點運算。一個算法，既可以用匯編語言編程實現(xiàn)，也可以用高級語言（ C， C++）實現(xiàn)。而一個 IIR 數(shù)字濾波器是否可以在 DSP 上 實現(xiàn)，最終要看此算法是否滿足兩個條件：執(zhí)行時間和精度。一個算法的精度再高，如果做不到實時，也沒有實用價值；相反，如果執(zhí)行時間很快，但精度滿足不了要求，也就無從實現(xiàn)濾波功能。 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實現(xiàn)思路，應(yīng)該是在滿足上面兩個條件的前提下，找到盡可能簡易的實現(xiàn)方法。 IIR 數(shù)字濾波器在 TMS320VC5416 DSP 上的實現(xiàn)過程 借助于計算機強大的仿真功能，在 MATLAB環(huán)境下設(shè)計一個 IIR數(shù)字濾波器變得十分容易。但是要在 DSP 上實現(xiàn) 此濾波器 功能， 則需要對濾波器的結(jié)構(gòu) 、系數(shù) 等 參數(shù)進行改進。 下面 以一個低通 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 芯片 TMS320VC5416 上的實現(xiàn)為例，敘述其實現(xiàn)過程。 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 DSP，最高運算速度可達 160MIPS，內(nèi)帶 256KB的 RAM，有 128KB 的數(shù)據(jù)空間，最大程序容量高達 16MB，有 3 個 McBSP 和 6 個 DMA 通道并且支持外部 DMA， 內(nèi)核電壓低至 。其 CPU 由于運算速度快、內(nèi)部資源充足、接口靈活、功耗低，非常適合做復雜算法運算。 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。 采用 butterworth模型設(shè)計時階數(shù)為 3 階 。從理論上說，可以用高階 IIR 數(shù)字濾波器實現(xiàn)良好的濾波效果。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)范圍大。 這樣導致算法無法在 DSP 上實現(xiàn)。 解決此問題的有效方法是把高階 IIR 數(shù)字濾波器簡化成幾個 2 階濾波器來設(shè)計，即采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)。 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 TMS320VC5416 是 16位 DSP。在 CCS 下，它的浮點數(shù)格式占用兩個字，即 CCS的數(shù)據(jù)輸入輸出功能和 RTDX 功能，可以隨時觀察 DSP 結(jié)果和理論仿真結(jié)果之間的差異，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的溢出和計算誤差。 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計 在 DSP 進行數(shù)字濾波運算前 必須進行一些初始化程序。 在本系統(tǒng)中初始化程序主要 包括：DSP 芯片的初始化 、 矢量表初始和兩個串行端口的初始化。 DSP5416 共有三個控制和狀態(tài)寄存器，對 CPU 的控制是通過 CPU 狀態(tài)和控制寄存器來完成的。分別為狀態(tài)寄存器 0（ ST0）、狀態(tài)寄 存器 1(ST1)和處理器模式狀態(tài)寄存器（ PMST）。 DSP不同條件 和模式下的 狀態(tài) 都包含 ST0 和 ST1； PMST 包含存儲器設(shè)置狀態(tài)和控制信息。 由于這些寄存器是存儲器映像， 所以 像對 數(shù)據(jù)存儲器操作那樣對它們進行讀出和寫入 。在調(diào)用子程序或中斷 服務(wù)子程序時 ， 可以將它們保存下來，返回時再恢復。 DSP芯片的初始化是設(shè)定 DSP芯片工作狀態(tài)的重要步驟，只 有正確 進行 DSP芯片 的初始化，才能保證芯片的正確運行。 在調(diào)試軟件的過程中， 如果發(fā)現(xiàn)程序運行不正確，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 ，否則就會降低調(diào)試效率。TMS320VC5416 芯片 加點復位之后處于 預先設(shè)定狀態(tài)，無論是狀態(tài)寄存器還是控制寄存器都有一個確定 的數(shù)值。 對寄存器進行初始化主要包括：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 和時鐘模式寄存器 CLKMD。 中斷矢量表是每個 DSP 系統(tǒng)必須用到的，對中斷矢量表進行初始化是 DSP 初始化的一個重要的組成部分，正確設(shè)置中斷矢量包括 : (l) 根據(jù) DSP 芯片對各中斷矢量的設(shè)置位置編寫一個子程序。在 TMS32OVC5402 中，要求每個中斷矢量占 4 個字，如果跳轉(zhuǎn)指令不夠 4 個字，可用 NOP 指令填充，每個 NOP 占一 個字； (2) 設(shè)置 PMST 控制寄存器。該寄存器的高 9 位是 IPTR，用于設(shè)置矢量 表的起始地址； (3) 連接時將矢量表重定位到 IPTR 指定的地址。 TMS32V0C5416 芯片包含兩個多通道緩沖串行口，在本系統(tǒng)的設(shè)計中兩個串行口分別接 DA 和 AD 芯片。 McBSP 通過一系列存儲器映射控制寄存器來進行配置和操作。為了是 McBSP 接口工作在所希望的模式下，必須在初始化時多相關(guān)寄存器進行正確的配置。 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 數(shù)字濾波器 程 序設(shè)計流程 程序流程圖如圖 41所示。 采用間接尋址指向數(shù)據(jù)存儲單元 , 主要指令為加法、乘法和循環(huán)實現(xiàn) , 這些都可以通過 MAC 等指令直接實現(xiàn)。需注意的是要對乘法運算結(jié)果進行溢出保護。另外 , 因為主程序框架采用 C 結(jié)構(gòu) , 所以要注意不同環(huán)境下尋址方式的區(qū)別 , 當從 C 環(huán)境進入直接尋址時 , 要先確定 DP 值 ,以免帶來不確定的計算結(jié)果。數(shù)據(jù)采集時要先通過 DSP的 DMA 功能將輸入數(shù)據(jù)保存在外部 SRAM 中 , 采樣結(jié)束后再將要濾波的數(shù)據(jù)通過 DMA 載入內(nèi)部 RAM 中 , 從而提高處理速度。考慮到 IIR 數(shù)字濾 波器的運算特點 ,某一時刻的輸入數(shù)據(jù)參加一次運算后不再參與下次運算 , 只有各級濾波器輸出結(jié)果需要參與多次運算 , 因此濾波結(jié)果和輸入數(shù)據(jù)可以共用同一存儲地址 , 從而節(jié)省存儲空間。 除此之處，還要注意以下問題： (1) IIR數(shù)字濾波器是針對采樣率固定的系統(tǒng)設(shè)計的，更改系統(tǒng)或系統(tǒng)采樣率改變時應(yīng)重新設(shè)計。 (2) 用到的數(shù)據(jù)存儲單元，程序開始時應(yīng)對這些單元進行初始化。如果要進行連續(xù)濾波，應(yīng)保存上一次濾波的結(jié)果。 (3) IIR數(shù)字濾波器的濾波結(jié)果會引起相位的延遲，故對相位嚴格要求的場合，需加全通網(wǎng)絡(luò) 進行較正，或選用 FIR濾波器實現(xiàn)濾波功能。 在 CCS軟件環(huán)境下編寫實現(xiàn) IIR濾波器 的程序 命名為 “ ” （見附錄一）和鏈接命令文件“ ”（見附錄二）。 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 開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)計子程序完成濾波器a和 b參 數(shù)設(shè)計調(diào)用濾波器濾波子程序?qū)斎胄盘栄h(huán)執(zhí)行濾波結(jié)束 圖 41 程序設(shè)計流程圖 IIR 數(shù)字濾波器在 DSP 上的實現(xiàn) 圖 42 為 IIR 濾波器 實現(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。 DSP 送給 A/D 抽樣時鐘，對輸入的模擬信 號抽樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號，然后由 CPLD 提供時序，讀取每次的抽樣信號，送到 DSP 中進行實時處理，最后仍由按照 CPLD 提供的時序?qū)⑦\算結(jié)果送到 D/A 中 ，由 D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號。 圖 42 IIR 濾波器實現(xiàn)的電路方框圖 采用兩路正弦波信號的混疊信號作為輸入信號 ；低頻正弦波信號：幅度 5V，頻率CPLDD S PTMS320C5416A/DE 2 PROMD/AROM 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 20KHz；高頻正弦波信號：幅度 ，頻率 70KHz。 在 環(huán)境下，加載 “ ” ，在中程序 flag=0 處設(shè)置斷點，單擊“ Run”運行程序，程序?qū)?運行至斷點處停止。 用 View/Graph/Time/Frequency 打開一個圖形觀察窗口 （如圖 43 所示） ；采用雙綜觀察在起始地址分別為 x 和 y，長度為 256 的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為 32 位浮點型變量，這兩個數(shù)組分別存放的是經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換的混疊信號和對該信號進行 IIR 低通濾波后的輸出信號（如圖 44 所示） 。 圖 43 圖形編輯窗口 圖 44 濾波前 、 后 信號的波形 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 5 總結(jié) 通過對數(shù)字濾波器的理論研究、 MATLAB 軟件在數(shù)字信號處理的研究、對 DSP 技術(shù)的學習和研 究，本課題最終 完成的主要成果具體如下： 研究了數(shù)字濾波器的 理論知識， 為系統(tǒng)整體設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ) 。 經(jīng)過長時間摸索學會了 MATLAB 軟件在數(shù)字信號處理，尤其是 IIR 數(shù)字濾波器處理中的應(yīng)用，并利用所學完成了一個低通 IIR 數(shù)字濾波器和一個帶通 IIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計和仿真。 研究了 TI 公司 TMS320VC5416 數(shù)字信號處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及片上資源， 以及 TI 公司DSP 系統(tǒng)開發(fā)工具的應(yīng)用，結(jié)合平時積累的 系統(tǒng)程序 調(diào)試經(jīng)驗，利用實驗室的現(xiàn)有資源對 一個IIR 低通濾波器 的設(shè)計實例 進行了長時間的調(diào)試 ，使得軟件程序能在硬件平臺上得以穩(wěn)定的運行。 由于本人的時間和能力有限，文中難免有不足之處，誠懇希望各位老師 批評指正。 長春工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 參考文獻 [1] 王世一 ，數(shù) 字信號處理 ,北京： 北京理工大學出版社 ， 1997 年 12 月第二版 [2] 丁玉美，高西全 ，數(shù)字信號處理，西安：西安電子科技大學出版社， [3] 汪安民，《 TMS320C54XX DSP 實用技術(shù)》， 北京： 清華大學出版社， [4] 程佩青，《數(shù)字信號處理教程》， 北京： 清華大學出版社， [5] 胡廣書，數(shù)字信號處理、理 論、算法與實現(xiàn)，北京：清華大學出版社， 1997 [6] 蔣志凱，數(shù)字濾波器與卡爾曼濾波，北京 ： 中國科學技術(shù)出版社， 1993 [7] 樓順天，李博菡，基于 MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計 信號處理，西安：西安電子科技大學出版社， 1998 [8] 李海濤，鄧櫻， MATLAB 程序設(shè)計課程，北京： 高等教育出版社， [9] 郭仕劍，王寶順，賀志國，楊可心等， 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