本科畢業論文__基于dsp的數字濾波器設計-資料下載頁

【導讀】制、儀表技術、信息家電等高科技領域得到了越來越廣泛的應用。同時DSP的出現和FPGA的迅速發。快速地實現各種數字信號處理算法。用DSP芯片實現FIR數字濾波器，不僅。修改濾波器參數，從而改變濾波器的特性，設計十分靈活。來實現了FIR數字濾波。

　　

【正文】 xx 大學學士學位論文 14 本章小結 本章主要介紹了 FIR 濾波器設計的理論基礎，分別介紹了 FIR 濾波器的定義與分類、 FIR 濾波器的幾種設計方法和實現方法，為后面 FIR 濾波器的設計奠定理論基礎。 xx 大學學士學位論文 15 第 3章 基于 MATLAB 的 FIR 濾波 器的設計 MATLAB 簡介 MATLAB 語言是當今國際上科學界最具影響力、也是最有活力的軟件之一。它起源于矩陣運算，并己經發展成一種高度集成的計算機語言。它提供了強大的科學運算、靈活的程序設計流程、高質量的圖形可視化與界面設計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。 MATLAB 語言在教學及科學研究起著重大的作用。 MATLAB 語言由美國 The MathWorks 開發 [10]， 20xx 年推出了其全新的 正式版。 20xx 年 9 月正式推出 Release 14()的ServicePack 1。 MATLAB 語言中提供了數字信號處理工具箱，使數字信號處理較以前更簡潔方便且效果更好。在 MATLAB 中提供了一些濾波器的函數，使 FIR 濾波器的運算更加方便和快速。在 MATLAB 中提供的濾波函數有 1()fir ，此函數以經典的方法實現加窗線性相位 FIR 數字濾波器設計，可以設計出低通、高通、帶通和帶阻濾波器 ； 2()fir 函數設計的 FIR 濾波器，其濾波器的頻率特性由矢量 f和 m 決定， f ， m 分別為濾波器的期望幅頻響應的頻率相量和幅值相量。1()firs 和 ()remez 的基本格式用于設計 I 型和 Ⅱ 型線性相立 FIR 濾波器，是偶對稱濾波器， I 型和 Ⅱ 型的區別在于濾波器的階數是偶數還是奇數。 cos()firr 用于設 計具有光滑，正弦過渡帶的低通線性相位濾波器。 ()filter 用于實現 IIR 和FIR 濾波器對數據的濾波，常用來計算濾波器對輸入配響應。 ()ftfilt 利用效率高灼基于 FFT 重疊相加算法實現對數據濾波，該函數只適用 FIR 濾波器。 ()freqz用于求數字濾波器的頻率響應。并且提供了各種窗函數的函數，比如，hamming 是海明窗函數， ()kaiser 是凱塞窗函數， 使在設計的過程中，不用自己重新設計窗函數 [11][13][17]。 新版本的 MATLAB 軟件 ()己經集成了 TI 公司的 C20xx，C5000， C6000 系列 DSP 的開發工具包，可在 MATLAB/SIMULINK 環境中用圖形化的方式進行 DSP 的設計和仿真驗證，并能將設計的圖形文件 .mdl 直接轉換成 C 語言程序，其中 C20xx 系列的開發工具是 Embedded Target for TI C20xx DSP 。該工具包是 TI 公司與 Mathmorks 公司共同開發的產品，在MATLAB/SIMULINK 環 境中嵌入了 eXpressDSP 工具箱，支持 C24X 及 C28X系列的 DSP 處理器。在 C24X 系列 DSP 工具箱中包含了 DSP 處理器中的模 /數轉換 ADC， CAN 發送及接收、 PWM 控制等模塊。用戶可以在 MATLAB 中調用這些圖形化的功能模塊及 SIMLTLINK 環境中的其他模塊建立數字信號處理的模型，并可以對模塊進行仿真驗證，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 目標板中運行 [12]。 xx 大學學士學位論文 16 MATLAB 提供了相應的子程序來實現窗函數，例如： wd=boxcar(N) % 數組 wd 中返回 N 點矩形窗函數 wd=triang(N) % 數組 wd 中返回 N 點三角窗函數 wd=hanning(N) % 數組 wd 中返回 N 點漢寧窗函數 wd=hamming(N) % 數組 wd 中返回 N 點哈明窗函數 wd=Blackman(N) % 數組 wd 中返回 N 點布萊克曼窗函數 wd=kaiser(N， beta) % 數組 wd 中返回給定 beta 值時 N 點凱澤窗函數 這些函數的輸入一般只要窗函數的長度 N 就夠了，只有凱澤窗還需要規定beta 值。輸出單元就是中心值歸一化為 1 的窗函數序列 wd，它是列向量 。MATLAB 是用顏色區分并標注各條曲線的，在黑白印刷時無法表示。用戶可以在計算機上得到相似的以不同顏色區分的圖形 [13][16][18]。 基于 MATLAB 的 FIR 濾波器的設計 前文中已簡要介紹了 MATLAB 軟件，及其 FIR 數字濾波器的設計方法，在本小節中將使用 MATLAB 來進行 FIR 數字濾波器的設計。 MATLAB 中的 fdatool 工具集成了數字濾波器的各種設 計方法，簡化了設計過程。本文利用 MATLAB 中的 fdatool工具設計一個 fir 數字低通濾波器。 設計要求 以下列輸入信號為例 ： 1 2 3( ) sin 2 sin 2 ( 2) c os 2 ( 2)x n f n f n f n? ? ?? ? ? ? ? 1 hz? ； 2 hz? ； 3 hz? ； 設計一個 fir 數字低通濾波器，濾除 2f 和 3f 的信號成分。 濾波器指標 根據采樣定律，采樣頻率 sf 應大于或等于所有信號頻率成分中，最大頻率的兩倍。取采樣頻率 1sf hz? 。所設計 FIR 數字濾波器的邊界頻率應滿足 ：12pass stopf f f f? ? ?， 取通帶截止頻率 ? ，阻帶截止頻率 ? 。 設計過程 MATLAB 集成了一套功能強大的濾波器設計 工具 fdatool， 可以完成多種濾波器的設計、分析和性能評估 [11][14][15]。 1．啟動 fdatool 打開的 fdatool界面，如 31 圖所示： 2．濾波器設計 濾波器類型 (Filter type) 包括 ： 低通 (Lowpass)、高通 (Highpass)、帶通 (Bandpass)和帶阻 (Bandstop)。選為低通 (Lowpass)。 設計方法 (Design Method) xx 大學學士學位論文 17 FIR 濾波器包括 ： 等紋波法 (Equiripple)、最小乘方法 (LeastSquares)和窗函數法 (Window)等。選為窗函數法 (Window)，采用凱塞 (kaiser)窗函數設計濾波器。 濾波器階數 (Filter Order) 包括 ： 指定階峰 (Specify Order)和最小階數 (Minimum Order)。 在 Specify Order 中填入濾波器的階數，要注意的是，這里填入的階數應該是所要設計的濾波器階數減 1。例如設計一個 66 階濾波器，這里應該填入 65。 如果選擇 Minimum Order，則 MATLAB 會根據前面所選擇的濾波器類型自動使用最小階數。選為最小階數 (Minimum Order)[11][19]。 性能指標 采樣頻率 fs=lhz； 通帶截止頻率 fpass=； 阻帶截止頻率 fstop=； 通帶衰減 Apass=ldB； 阻帶衰減 Astop=40dB。 設計界面如圖 32 所示： 圖 31 fdatool 界面 xx 大學學士學位論文 18 圖 32 Design filter 界面 設計結果 由 Targets 菜單下的 Generate c header 導出的內容，可得到 ()hn 的系數，并將系數保存在 文件下，以下是導出的內容： /* * DiscreteTime FIR Filter (real) * * Filter Structure : DirectForm FIR * Filter Length : 33 * Stable : Yes * Linear Phase : Yes (Type 1) */ /* General type conversion for MATLAB generated Ccode */ include /* * Expected path to * D:\matlab\extern\include\ */ xx 大學學士學位論文 19 const int BL = 33。 const real64_T B[33] = { , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , }； 所設計的 FIR 數字濾波器如下 ： h[0]=h[32]= h[1]=h[31]= h[2]=h[30]= h[3]=h[29]= h[4]=h[28]= h[5]=h[27]= h[6]=h[26]= h[7]=h[25]= h[8]=h[24]= h[9]=h[23]= h[10]=h[22]= h[11]=h[21]= h[12]=h[20]= h[13]=h[19]= h[14]=h[18]= h[15]=h[17]= h[16]= 所設計的 FIR 低通濾波器的幅頻響應和相頻響應如圖 33 所示。 xx 大學學士學位論文 20 圖 33（ a） 量化前的 FIR 濾波器的幅頻特性曲線 圖 33（ b） 量化前的 FIR 濾波器的相頻特性曲線 FIR 濾波器的 MATLAB 仿真 為了驗證所設計的濾波器是否滿足要求，用 MATLAB 進行仿真。 FIR 低通濾波器的仿真程序如下 (文件名為 )： f1=。 f2=。 f3=。 T=1。 %采樣間隔 n=0:T:400。 %采樣間隔 T=1； 采樣頻率 fs=1/T=1 fs=1/T。 kf=fs/2。 %采樣頻率的一半。用于設計指標歸一化 x=sin(2*pi*f1*n)+sin(2*pi*f2*(n2))cos(2*pi*f3*(n+2))。 %產生輸入信號 Xk=fft(x)。 %輸入信號的頻譜分析 hn=[, , ,... , , ,... xx 大學學士學位論文 21 , , ,... , , ,... , , ,... , , ,... , , ,... , , ,... , , ,... , , ,... , , ] y=filter(hn,1,x)。 Yk=fft(y)。 subplot(2,1,1)。 plot(n,abs(Xk))。 subplot(2,1,2)。 plot(n,abs(Yk))。 在 MATLAB 環境下運行 ，可得 34 圖。 0 50 100 150 200 250 300 350 4000501001502000 50 100 150 200 250 300 350 400050100150200 圖 34 FIR 濾波器的仿真結果 圖 34 的上圖為輸入信號的頻譜圖，包括 fl、 f f3 三個頻率成分，下圖是輸出信號的頻譜圖，只剩下了 f1 的頻率成分。從上下兩圖中可以看出，經過濾波后輸入信號的兩個高頻成分 f f3 被濾除，說明所設計的濾波器滿足要求。 xx 大學學士學位論文 22 本章小結 本章介紹了 MATLAB 軟件，及其 FIR 數字濾波器的設計方法， 并 使用MATLAB 進行 FIR 數字濾波器的設計 和仿真 。 xx 大學學士學位論文 23 第 4章 數字濾波器的 DSP 實現 數字信號處理器 (Digital Signal Processor)是一種適合對數字信號進行高速實時處理的專用處理器，其主要用來實時快速地實現各種數字信號處理算法。在