DSP課程設(shè)計(jì)FIR濾波器設(shè)計(jì)

1、DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：FIR濾波器設(shè)計(jì) 學(xué)院：電氣信息學(xué)院 專業(yè)：通信工程 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師：曹玉英 一、設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個FIR高通濾波器，通帶邊界頻率為2khz，通帶紋波小于1dB，采樣頻率為8khz，實(shí)現(xiàn)當(dāng)多個頻率的輸入信號輸入時只保留大于2khz的信號功能，其中FIR濾波器的設(shè)計(jì)可以用MATLAB窗函數(shù)法進(jìn)行。二、算法研究1. FIR的原理和參數(shù)生成公式FIR數(shù)字濾波器是非遞歸性的線性時不變因果系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)的差分方程可以表示為： yn=i=0N-1aixn-i (2.1)令輸入信號x(n)=(n),代入(2.1)式，有yn=i=0N-1ain-i=a0(n)+a1(n-1)

2、+···+an-1n-(N-1) (2.2) 這時的y(n)即為沖激響應(yīng)h(n)。由(2.2)式很容易得到 h(0)=a0，h(1)=a1, ···,h(N-1)=an-1；又由(2.2)式可知，當(dāng)n<0以及n>N-1時，h(n)=0,即這個系統(tǒng)的沖激響應(yīng)是有限長度的，這樣的濾波器就叫做有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。(2.3)將ai=h(i)(i=0,1, ···，N-1)代入(2.2)式，得到y(tǒng)n=i=0N-1hixn-i(2.4)將(2.3)式的兩邊進(jìn)行z變換后，可以得到FIR濾波器的系統(tǒng)

3、函數(shù)：HZ=Y(Z) XZ =i=0N-1hiz-i=n=0N-1h(n)z-n又由(2.4)式，有Hz=h0zN-1+h1zN-2···+hN-2z+h(N-1)ZN-1因此，F(xiàn)IR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)的極點(diǎn)都位于z=0處，為N-1階極點(diǎn)；而N-1個零點(diǎn)由沖激響應(yīng)h(n)決定，一般來說，可以位于有限z平面的任何位置。由于FIR數(shù)字濾波器的極點(diǎn)都集中在單位圓內(nèi)的原點(diǎn)z=0處，與系數(shù)h(n)無關(guān)，因此FIR濾波器總是穩(wěn)定的，這是FIR數(shù)字系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。2. 利用MATLAB計(jì)算濾波系數(shù)用來設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頻率響應(yīng)的基于窗函數(shù)的FIR濾波器，可實(shí)現(xiàn)加窗線性相位FIR數(shù)字

4、濾波器的設(shè)計(jì)。語法：b=fir1(n,Wn) b=fir1(n,Wn,ftype) b=fir1(n,Wn,Window) b=fir1(n,Wn,ftype,window) n:濾波器的階數(shù)；Wn：濾波器的截止頻率； ftype：用來決定濾波器的類型， 當(dāng)ftype=high時，可設(shè)計(jì)高通濾波器； 當(dāng)ftype=stop時，可設(shè)計(jì)帶阻濾波器；Window：用來指定濾波器采用的窗函數(shù)類型，其默認(rèn)值為漢明窗。3.編寫產(chǎn)生濾波器輸入信號的程序輸入信號應(yīng)該至少包含兩種頻率成分的正弦信號，一種信號頻率小于2000hz，一種信號頻率大于2000hz?？梢栽費(fèi)ATLAB中產(chǎn)生，也可編寫DSP程序產(chǎn)生。三、

5、開發(fā)平臺1.MATLABMATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案

6、，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2.CCSCCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境。在CCS下，開發(fā)者可對軟件進(jìn)行編輯，編譯，調(diào)試，代碼性能測試和項(xiàng)目管理等所有工作，并能將程序下載到目標(biāo)DSP上運(yùn)行調(diào)試。在一個開放式的插件結(jié)構(gòu)下，CCS內(nèi)部集成了以下軟件工具：1）C5000代碼產(chǎn)生工具（包括C5000的編譯器，匯編優(yōu)化器，匯編器和連接器）；2）軟件模擬器（Simulator）；3）實(shí)時基礎(chǔ)軟件DSP/BIOSTM ；4）主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的實(shí)時

7、數(shù)據(jù)交換軟件RTDXTM；5）實(shí)時分析和數(shù)據(jù)可視化軟件；CCS不僅具有一系列的調(diào)試、分析能力，還提供了實(shí)時分析和數(shù)據(jù)可視化功能，大大降低了DSP系統(tǒng)的開發(fā)難度，使開發(fā)者可以將精力集中在應(yīng)用開發(fā)上。四、參數(shù)計(jì)算1.利用MATLAB計(jì)算濾波系數(shù)利用MATLAB中的FDATOOL設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)設(shè)置如圖4-1，頻域波形如圖4-2。其中FDATool（Filter Design and Analysis Tool）是MATLAB信號處理工具箱的一種綜合、簡便的圖形用戶工具。通過該工具提供的先進(jìn)可視化濾波器集成設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶可以方便地設(shè)計(jì)幾乎所有的常規(guī)濾波器，包括FIR和IIR的各種設(shè)計(jì)方法。本次設(shè)計(jì)利用

8、高通濾波器，選擇最小濾波器階次，采樣頻率Fs為8Khz，阻帶邊界頻率為1800hz，通帶頻率設(shè)置為2000hz。參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊design filter，即可生成如下濾波器的時域與頻域圖像。圖4-1 FDATOOL生成濾波系數(shù)圖4-2 設(shè)計(jì)濾波器的頻域波形選擇Targets中的Code composer studio(r)IDE,如圖4-3示，在出現(xiàn)的對話框中選擇輸出文件類型為C header file，輸出系數(shù)類型為signed 16-bit integer。點(diǎn)擊OK, 選擇路徑，即可輸出前一步設(shè)計(jì)出的FIR濾波器的系數(shù)表。圖4-3 生成濾波器系數(shù)表文件2.利用MATLAB生成輸入信號

9、假設(shè)輸入信號包括兩種頻率成分，其中一個信號頻率設(shè)置為800hz，另一個設(shè)置為2500hz，用MATLAB產(chǎn)生，代碼如下：i=0:1:255;xto_ccs=round(sin(2*pi*i*800/8000)+sin(2*pi*i*2500/8000)*32768/2)fid=fopen('input.dat','w');%打開文件 fprintf(fid,'1651 1 0 0 0n');%輸出文件頭 fprintf(fid,'%dn',xto_ccs);%輸出fclo

10、se(fid);單擊編譯后生成input.dat文件。五、源程序1.c語言主程序：#include"stdio.h"#include"fdacoefs.h" /濾波系數(shù)文件#define N 111 / FIR濾波器的級數(shù)+1，本例中濾波器級數(shù)為110#define LEN 200 /待濾波的數(shù)據(jù)長度long yn;int inputLEN; /輸入緩沖，在仿真時將從內(nèi)存載入int outputLEN; /輸出緩沖，直接存放在內(nèi)存中void main() int i,j; int *x; for(j=0;j<LEN-1;j+) x=&inp

11、utj; yn=0; for(i=0;i<N-1;i+) yn+=Bi*(*x+); outputj=yn>>15; while(1);2.cmd連接器文件MEMORY PAGE 0:EPROG:o=0x1400,l=0x7c00 VECT:o=0xff90,l=0x80 PAGE 1:USERREGS:o=0x60,l=0x1c BIOSREGS:o=0x7c,l=0x4 IDATA:o=0x80,l=0x1380 EDATA:o=0x1400,l=0x8000 EDATA1:o=0x9400,l=0x4c00 SECTIONS .vectors:>VECT PAGE

12、 0 .sysregs:>BIOSREGS PAGE1 .trcinit:>EPROG PAGE 0 .gblinit:>EPROG PAGE 0 .frt:>EPROG PAGE 0 .text:>EPROG PAGE 0 .cinit:>EPROG PAGE 0 .print:>EPROG PAGE 0 .sysinit:>EPROG PAGE 0 .bss:>IDATA PAGE 1 .far:>IDATA PAGE 1 .const:>IDATA PAGE 1 .switch:>IDATA PAGE 1 .sysm

13、em:>IDATA PAGE 1 .cio:>IDATA PAGE 1 .MEM$obj:>IDATA PAGE 1 .sysheap:>IDATA PAGE 1 .stack:>IDATA PAGE 1 六、調(diào)試過程1.編譯程序新建工程文件“l(fā)iuying0202”，按照五中要求輸入c語言源程序及cmd文件，將.c,.cmd,.lib加入工程中，rebuild all。調(diào)試結(jié)果如圖6-1示。圖6-1 rebuild all結(jié)果2.導(dǎo)入程序點(diǎn)擊file按鈕，選擇load program，添加剛剛生成的liuying0202.out文件。如圖6-2示。圖6-2 加入

14、.out文件3.導(dǎo)入數(shù)據(jù)點(diǎn)擊file按鈕，選擇data中的load.選項(xiàng),將利用MATLAB生成的inpu t.dat文件導(dǎo)入輸入的信號波形文件，如圖6-3示，點(diǎn)擊確定后，彈出設(shè)置對話框，將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件的起始地址設(shè)置為input，數(shù)據(jù)長度為200,page選擇data，具體如圖6-4示。圖6-3 導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件圖6-4 設(shè)置導(dǎo)入數(shù)據(jù)格式4.設(shè)置觀察窗口點(diǎn)擊view按鈕，選擇graph中的time/frequency.進(jìn)行設(shè)置,起始地址分別設(shè)置為:input 和output，數(shù)據(jù)大小設(shè)置為：200，采樣頻率設(shè)置為8Khz。如圖6-5示。圖6-5 設(shè)置觀察窗口七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1.輸入信號如圖7-

15、1是輸入信號時域波形，圖7-2是輸入信號頻域波形。2.輸出信號如圖7-3是輸出信號時域波形，圖7-4是輸出信號頻域波形。圖7-1 輸入信號時域波形圖7-2 輸入信號頻域波形圖7-3 輸出信號時域波形圖7-4 輸出信號頻域波形3.結(jié)果分析通過四個觀察窗口可以明顯的觀察到，本次設(shè)計(jì)的濾波器將頻率為800hz的信號濾除，只留下了頻率為2500hz的信號，實(shí)現(xiàn)了高通濾波器的濾波功能。但濾波的效果未達(dá)到最好，有一定干擾存在。八、總結(jié)采用MATLAB軟件來輔助DSP平臺實(shí)現(xiàn)FIR高通數(shù)字濾波器，大大簡化了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，通過MATLAB的FDATOOL將濾波器的設(shè)計(jì)可視化，使設(shè)計(jì)濾波器變得簡單易行，最后

16、通過CCS軟件的仿真圖形說明了該設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方法都是可行的，該設(shè)計(jì)成功的實(shí)現(xiàn)了高通濾波器的功能。通過本次課程設(shè)計(jì)，加深了對DSP課程概念的理解，鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識，并能很好的理解和掌握數(shù)字信號處理中的基本概念、基本原理、基本方法。同時掌握編程方法和解決實(shí)際問題的技巧。參考資料：1周利清等 數(shù)字信號處理 北京郵電大學(xué)出版社 2014年2鄒彥等 DSP原理及應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 2014年3曹玉英 <dsp>實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 西南石油大學(xué) 2014年4王秀芳等 基于MatLab與DSP的濾波器的快速設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2008，總第二七七期：97995 craftor FIR濾波器的設(shè)計(jì)使用Matlab和CCS 2009年補(bǔ)充部分一、修改程序?qū)崿F(xiàn)低通濾波器：1.濾波系數(shù)文件修改如圖補(bǔ)1-1