(完整版)基于DSP的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

1、2.1 系統(tǒng)功能介紹一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，總存在各種干擾。數(shù)字濾波器在語音信號處理、信號頻譜估計(jì)、信號去噪、無線通信中的數(shù)字變頻以及圖像信號等各種信號處理中都有廣泛的應(yīng)用，數(shù)字濾波器也是使用最為廣泛的信號處理算法之一。在本設(shè)計(jì)中，使用MATLAB模擬產(chǎn)生合成信號，然后利用CCS進(jìn)行濾波。設(shè)定模擬信號的采樣頻率為48000Hz,。設(shè)計(jì)一個(gè)FIR低通濾波器，其參數(shù)為：濾波器名稱：FIR低通濾波器采樣頻率：Fs=48000Hz通帶截止頻率：15000Hz阻帶截止頻率：16000Hz通帶最大衰減：0.1dB阻帶最少衰減：80dB濾波器系數(shù)：由MATLAB根據(jù)前述參數(shù)求得。2.2 總體設(shè)計(jì)方案流程圖圖

2、1 總體設(shè)計(jì)方案13.1 濾波器原理對于一個(gè)FIR濾波器系統(tǒng)，它的沖擊響應(yīng)總是又限長的，其系統(tǒng)函數(shù)可記為:H(z)=h(n)z-n其中N-1是FIR的濾波器的階數(shù),z-n為延時(shí)結(jié)，h(n)為端口信號函數(shù)。最基本的FIR濾波器可用下式表示：y(n)=h(k)x(n-k)其中 x(n-k)輸入采樣序列，h(k)是濾波器系數(shù)，N是濾波器的階數(shù) Y(n)表示濾波器的輸出序列，也可以用卷積來表示輸出序列 y(n)與x(n)、h(n)的關(guān)系，如y(n)=x(n)*h(n)3.2 操作步驟(1) 打開FDATOOL，根據(jù)濾波要求設(shè)置濾波器類型、通帶截止頻率、指定階數(shù)、采樣頻率等。指定完設(shè)計(jì)參數(shù)后單擊按鈕De

3、signFilter，生成濾波器系數(shù)。(2) 把 生 成 的 濾 波 器 系 數(shù) 傳 到 目 標(biāo)DSP。 選 擇 菜 單Targets-ExporttoCodeComposerStudio(tm)IDE,打開ExporttoCHeaderFile對話框，選擇Cheaderfile，指定變量名(濾波器階數(shù)和系數(shù)向量)，輸出數(shù)據(jù)類型可選浮點(diǎn)型或32b，16b整型等，根據(jù)自己安裝選擇目標(biāo)板板號和處理器號，單擊OK,保存該頭文件，需指定文件名(filtercoeff.h)和路徑(保存在c：timyprojectsfir工程中)。(3) 修改CCS匯編程序，刪掉數(shù)據(jù)前的所有文字，在開頭加上.data，第

4、二行加coeff.word,在每行的前面加上.word，比且把每行的最后的逗號去掉。(4) 編譯匯編程序，如果有錯(cuò)誤，按錯(cuò)誤進(jìn)行修改；沒錯(cuò)誤，則往下執(zhí)行。(5) 加載初始化DATA數(shù)據(jù)。運(yùn)行程序，查看輸入輸出波形，修改相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試主要內(nèi)容和步驟下：2第 4 章詳細(xì)設(shè)計(jì)在本實(shí)驗(yàn)中使用MATLAB模擬產(chǎn)生信號， 觀察濾波前的時(shí)域波形和頻域波形。MATLAB仿真后，使用得到的濾波器參數(shù)，進(jìn)行DSP編程，在DSP中實(shí)現(xiàn)帶通濾波，并使用CCS的頻譜分析功能，查看DSP的濾波效果。MATLAB程序流程圖如圖4.1所示圖 4.1MATLAB 程序流程圖CCS匯編程序流程圖如圖4.2所示圖 4.2CCS

5、匯編程序流程圖第 5 章實(shí)驗(yàn)過程35.1 匯編語言實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容MATLAB輔助DSP實(shí)現(xiàn)FIR，其總體過程為在DSP中編寫處理程序，在MATLAB中利用濾波器設(shè)計(jì)、分析工具（FDATOOL），根據(jù)指定的濾波器性能快速設(shè)計(jì)一個(gè)FIR，然后把濾波器系數(shù)以頭文件形式導(dǎo)入CCS中，頭文件中MATLAB輔助DSP實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器含濾波器階數(shù)和系數(shù)數(shù)組， 在MATLAB中調(diào)試、運(yùn)行DSP程序并顯示、分析處理后的數(shù)據(jù)。使用該方法，便于采用匯編語言來實(shí)現(xiàn)程序。頭文件名不變，當(dāng)MATLAB中設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)改變時(shí)，相應(yīng)頭文件中系數(shù)也改變，方便了程序調(diào)試、仿真。（1） 在MATLAB中先編寫程序， 查看待濾

6、波和已濾波的信號的時(shí)域和頻域波形，如圖5.1和圖5.2所示。圖 5.1 待濾波信號的時(shí)域圖圖 5.2 待濾波信號的頻域圖利用FDATOOL設(shè)計(jì)FIR濾波器的參數(shù)，操作步驟如圖5.3所示。4打開Export，把Numerator改為B,如圖5.4所示。1X1LJ圖 5.4Export 設(shè)置已濾波的信號的時(shí)域和頻域波形，如圖5.5和圖5.6所示圖 5.3FIR 濾波器的參數(shù)5圖 5.5 已濾波信號時(shí)域波形圖圖 5.6 已濾波信號頻域波形圖MATLAB濾波器設(shè)計(jì)工具在完成FIR設(shè)計(jì)后，如圖5.7所示，在Exportas中選擇16bit符號整數(shù)輸出，然后單擊OK按鈕。生成fir.hC語言頭文件。將系數(shù)

7、稍作修改，調(diào)整后拷貝到程序的系數(shù)初始化空間即可。(2)在CCS中編寫匯編語言程序， 進(jìn)行調(diào)試， 實(shí)現(xiàn)帶通濾波的功能。 在CCSIDE中建立LHM.pjt工程,用匯編語言編寫處理主程序fir.asm。另外根據(jù)板上的存儲(chǔ)器配置方式,編寫存儲(chǔ)器配置文件fir.cmd文件，將MATLAB生成的LHM.h和inputl.dat文件拷貝到LHM.pjt工程文件夾下，進(jìn)行編譯、鏈接,生成可執(zhí)行文件LHM.out。運(yùn)行程序，查看輸入輸出波形，修改相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試5.2 實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及解決的辦法(1)在MATLAB程序設(shè)計(jì)中，采樣頻率設(shè)置的過小，截止頻率大于采樣頻率的一半，運(yùn)行的時(shí)候圖形出現(xiàn)錯(cuò)誤。(2)

8、FIR.m中的采樣頻率要和開始設(shè)置時(shí)的采樣頻率一致，否則結(jié)果會(huì)出現(xiàn)圖 5.7MATLAB 輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換圖(3)加載初始化data數(shù)據(jù)，圖5.8所示。圖 5.8data 初始化圖6(3)在CCS中未定義標(biāo)號，程序運(yùn)行錯(cuò)誤。(4)在.h文件中未把coeff頂格寫，編譯時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。(5)未將fir.h和input.dat文件考入工程文件中。6)間接尋址過程中，程序中丟失。(7)在View的Graph中單擊Time/frequency出現(xiàn)graphpropertydialog框，未修改抽樣點(diǎn)數(shù)。顯示的圖形出現(xiàn)差異5.3 CCS 程序運(yùn)行后的各種輸出結(jié)果在View的Graph中單擊Time/freque

9、ncy出現(xiàn)graphpropertydialog框。將顯示類型，圖形名稱，起始地址，抽樣點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)類型等分別進(jìn)行設(shè)置，輸出各種波形。輸出濾波前的信號時(shí)域波形。首先，設(shè)置如圖5.9所示，輸出濾波前圖5.10為濾波前的信號，波形很雜亂，從時(shí)域上很難看出信號的周期性。修改相應(yīng)設(shè)置，輸出如圖5.11所示濾波前信號頻譜。偏差。的信號時(shí)域波形。7圖 5.11 濾波前信號頻譜波形圖經(jīng)過濾波后，時(shí)域波形頻譜波形如圖5.12和 5.13所示圖 5.12 濾波后信號時(shí)域波形圖圖 5.13 濾波后信號頻譜圖由上述的所有截圖可知，輸入?yún)?shù)中，通帶截止頻率和阻帶截止頻率是比較重要的兩個(gè)參數(shù)，不宜過小，過小濾掉的高頻成分

10、太多，很難還原出遠(yuǎn)波形的形狀，也不宜過大，過大濾波效果欠佳。在本課程設(shè)計(jì)中，通帶截止頻率選用4000Hz，阻帶截止頻率選用4500Hz，因此，顯示圖形時(shí)的，時(shí)域顯示的抽樣點(diǎn)數(shù)為1024，頻域顯示的帶寬為0.5Hz。對比濾波前后信號的時(shí)域圖5.10和5.12、頻譜波形圖5.11和5.13可以知道，濾波前的時(shí)域信號的波形圖的波形很雜亂，很難看出信號的周期性，濾波后周期性也相對的明顯起來了；濾波前信號分布在整個(gè)頻帶上，濾波后阻帶范圍內(nèi)的基本被濾掉，這些都可以從上述截圖看出。8附件：源程序清單用線性緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器程序清單.title“FIR1.ASM”.mmregs.defstartx.u

11、sect“x”，8PA0.set0PA1.set1.dataCOEF：.word1*32768/10.word2*32768/10.word-4*32768/10.word3*32768/10.word-4*32768/10.word2*32768/10.word1*32768/10.textstart:SSBXFRCTSTM#x+7,AR2STM#6,AR0LD#x+1,DPPORTRPA1,x+1FIR1:RPTZA,#6MACD*AR2-,COEF,ASTHA,*AR2PORTW*AR2+,PA0BDFIR1PORTRPA1,*AR2+0.end用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器程序清單:

12、.title“FIR2.ASM”9.mmregs.def.bssstarty,1xn.usect“xn”,7b0.usect“b0”,7PA0.set0PA1.set1.datatable:.word1*32768/10.word2*32768/10.word3*32768/10.word4*32768/10.word5*32768/10.word6*32768/10.word7*32768/10.textstart:SSBXFRCTSTM#b0,ARlRPT#6MVPDtable,*ARl+STM#xn+6,AR2STM#b0+6,AR3STM#7,BKSTM#-1,AR0LD#xn,DPP

13、ORTRPAl,xnFIR2:RPTZA,#6MAC*AR2+0%,*AR3+0%,ASTHA,yPORTWy,PA0BDFIR210PORTRPAl,*AR2+0%.end匯編程序清單lhm.h 文件內(nèi)容.datacoeff.word-85,-64,-61,-36,8,62,110,136,131.word96,42,-11,-44,-44,-11,39,85,106.word88,37,-29,-83,-101,-73,-7,70,124.word131,82,-5,-96,-151,-144,-72,37,140.word191,162,61,-76,-191,-231,-174,-35

14、,132.word256,278,180,-7,-208,-337,-330,-176,72.word316,445,392,156,-178,-475,-599,-470,-108.word361,745,857,594,-6,-748,-1336,-1456,-893.word386,2192,4154,5816,6768,6768,5816,4154,2192.word386,-893,-1456,-1336,-748,-6,594,857,745.word361,-108,-470,-599,-475,-178,156,392,445.word316,72,-176,-330,-337

15、,-208,-7,180,278.word256,132,-35,-174,-231,-191,-76,61,162.word191,140,37,-72,-144,-151,-96,-5,82.word131,124,70,-7,-73,-101,-83,-29,37.word88,106,85,39,-11,-44,-44,-11,42.word96,131,136,110,62,8,-36,-61,-64.word-85Fir.asm 內(nèi)容：.titlefir.asm.mmregs.global_c_int00ORDER.set154D_LEN.set1024xn.usectxn,(OR

16、DER-1).usecta0,(ORDER-1);TheLengthofInputDataa011STM#a0,FIR_COEF;Copya0(coefs)toFIR_COEF(AR3)RPT#ORDER-1MVPD#coeff,*FIR_COEF+STM#1,FIR_INDEXSTM#xn,FIR_DATA;Copyxn(data)toFIR_DATA(AR2)RPTZA,#ORDER-1STLA,*FIR_DATA+STM#(xn+ORDER-1),FIR_DATASTM#(a0+ORDER-1),FIR_COEFSTM#input,DATA_IN;GetdatafrominputSTM#

17、output,DATA_OUT;WritedatatooutputSTM#D_LEN-1,BRCRPTBDnext-1STM#ORDER,BKLD*DATA_IN+,AFIR:STLA,*FIR_DATA+%RPTZA,(ORDER-1)MAC*FIR_DATA+0%,*FIR_COEF+0%,A;FIRSSTHA,*DATA_OUT+nextinput.usectinput,D_LENoutput.usectoutput,D_LEN.copyHM.h.text.asgAR0,FIR_INDEX.asgAR2,FIR_DATA.asgAR3,FIR_COEF.asgAR5,DATA_IN.asgAR6,DATA_OUT_c_int00:SSBXFRCT;Getcoefsfromcoef.h12FIR_END:BFIR_END.endFIR.m 的程序如下：fs=40000;%/采樣 HzN=1024%數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)T=1/fs;%采樣周期n=0:N-1;df=n*(fs/N)%待濾波信號波形xin=randn(1,1024)figure(1)plot(xin)%待濾波信號頻譜xinff=abs(fft(xin);figure(2)plot(df,xi