DSP技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報告

1、DSP技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報告華北水利水電大學(xué)DSP技術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題目： 基于DSP的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 學(xué) 院：信息工程學(xué)院 專 業(yè)：電子信息工程 姓 名： 學(xué) 號： 201215523 目錄摘要3一、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)目的3二、FIR濾波器理論研究3三、 CCS完成的流程示意圖4四、 濾波器源程序：5五、通過,ATLAB設(shè)定濾波器參數(shù)5六、生成.dat文件輸入數(shù)據(jù)6七、CCS濾波器實(shí)現(xiàn)6八、擴(kuò)展語音信號濾波觀察8九、心得與體會8參考文獻(xiàn)：9摘要FIR數(shù)字濾波器以其良好的線性特性被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中，是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容之一。在實(shí)際信號處理中，往往要求系統(tǒng)兼具實(shí)時性和靈活性。使

2、用MATLAB實(shí)現(xiàn)FIR濾波器，既有很強(qiáng)的實(shí)時性，又兼顧了靈活性，為數(shù)字信號處理提供了一種很好的解決方案。論文借助MATLAB工具箱，選擇合適的窗函數(shù)，設(shè)計(jì)了兩種FIR數(shù)字濾波器，給出了實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)流程和一般步驟，并對其進(jìn)行了相關(guān)仿真分析，展望數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)的未來。關(guān)鍵字：FIR濾波器，MATLAB，CCS。正文一、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)目的1) 利用數(shù)字信號處理理論設(shè)計(jì)一個濾波器；2) 利用CCS實(shí)現(xiàn)濾波器；3) 通過實(shí)際信號作用，驗(yàn)證濾波器是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；通過CCS集成開發(fā)環(huán)境，源程序采用C語言或者匯編語言實(shí)現(xiàn)一個FFR濾波器，實(shí)現(xiàn)FIR運(yùn)算，結(jié)合數(shù)字信號處理理論知識，通過MATLAB設(shè)計(jì)一個

3、低通濾波器的所有參數(shù)，生成一個C的頭文件.h文件。并且通過MATLAB產(chǎn)生一個語音信號或者三個頻率不相同的正弦信號相疊加，生成一個.dat文件，輸入到CCS集成開發(fā)環(huán)境中，運(yùn)行程序，觀察信號輸入和輸出的波形圖和頻譜變換，通過觀察數(shù)值窗口，得到濾波之后的頻率同輸入進(jìn)行比較，得到FIR的濾波性能。二、FIR濾波器基本理論 （1）FIR濾波器的特點(diǎn) 數(shù)字濾波器的功能，就是把輸入序列通過一定的運(yùn)算變換成輸出序列。它的實(shí)現(xiàn)方法有很多，其中比較常用到的是無限長脈沖響應(yīng)濾波器 IIR和有限長脈沖響應(yīng)濾波器FIR兩種。 在計(jì)算量相等的情況下，IIR數(shù)字濾波器比FIR濾波器的幅頻特

4、性優(yōu)越，頻率選擇性也好。但是，它有著致命的缺點(diǎn)，其相位特性不好控制。它的相位特性) 是使頻率產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性的原因。但是在圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中都越來越多的要求信道具有線性的相位特性。在這方面 FIR濾波器具有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)h(n)長度為N，其系統(tǒng)函數(shù)H(z)為 H(z)是1-z的(N-1)次多項(xiàng)式，它在z平面上有(N-1)個零點(diǎn)，原點(diǎn)z=0是(N-1)階重極點(diǎn)。因此，H(z)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時，保證精確、嚴(yán)格的線性相位。  （2）FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)  數(shù)字濾波是將輸入的

5、信號序列，按規(guī)定的算法進(jìn)行處理，從而得到所期望的輸出序列，F(xiàn)IR濾波器的差分方程為：                      對上式進(jìn)行Z變換得到FIR濾波器的傳遞函數(shù)為：     由上式可以看出，H(z)是1-z的N-1次多項(xiàng)式，它在z平面內(nèi)有N-1個零點(diǎn)，同時在原點(diǎn)處有N-1個重極點(diǎn)。N階濾波器通常采用N個延遲單元、N個加

6、法器與N+1個乘法器，取圖中(a)、(b)兩種結(jié)構(gòu)。  圖 FIR濾波器的一般結(jié)構(gòu) 因?yàn)镕IR濾波器的單位抽樣響應(yīng)是有限長的，所以它永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的。另外，若對 h(n)提出一些約束條件，那么可以很容易地使 H(z)具有線性相位，這在信號處理的很多領(lǐng)域是非常重要的。FIR濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)，是要決定一個轉(zhuǎn)移函數(shù)H(z)，使它的頻率響應(yīng)滿足給定的要求。這里所說的要求，除了通帶頻率pw、阻帶頻率及兩個帶上的最大和最小衰減p¶和s¶外，很重要的一條是保證H(z)具有線性相位。 （3）Chebyshev逼近法 

7、;窗函數(shù)法和頻率采樣法設(shè)計(jì)出的濾波器的頻率特性都是在不同意義上對所給理想頻率特性()jwdeH的逼近。由數(shù)值逼近理論可知，對某個函數(shù)f(x)的逼近一般有以下三種方法： 插值法(Interpolating Way) 最小平方逼近法(Least Square Approaching Way) 一致逼近法(Consistent Approaching Way)切比雪夫最佳一致逼近的基本思想是，對于給定區(qū)間a，b上的連續(xù)函數(shù)()xf，在所有n次多項(xiàng)式的集合nj中，尋找一個多項(xiàng)式 p(x)，使它在a，b上

8、對()xf的偏差和其它一切屬于nj的多項(xiàng)式 p(x)對f(x)的偏差相比是最小的，即 切比雪夫逼近理論，這樣的多項(xiàng)式是存在的，且是唯一的，并指出了構(gòu)造這種最佳一致逼近多項(xiàng)式的方法，就是有名的“交錯點(diǎn)組定理”。三、 CCS完成的流程示意圖保存結(jié)果至輸出單元y輸入數(shù)據(jù).dat初始化DSP讀入數(shù)據(jù)存放至棧頂濾波處理結(jié)束是否濾波樣本點(diǎn)數(shù)（800）處理完？圖3-1 CCS完成濾波示意圖四、 濾波器源程序：13#include"stdio.h" #include"f100-500-20000.h" #define N 101 #define L

9、800 /信號長度 long y; /每次累加器的中間變量int inL; /輸入信號 int outL; /輸出信號void main() /主函數(shù)入口 int m,n; int *x; for(n=0;n<L-1;n+) /此處循環(huán)載入樣本點(diǎn) x=&inn; /指針指向載入樣本點(diǎn)地址 y=0; /每次執(zhí)行完將累加器置成0for(m=0;m<N-1;m+) /循環(huán)計(jì)算濾波 y+=Bm*(*(x+); outn=y; /輸出本次累加濾波結(jié)果 while(1); 輸入信號長度定義為800，濾波器階數(shù)為100；濾波即本質(zhì)上為相乘相加的關(guān)系。端口輸入為in，輸出為out，參數(shù)B為

10、數(shù)組。1同時需要.cmd文件進(jìn)行連接2。五、通過,ATLAB設(shè)定濾波器參數(shù)在MATLAB上打開示波器設(shè)計(jì)APP，選擇低通濾波器，窗函數(shù)，階數(shù)和C源程序設(shè)計(jì)的相同，設(shè)定為100，設(shè)定抽樣頻率為20000HZ，截至頻率為600HZ,抽樣頻率要大于兩倍的截止頻率即可。點(diǎn)擊生成為C語言的頭文件.h文件，生成的頭文件包含了示波器的所有參數(shù)，并且包含在源程序當(dāng)中，在CCS開發(fā)環(huán)境中就不需要添加.h文件了，只需要將.h文件同源程序文件放在一個文件夾下即可；設(shè)計(jì)的濾波器如圖所示：圖5-1 濾波器設(shè)置界面六、生成.dat文件輸入數(shù)據(jù)同樣通過MATLAB，產(chǎn)生三個正弦信號數(shù)據(jù)相疊加，原信號頻率為300HZ，第一個

11、高頻噪聲為3000HZ為正弦信號，第二個高頻噪聲為8000HZ的正弦信號，抽樣頻率為20000HZ，滿足信號最高頻率的兩倍以上。即：fs>2fh通過截止頻率為600的濾波器，濾除高頻噪聲，得到300HZ的原信號，抽樣點(diǎn)N為1000。生成的.dat文件如圖：3 圖6-1 生成.dat文件七、CCS濾波器實(shí)現(xiàn)1.將cmd連接文件，fir.c源文件，.lib庫文件添加到工程之中，重新編譯，得到。Out可執(zhí)行文件，將生成的.out文件加載到項(xiàng)目當(dāng)中，然后將外界的.dat文件load到CCS中，start address為in，長度為0x1fff，選擇加載類型為DATA。之后運(yùn)行程序，選擇view

12、，查看graphics，屬性修改如下：圖7-1 ccs圖形顯示屬性設(shè)置然后將輸入和輸出的時序圖和頻域圖都顯示如下，濾波之后同濾波之前比較：圖7-2 輸入輸出波形圖和頻譜圖分析：輸入的為300HZ的正弦信號和兩個高頻正弦噪聲信號，分別是3000HZ和8000HZ,通過一個截止頻率為500HZ的低通濾波器，輸出為一個頻率為300HZ的正弦信號，3000HZ和8000HZ濾除掉了。頻譜輸入為3個脈沖，濾波之后輸出為一個脈沖。對于原信號：signal=sin(2*pi*sl*n*T); sl=300; fs=20000; T=1/fs;時域周期為： T1=fs/s1=200/3=66.7s經(jīng)過濾波之后

13、取點(diǎn)（50，0）和（150，0）可得濾波之后的波形周期：1.5T2=150-50=100s 得到T2=66.7T1=T2，可判定濾波器濾波性能理想。 2.打開VIEW的watch window，添加in端口，添加out端口，如圖7-3所示：圖7-3 window輸出out端口地址和數(shù)據(jù)3.打開memory窗口out端口數(shù)據(jù)如圖7-4所示：圖7-4 memory輸出out端口地址和數(shù)據(jù)八、擴(kuò)展語音信號濾波觀察重新設(shè)計(jì)濾波器，通過輸入一個語音信號，測的其抽樣頻率為8192HZ，將MATLAB上也定義抽樣頻率為8192HZ，截至頻率為300，階數(shù)為100，將語音信號加噪聲生成.dat文件輸入到CCS

14、中，其濾波之后效果如下：圖8-1 語音信號濾波輸入與輸出九、心得與體會 這次設(shè)計(jì)FIR濾波器設(shè)計(jì)，讓我對數(shù)字信號和DSP技術(shù)和應(yīng)用有了更深的理解，C語言的編程也更加熟悉，而且對MATLAB也有了一定的認(rèn)識，更重要的是提高了我的學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力。與其他高級語言的程序設(shè)計(jì)相比，MATLAB環(huán)境下可以更方便、快捷地設(shè)計(jì)出具有嚴(yán)格線性相位的FIR濾波器，節(jié)省大量的編程時間，提高編程效率，且參數(shù)的修改也十分方便，還可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如何通過軟件來實(shí)現(xiàn)低通濾波器設(shè)計(jì)，而之前經(jīng)常用硬件來實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)的低通濾波器濾波單一，無法改變，硬件設(shè)計(jì)一旦錯了就會無法挽回和經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，結(jié)果又得

15、重新開始浪費(fèi)時間。而通過DSP的FIR低通濾波器可以改變設(shè)置的參數(shù)來改變?yōu)V波器的截止頻率，使得設(shè)計(jì)非常的靈活，方便且易于修改。而MATLAB在編程上更靈活，功能更強(qiáng)大。在FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)中，還可以通過軟件編程和硬件的結(jié)合，通過示波器來看到真實(shí)的低通濾波器的設(shè)計(jì)，因?yàn)檐浖€是一個虛擬的東西，最終的成品不僅僅在于軟件上，與實(shí)際的結(jié)合才是真正意義上的設(shè)計(jì)，通過本次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)數(shù)字濾波器方面的知識，在這次課程設(shè)計(jì)中雖然遇到了很多的困難，但是經(jīng)過一次又一次的查閱資料，一次一次的認(rèn)真思考，終于找出了原因，通過這次課程設(shè)計(jì)，了解知識還是需要通過實(shí)踐才能真正的掌握住精髓。通過這一周

16、的課程設(shè)計(jì)，從查找資料，題目選定，到最后的實(shí)踐成稿。正在這其中學(xué)到了很多的東西。既鞏固了在課堂上學(xué)習(xí)的知識，也在查找資料的過程中也學(xué)到了很多課本上沒有學(xué)習(xí)到的知識，可以說是收獲頗豐。通過這次課程設(shè)計(jì)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，從中提高而來自己獨(dú)立思考能力和實(shí)踐動手能力，從而不斷超越自己，學(xué)會了堅(jiān)持不懈，堅(jiān)持到底。參考文獻(xiàn)：1. 喬瑞萍, 崔濤, 張芳娟.TMS320C54x原理及應(yīng)用 M .西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2005.2. 周金治.基于 Matlab與 DSP的語音信號 FIR濾波 J .兵工自動化, 20053. 陳金鷹，DSP技術(shù)及應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，2004年4. 程佩青，數(shù)字信

17、號處理，M清華大學(xué)出版社，20035. 王先峰，石東，基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222附錄：CCS濾波源程序#include"stdio.h" #include"f100-500-20000.h" #define N 101 #define L 800 /信號長度 long y; /每次累加器的中間變量int inL; /輸入信號 int outL; /輸出信號void main() /主函數(shù)入口 int m,n; int *x; for(n=0;n<L-1;n+) /此處循環(huán)載入樣本點(diǎn)

18、x=&inn; /指針指向載入樣本點(diǎn)地址 y=0; /每次執(zhí)行完將累加器置成0for(m=0;m<N-1;m+) /循環(huán)計(jì)算濾波 y+=Bm*(*(x+); outn=y; /輸出本次累加濾波結(jié)果 while(1); Cmd連接文件-stack 0x2000 /* Primary stack size */-sysstack 0x1000 /* Secondary stack size */-heap 0x2000 /* Heap area size */-c /* Use C linking conventions: auto-init vars at runtime */-u

19、 _Reset /* Force load of reset interrupt handler */MEMORY PAGE 0: /* - Unified Program/Data Address Space - */ MMR (RWIX): origin = 0x000000, length = 0x0000c0 /* MMRs */ DARAM0 (RWIX): origin = 0x0000c0, length = 0x00ff40 /* 64Kb - MMRs */ SARAM0 (RWIX): origin = 0x010000, length = 0x010000 /* 64Kb

20、 */ SARAM1 (RWIX): origin = 0x020000, length = 0x020000 /* 128Kb */SARAM2 (RWIX): origin = 0x040000, length = 0x010000 /* 64Kb */ PDROM (RIX): origin = 0xff8000, length = 0x008000 /* 32Kb */ PAGE 2: /* - 64K-word I/O Address Space - */ IOPORT (RWI) : origin = 0x000000, length = 0x020000 /* SPECIFY T

21、HE SECTIONS ALLOCATION INTO MEMORY */SECTIONS .text >> SARAM1|SARAM2|SARAM0 /* Code */ /* Both stacks must be on same physical memory page */ .stack > DARAM0 /* Primary system stack */ .sysstack > DARAM0 /* Secondary system stack */ .bss >> DARAM0|SARAM0|SARAM1 /* Global & static vars */ .data >> DARAM0|SARAM0|SARAM1 /* Initialized vars */ .const >> DARAM0|SARAM0|SARAM1 /* Constant data */ .sysmem >> DARAM0|SARAM0|SARAM1 /* Dynamic memory (malloc) */ .switch > SAR